本期我們將開始一個新的系列專題——有源光子器件的設計與仿真，涉及到調制器、探測器、激光器在內的眾多有源器件。我們將以Ansys Lumerical上的案例為基礎，從基本的硅光調制器開始，介紹調制器的基本原理、性能指標、常見結構、設計流程、建模仿真等步驟，使用Ansys Lumerical CHARG、HEAT以及INTERCONNECT等軟件，最終完成單個光子器件到光子集成電路的仿真設計。接下來讓我們從光學調制的基本概念開始。

什么是光學調制？

在介紹硅光調制器的之前，首先解決一個問題：什么是光學調制？我們不難找到它的定義，即“光調制技術就是將一個攜帶信息的信號疊加到載波光波上的一種調制技術”，這個定義更偏向于光學通信。從光學原理的角度來看，光學調制則是改變光信號的強度（振幅）、頻率、相位、傳播方向等一個或多個特征參數的過程。在這些參數中，大部分光探測器（包括人眼）對光強（振幅）最為敏感，且其他光學參數如頻率、相位等也可以通過光強的變化來表達，因此可以通過檢測光強（振幅）的變化來檢測光學調制的效果。

光學調制的作用是什么？

光學調制的作用可歸納為以下幾個方面：首先對于光纖通信而言，光學調制可以將電信號轉換為光信號，以便在光纖中實現高速度、大容量、高帶寬、低損耗、以及抗電磁干擾能力強的數據傳輸。此外通過復雜的調制方式，光信號的攔截和竊聽更為困難，因此具有較高的安全性。其次，在光子集成電路中，光學調制器可以與其他光電子器件高密度集成在一個芯片上，用于各種光信號處理應用，包括復用、解復用、路由等。在數據中心和高性能計算系統中，光學調制可用于實現高速光互連，大幅提高數據交換速度，減少延遲，提升整體計算效率。最后在測量和傳感領域，光學調制技術也有廣泛應用，如光纖傳感器和干涉儀測量。

光學調制的原理與分類

從技術實現的角度來看，集成光調制器按照調制方式的不同可分為，直接（內部）調制器件和外部調制器件。

直接調制器件是將射頻信號（或稱調制信號）與驅動電流耦合，直接驅動光源進行電光調制（示意圖如下），典型的例子為具有泵浦電流調制功能的常用半導體激光二極管，可以在高達30 GHz以及更高的頻率下工作。優點為結構簡單、易于實現，技術較為成熟，缺點為調制頻率易受到限制，且輸出光信號的頻率也會隨注入電流變化出現啁啾現象，因此不適用于高速率以及長距離的通信場景。

圖1：直接調制器件原理圖

外部調制器件也稱為間接調制一方面可以通過改變材料對光的吸收，改變光信號的強度，進而達到調制光信號的目的，另一方面可以利用外加各種形式的能量使材料折射率發生變化，引起光信號強度發生變化。因此外部調制器件也可分為電吸收型和折射率改變型，根據能量形式的不同，折射率改變型又可分為：電光調制、熱光調制、聲光調制以及磁光調制。

圖2：外部調制器件原理圖

電光調制中常用的物理效應

(一)泡克耳斯效應：折射率實部變化引起相位調制

1.泡克耳斯效應（Pockels effect）是電光效應的一種，由于其外加電場引起的晶體折射率變化正比于電場強度， 因此又稱作線性電光效應。此外，還有二階非線性電光效應—克爾效應，其外加電場引起的晶體折射率變化正比于電場強度的平方。兩種效應的折射率對外加電場的依賴關系如下：

2.應用范圍：InP、鈮酸鋰、有機電光材料等，Ansys Lumerical中的案例為Thin Film Lithium Niobate Electro-Optic Phase Modulator：（相關鏈接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/19435937674387-Thin-Film-Lithium-Niobate-Electro-Optic-Phase-Modulator）

圖3：鈮酸鋰薄膜電光相位調制器

(二)弗朗茲－凱爾迪什效應：折射率虛部變化實現強度調制

1.弗朗茲－凱爾迪什效應(Franz-Keidysh, F-K）是電吸收效應的一種，指的是在外加電場作用下某些半導體的能帶發生彎曲，使得導帶和價帶間的帶隙發生變化，價帶電子通過隧穿躍遷到導帶的幾率大大增加，有效能隙減小，使得吸收邊發生紅移。原理圖如下：

圖4：弗朗茲－凱爾迪什效應

2.應用范圍：Ge、GeSe等材料，Ansys Lumerical中的相關案例為：T Electro-absorption modulator

（相關鏈接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042456054-Electro-absorption-modulator）

圖5：硅鍺電吸收調制器

(三)量子限制斯塔克效應：折射率虛部變化實現強度調制

1.量子限制斯塔克效應(quantum confined stark effect, QCSE)反映了量子阱結構光學吸收譜在外加垂直電場作用下的變化，如圖所示，電子和空穴被束縛在量子阱中。外加電場后，束縛的電子和空穴形成激子。與Franz–Keldysh效應類似，在外加電場的作用下，量子阱結構能帶發生傾斜，使得有效帶隙降低，吸收邊紅移。

圖6：量子限制斯塔克效應效應

2.應用范圍：InP、GaAs-AlGaAs等材料，Ansys Lumerical中的相關案例為：GaAs-AlGaAs Electro Absorption Modulator

（相關鏈接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/1500003780782-GaAs-AlGaAs-Electro-Absorption-Modulator）

圖7：GaAs-AlGaAs電吸收調制器

(四)等離子體色散效應

1.等離子體色散效應（plasma dispersion, PD）指的是材料中自由載流子的濃度對材料折射率的實部和虛部都會產生影響，其中對材料折射率虛部（吸收）的影響要遠大于實部。

2.如果利用硅材料對通信波段的光波進行調制，有如下經驗公式：

注：  ：材料的折射率變化量，  ：材料的光吸收系數變化量， ，

 ：電子和空穴在單位體積（cm-3）的濃度變化量。在1550 nm和1300 nm下，空穴的吸收系數變化更小，折射率系數變化更大。

3.應用范圍：常用材料為Si， Ansys Lumerical中的相關案例為：Traveling Wave Mach-Zehnder Modulator（相關鏈接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042328774-Traveling-Wave-Mach-Zehnder-Modulator）

圖8：行波馬赫-曾德爾調制器

上面介紹了電光調制中四種常見的物理效應，這四種物理效應對對硅材料光學性質的影響可以總結如下：

①由于硅晶格的中心反演對稱性，泡克耳斯效應是零。

②在1.31~1.55 um的通信波長范圍內，硅中的F-K 效應幾乎為零。

③硅中的克爾效應是10-4數量級小于等離子體色散效應的10-3數量級。

因此，多數硅基電光調制器都是通過等離子體色散效應來實現的。OK，綜上所屬，我們從光學調制開始，介紹了光學調制的原理與分類，以及電光調制中四種常見的物理效應，后面我們將繼續介紹硅基光電調制器的性能指標、常用結構等內容，歡迎大家持續關注摩爾芯創的更新。 Lumerical軟件試用申請，歡迎聯系摩爾芯創。

參考文獻：

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Petrov V M, Agruzov P M, Lebedev V V, et al. Broadband integrated optical modulators: Achievements and prospects[J]. Physics-Uspekhi, 2021, 64(7): 722.