電光效應
關注創建者：琳泓comsol 創建時間：2020-08-04
電光效應的實例教程
【引言】
近年來，壓電光電子學效應廣泛被用于各類半導體光電器件的性能調制，包括：太陽能電池、發光二極管、光電二極管和光探測器等。然而，關于壓電光電子學效應在不同器件結構和材料體系的半導體光電器件中的調制作用機制研究還鮮見報道。更重要的是，壓電光電子學效應不僅會產生使器件性能增強的作用，還可能會產生使器件性能削弱的作用，極大地限制了壓電光電子學效應能夠達到的器件性能增強的最大幅度。
【成果簡介】
近日，在西安交通大學電子與信息工程學院微電子學院賀永寧教授和彭文博博士講師的指導下，潘子健和李芳沛等研究成員以異型和同型異質結光電二極管為研究對象，通過對比壓電光電子學效應在兩種異質結光電二極管器件中的性能調制作用，系統地研究了不同器件結構對壓電光電子學效應的影響。研究結果表明，壓電光電子學效應能使p-n異型異質結光電二極管器件的性能增強約150%，而僅能使n-n同型異質結光電二極管器件的性能增強約55%。通過系統地分析壓電電荷對兩種器件能帶結構的調制作用，發現：壓電光電子學效應在p-n異型異質結光電二極管器件中引入了兩種增強器件性能的正效應，而其在n-n同型異質結光電二極管器件中不僅引入了一種增強器件性能的正效應，還引入了兩種削弱器件性能的負效應，因此壓電光電子學效應對前者的性能增強作用更顯著。此外，有限元仿真結果表明壓電光電子學效應對p-p同型異質結光電二極管器件性能的調制作用與其對n-n同型異質結光電二極管器件性能的調制作用類似。
展開 為解決現有FPA在可靠性、速度、功耗等方面的瓶頸問題，西北工業大學機電學院空天微納系統教育部重點實驗室使用薄膜鈮酸鋰開發出全球首款基于電光效應的焦平面陣列光束掃描芯片，實現速度和功耗性能的顯著提升。
相關工作以“Focal Plane Array Based on Thin-Film Lithium Niobate for Fast-Speed and Low-Power-Consumption Beam Steering”為題發表于《ACS Photonics》，并被選為封面論文。訊技光電科技（上海）有限公司的VirtualLab Fusion軟件為該項研究成果提供了設計及性能仿真。
研究背景
焦平面陣列（Focal Plane Array，FPA）作為一種重要的全固態光束掃描技術，通過光開關陣列控制光信號從不同位置處的光柵輻射器發射信號，經過置于其上的透鏡后產生一個和輻射器位置相關的偏轉角，從而在無可動部件的情況下實現光束掃描。現有FPA要么使用MEMS結構實現光開關陣列，要么通過熱光效應構建光開關陣列。基于MEMS結構的FPA受其內部可動機械部件的限制而存在速度有限、可靠性差等問題，基于熱光效應的FPA則具有熱光器件固有的速度慢、功耗高等問題。因此，現有熱光式焦平面陣列芯片存在可靠性低、速度慢、功耗高等問題。
為解決上述問題，西北工業大學機電學院空天微納系統教育部重點實驗室基于薄膜鈮酸鋰的電光效應研制出全球首款基于電光效應的焦平面陣列光束掃描芯片。這種電光式FPA在保證可靠性的同時，相比現有FPA在速度、功耗上的性能至少提升了2個數量級。這一結果有望推動FPA在自由空間光通信及遠距離激光雷達等領域的應用。
展開 為解決現有FPA在可靠性、速度、功耗等方面的瓶頸問題，西北工業大學機電學院空天微納系統教育部重點實驗室使用薄膜鈮酸鋰開發出全球首款基于電光效應的焦平面陣列光束掃描芯片，實現速度和功耗性能的顯著提升。
相關工作以“Focal Plane Array Based on Thin-Film Lithium Niobate for Fast-Speed and Low-Power-Consumption Beam Steering”為題發表于《ACS Photonics》，并被選為封面論文。訊技光電科技（上海）有限公司的VirtualLab Fusion軟件為該項研究成果提供了設計及性能仿真。
研究背景
焦平面陣列（Focal Plane Array，FPA）作為一種重要的全固態光束掃描技術，通過光開關陣列控制光信號從不同位置處的光柵輻射器發射信號，經過置于其上的透鏡后產生一個和輻射器位置相關的偏轉角，從而在無可動部件的情況下實現光束掃描。現有FPA要么使用MEMS結構實現光開關陣列，要么通過熱光效應構建光開關陣列。基于MEMS結構的FPA受其內部可動機械部件的限制而存在速度有限、可靠性差等問題，基于熱光效應的FPA則具有熱光器件固有的速度慢、功耗高等問題。因此，現有熱光式焦平面陣列芯片存在可靠性低、速度慢、功耗高等問題。
為解決上述問題，西北工業大學機電學院空天微納系統教育部重點實驗室基于薄膜鈮酸鋰的電光效應研制出全球首款基于電光效應的焦平面陣列光束掃描芯片。這種電光式FPA在保證可靠性的同時，相比現有FPA在速度、功耗上的性能至少提升了2個數量級。這一結果有望推動FPA在自由空間光通信及遠距離激光雷達等領域的應用。
