EML芯片前端超低反射膜

EAM是Electroabsorption Modulators的缩写，即电吸收调制器。在无外电场时，调制光波长处于EAM吸收曲线外 ，光信号几乎无损失地通过EAM；在施加一定电场后，EAM的吸收曲线向长波长移动，调制光波长产生强烈吸收。

利用EAM的这一特性，当一定功率的光信号通过EAM时，在EAM上施加不同强度的电信号，可以产生相应不同强度的光信号，实现了对光信号的强度调制。

早期的EAM吸收区由体材料制备而成，它是基于Franz-Keldysh效应：在外电场作用下，价带电子隧穿跃迁到导带的几率大大增加，这等效于吸收区的有效能隙Eg减小，根据爱因斯坦关系式Eg=hv=hc/λ， Eg减小，λ增加，所以吸收区的吸收边发生红移。该类型的EAM制作简单、啁啾比直接调制激光器（DML）小，在早期的2.5Gb/s长距离传输网中取得了成功的商用。但体材料制备的EAM啁啾系数始终是正值，难以取得负的啁啾（因为其陡峭的吸收曲线边缘随着外电场增加迅速变得平缓），无法适应更高速率/更长距离的传输场景；

为了获得更好的传输性能，现在的EAM吸收区由多层量子阱制备而成，它的电致吸收边红移是基于量子限制strak效应：当外电场垂直于量子阱时，吸收区红移。这个听起来和Franz-Keldysh效应类似，但吸收区红移的机制是不一样的。在量子阱中，由于电子-空穴运动受势垒限制，激子变得非常稳定，它可以参与到光的吸收过程中来。（激子简言之，是电子吸收光子后跃迁，但未完全跃迁到导带，它仍与空穴“结合在一起”，还不是自由电子；在体材料的Franz-Keldysh效应中，不存在量子势垒限制，激子无法稳定存在）。量子阱中光子吸收过程有激子的参与，其能量关系如下图所示：当电场增加时，Ee1减小，Ehh1减小，EB也减小（激子和自由电子之间的能量差，即激子的结合能），但Ee1和Ehh1减小幅度大得多，所以hv整体上减小，即吸收波长红移，这就是量子限制strak效应。

基于量子限制strak效应的EAM，在电场作用下，其吸收曲线红移的同时，吸收峰强度也在下降，但是其吸收峰边缘还是十分陡峭的，它可以较容易实现很低的甚至是负的啁啾，这对于高速远距离传输至关重要。

------第二：EAM中的量子阱------

单层量子阱的厚度：

量子阱的厚度对EAM性能影响很大，单层量子阱有较大厚度时，其对光的吸收能力变强，调制效率会增加；但是太厚了，量子限制效应会减弱。基于性能的平衡，单层量子阱厚度一般为9nm左右。

应变量子阱：

无应变量子阱的EAM，由于价带能级的不连续性，很容易产生空穴堆积，在光功率达到一定程度时会产生吸收饱和。其结果就是，当EAM的反偏电压增加时，EAM的带宽会先达到最大值，然后急剧减小。这给EAM的性能带来不利影响。通过在量子阱中加入压应变，可以消除载流子堆积，EAM的带宽基本不随反偏电压变化。此外应变量子阱更容易实现低的甚至负的啁啾。

-------第三：EML集成芯片---------

EAM芯片单独用起来相当不方便，通产将它与DFB集成在一起形成EML集成芯片。DFB与EAM的集成有3大关键问题：

DFB与EAM之间的高效耦合

DFB的光能够有效传递到EAM是进行高效光调制的前提。DFB和EAM之间的耦合效率可以通过重叠积分计算。根据重叠积分，实现高效率耦合的条件是 模场匹配 和相位匹配。DFB的波导和EAM的波导都是量子阱结构，虽然其量子阱材料、量子阱厚度、量子阱层数不一样，但其模场差别很小，只要DFB波导和EAM波导模场相位匹配，就可以达到较高的耦合效率。对于直接对接耦合的波导，要求两波导完全对准，中间无任何对接缺陷。目前的工艺水平，DFB波导与EAM波导横向对准偏在50nm以内，纵向波导对接缺陷不超过0.5um，耦合效率在80%左右。

2. DFB与EAM之间的电隔离

DFB由正向电流驱动输出恒定的光功率，而EAM由反偏电压和调制电压驱动对DFB的光信号进行调制。二者之间通常需要20KΩ以上的电隔离。如果隔离器电阻不够，EAM上的调制电压可能泄露到DFB上，在降低EAM的调制效率的同时，还使得DFB驱动电流变化产生额外的啁啾；或者反过来，DFB的电流泄露到EAM上，对EAM的工作造成不利影响。目前的解决方案是在DFB和EAM的对接区的外包层形成浅隔离沟槽，形成约~50um的电隔离区，隔离电阻通常可达50kΩ以上。

3. EML芯片前端超低反射膜

如果EML芯片前端面反射率过高，反射光会随着EAM的ON/OFF调制，对DFB形成调制效应，形成所谓“绝热啁啾”。因此必须严格控制EML芯片前端面的反射。理论计算表明，当EML芯片前端反射率在0.01%以内时候，绝热啁啾可以忽略。对比一下一般的光学表面的增透膜0.2%的反射率水平，EML增透膜的反射率要求在0.01%以内，这是非常有挑战的！除了镀膜以外，有些公司还将EAM的波导做成斜的，可进一步降低端面反射率。

------第四：EML芯片的封装特点------

EML芯片封装时是必须带TEC温控的，这是因为DFB的温度漂移系数在~0.1nm/℃，而EAM的温度漂移系数在~0.5nm/℃，它们之间有~0.4nm/℃的差距。在低温下，DFB波长处于EAM吸收区之外，EML还能有较大的光功率输出；随着温度的升高，EAM的吸收区将迅速向DFB的波长移动，DFB的光将被大量吸收，再叠加上温度升高引起的DFB本身的功率降低，EML的输出光功率急剧降低（做过数通400G FR4的朋友肯定有经验，所谓Uncool EML高温光功率掉7~8dB是很常见的）。

TEC的存在使得EML芯片能发挥最佳性能，但是其巨大的功耗也令人十分讨厌。去除TEC实现EML的Uncool封装是目前EML的发展方向。随着温度的变化，实时调整EAM的偏置电压，使得EAM的吸收区和DFB的工作波长之间的距离维持在稳定水平是一个解决方案。其缺点是温度升高，EAM反偏电压变小，EML芯片将有更大的啁啾，（EML芯片的啁啾随反偏电压增加而减小）这对于短距离应用可能没没什么，对于长距离传输影响较大。另一个方案就是合理设计EAM的吸收区和DFB的工作波长之间的距离，使得在EML工作温度范围内，EML的输出光功率和消光比都维持在一个较为理想的水平，并且使用 InGaAlAs材料来提高EML的高温工作特性，但目前无制冷的EML还不是很成熟。
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