展開 針對壓電半導體中極化電荷和半導體特性耦合過程的研究和應用，佐治亞理工學院及中國科學院北京納米能源與系統研究所的王中林院士分別于2007年和2010年首次提出壓電電子學和壓電光電子學的基本概念和原理，并建立了壓電電子學和壓電光電子學這兩大新興學科。在壓電電子學效應中，壓電半導體材料受機械作用產生的極化電荷對金屬-半導體肖特基結或p-n結界面處的載流子傳輸過程進行有效調制，實現了將外部機械信號轉變為壓電電子學器件（例如晶體管，邏輯電路等）中的門控信號。在壓電光電子電子學效應中，壓電半導體材料受機械作用產生的極化電荷對光生載流子的產生，復合，分離以及輸運的過程進行有效調制，實現了將外部機械信號轉變為壓電光電子學器件（例如光電探測器，發光二極管等）中的門控信號。
壓電電子學和壓電光電子學不僅提供了豐富的基礎研究機會，并在人機交互、微納機電器件、傳感和自驅動系統，人工智能等領域也具有廣闊的應用前景，由此激發了科研人員在這個領域的研究興趣。近年來對于壓電電子學和壓電光電子學的基礎及應用研究取得了快速地發展。多種功能材料中的壓電電子學和壓電光電子學的基本效應得到了系統深入地研究，相關的理論體系得以建立，諸多壓電電子學和壓電光電子學器件也被設計研發。為增進研究者們對壓電電子學與壓電光電子學的理解以推進其實際應用，王中林院士組織領域內研究者在2018年12月的美國材料學會會刊（MRS Bulletin）上撰寫了主題為“壓電電子學和壓電光電子學”的專刊。該期專刊的八篇綜述文章從基礎材料特性，相關效應的物理過程，器件設計和應用，及理論計算和分析等角度全方位地回顧了壓電電子學和壓電光電子學的最新學科進展，并對未來的研究趨勢做了深入討論。
展開 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。
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電光效應的相關專題、標簽、搜索
電光效應的最新內容
（1）LC-SLM的核心仿真原理
LC-SLM的整形效果依賴液晶的電光效應（扭曲向列效應、電控雙折射效應），其中相位延遲公式、分子偏轉角與電壓關系、強度調制公式均為仿真設計的核心理論依據。其仿真流程如下：
物理模型搭建與仿真：結合論文中液晶電光效應相關公式，通過專業設計工具建立LC-SLM模型、定義核心物理參數，完成動態調制仿真與性能優化，驗證設計合理性。
圖1：微環諧振器腔的基本結構
將微環諧振條件公式變形可得：
從公式可以看出，諧振波長λ與波導的有效折射率 成正比，利用電光效應改變微環有效折射率 ，相應的諧振波長就會發生偏移，實現電光調制。因此只需要微小的折射率改變就可以導致顯著的諧振峰偏移，適合高速光調制領域。
上一期我們介紹了光學調制的基本概念并總結了電光調制中常用的物理效應，對于硅材料而言，主要的電光效應包括克爾效應、弗朗茲-－凱爾迪什（F-K）效應、量子限制斯塔克（QCSE）效應和等離子體色散（PD）效應等，但體硅材料中克爾效應和F-K效應都非常微弱，因此硅基高速電光調制一般都利用硅材料的等離子體色散效應來實現調制。
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。
混合波導的光模場分布如圖1a插圖所示，在TFLN層中的光限制因子為61.5%，可有效利用LN的強電光效應。
該器件的制備工藝流程如下所示。馬赫-曾德爾調制器（MZMs）制備于4英寸TFLN晶圓之上，該晶圓結構為：硅襯底（NanoLN）上沉積2微米厚 埋氧化層，其上覆蓋300納米厚x-cut單晶TFLN層。通過等離子體增強化學氣相沉積法在晶圓上沉積300納米厚的SiN層。
過去十年間，薄膜鈮酸鋰（TFLN）憑借其強烈的線性電光效應、寬透明窗口以及優異的熱穩定性、化學穩定性和物理穩定性，已成為高性能電光調制器的理想材料平臺。基于TFLN的馬赫-曾德爾調制器（MZM）已經被實現，其最佳性能：電光帶寬>100GHz且驅動電壓<1V。
除了性能優化外，對工作點，即直流（DC）偏置點的主動控制對于MZM設計至關重要，這要求干涉儀兩臂之間存在理想的初始相位差。
為解決上述問題，西北工業大學機電學院空天微納系統教育部重點實驗室基于薄膜鈮酸鋰的電光效應研制出全球首款基于電光效應的焦平面陣列光束掃描芯片。這種電光式FPA在保證可靠性的同時，相比現有FPA在速度、功耗上的性能至少提升了2個數量級。這一結果有望推動FPA在自由空間光通信及遠距離激光雷達等領域的應用。
為解決上述問題，西北工業大學機電學院空天微納系統教育部重點實驗室基于薄膜鈮酸鋰的電光效應研制出全球首款基于電光效應的焦平面陣列光束掃描芯片。這種電光式FPA在保證可靠性的同時，相比現有FPA在速度、功耗上的性能至少提升了2個數量級。這一結果有望推動FPA在自由空間光通信及遠距離激光雷達等領域的應用。
具有電光效應的材料
如本文的引言中所述，有些材料的介質折射率可以是外加電場的函數。該施加的電場可以來自直流電勢，或來自通過附著于材料的線圈或接觸墊施加的緩慢變化的諧波電勢。這里我們開始考慮折射率光學材料特性，而不是磁化率 χ。
從數學上講，折射率可以表示為外加電場的泰勒級數展開。
我們在這里不做詳述，但您可以閱讀這篇文章：如何設計一個使用電光效應作為相移機制的波導馬赫-曾德爾調制器。
類似地，熱光效應也常用于引起折射率調制，從而引起相移。
一個光學 4×4 酉矩陣乘法核心。該設備由 6 個馬赫–曾德爾調制器網絡組成。它對輸入矢量進行 4×4 酉矩陣乘法。可以通過使用電光效應或熱光效應在每個馬赫–曾德爾調制器中引起相移來對矩陣進行編程。
