高频调制激光器之---EML激光器
1 EML（Electro-Absorption Modulated Laser）电吸收调制激光器
电吸收调制激光器（Electro-Absorption Modulated Laser, EML）的调制原理主要依赖于量子限制斯塔克效应（Quantum-Confined Stark Effect, QCSE），这是一种在强电场作用下，半导体材料中的能带结构发生倾斜的现象。这个现象会导致材料对特定波长光的吸收特性发生变化，从而实现对光信号的调制。是由分布布拉格反馈式二极管激光器（DFB-LD，Distributed
Feedback Bragg Laser Diode）与电吸收调制器（EAM，Electro-Absorption Modulator）集成而得到的一种半导体光源器件。EAM 中载流子寿命很短，它能够便捷有效的实现高速率信号调制。图 1 为一个电吸收调制激光器（EML）器件结构的三维示意图，该 EML 器件的前段是用于射频（RF）调制的电吸收调制器（EAM），而后段是用于直流偏置的分布式反馈激光二极管（DFB - LD）激光二极管（LD）和电吸收调制器（EAM）是通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）对接（BJ）技术连接在一起的。有源区由四个 InGaAsP 多量子阱（MQW）和分离限制层（SCH）构成。在电吸收调制器的键合焊盘下方，沉积了低介电常数的聚酰亚胺以降低电容。还沉积了顶层氧化物用于表面钝化。采用钛 / 铂 / 金金属化作为 p 型接触，以实现低接触电阻和可靠的稳定性
图1 电吸收调制激光器（EML）的三维器件结构示意图。前端的电吸收调制器（EAM）焊盘用于射频调制，而后端的分布式反馈激光器（DFB）用于直流偏置。
为尽量减少光回波反射，在电吸收调制激光器（EML）的前端面上镀有抗反射涂层（AR），以增强光的输出。
为了进一步的增加光的输出功率并且降低功耗，通过将SOA集成到EML中，实现了更高的光输出功率和低功耗。如下图的增加了SOA的芯片结构图
图2 EML with integrated SOA
2 EML 激光器工作原理
DFB 激光器发出激光，进入电吸收调制器（EAM）内，如未施加偏置电压，由于前者的带隙能量高于后者，所以出射光可以完全通过，在这种情况下 EAM 调制器出射光的光强等于 DFB 激光器出射光的光强；
当在 EAM 调制器上加载偏置电压时，EAM 调制器中 PN 结的带隙能量减少，与分布反馈激光器相比，电吸收调制器的带隙能量更小，这时部分能量会被 EAM 调制器的吸收层吸收，EAM 调制器出射光的光强发生变化。
当 EAM 调制器上加载的调制电压不同时，EAM 调制器出射光的光强也不同。
通过上述过程，EAM 调制器实现了对 DFB激光器出射光的高速调制EML 激光器能够有效的避免激光器芯片在高速调制下产生的啁啾效应，具有较高的发射光功率，因此 EML 激光器在光通信领域中得到了广泛的应用。
EAM (Electro absorption Modulator，电吸收调制器)基本都是基于量子限制斯塔克效应的，一般由多层量子阱和垒构成。由于导带和价带之间的能级差，量子阱中形成离散的能级，从而导致电子和空穴被限制住。当没有外加电场的时候，每个能带的波函数分布在量子阱成中心对称的分布。当对量子阱结构施加外加电场的时候，电子和空穴的波函数的中心向量子阱的不同方向偏移，而且此时导带向下偏移，而价带向上偏移。电吸收调制器量子阱在偏压下的变化如图 2 所示. 通过改变外加反偏电压可以改变量子阱的吸收波长。
图3 Operating principle of modulator: (a) schematic diagrams of modulator quantum wells and wave functions and (b) optical absorption spectra
图3 (a)当施加于调制器的电压（V）为 0 V（左图）以及施加反向电压（右图）时所观测到的调制器量子阱及其波函数情况。施加反向电压会使带隙减小。这一现象被称为量子限制斯塔克效应（QCSE）。当V为0 V时，由于吸收光谱的边缘远离激光波长（λ LD），调制器mqw几乎不吸收激光。 施加反向电压导致吸收光谱的边缘由于QCSE而向更长的波长移动，允许调制器mqw吸收激光，导致光输出功率降低。所以，可以通过改变施加到调制器上的电压来控制光输出功率。图2 （b）展示了施加电压和不施加电压情况下吸收光谱的情况。
上图中的Δλ 是指激光器发射的波长与电吸收调制器（EAM）吸收谱边缘之间的差异。这个参数对于调制器的性能至关重要。
当Δλ较小时，意味着激光波长非常接近EAM的吸收边缘。在这种情况下，即使没有施加调制电压（即V =0 V），EAM也会强烈吸收激光，导致几乎所有的光都被吸收，输出功率极低。这种情况下的优点是可以在逻辑“0”状态下实现非常低的光功率，从而提高消光比。然而，如果Δλ过小，可能会导致在逻辑“1”状态下输出功率也不够高，影响整体性能。
当Δλ较大时，激光波长远离EAM的吸收边缘。即使施加反向电压，EAM的吸收谱边缘也不会显著靠近激光波长，因此调制器对激光光的吸收非常有限。这种情况下的缺点是消光比会降低，因为在逻辑“0”状态下，EAM无法有效地吸收足够的光，导致输出光功率不能显著降低。这会影响调制器的调制深度和信号质量。
调制器的尺寸也会影响其性能。较小的调制器可以减少寄生电容，提高调制带宽，但可能会增加制造难度和成本。较大的调制器则可能更容易制造，但在高速调制时可能会受到寄生电容的影响，限制带宽。
为了设计出一个高性能的电吸收调制器，需要在Δλ和调制器尺寸之间找到最佳平衡。适当的Δλ可以确保在逻辑“0”状态下实现高消光比，同时在逻辑“1”状态下保持足够的输出功率。此外，优化调制器的尺寸可以提高带宽，确保调制器能够在高速应用中表现出色。
3 EML 激光器的基本性能参数
电吸收调制激光器（Electro-Absorption Modulated Laser, EML）的特征参数对于评估其性能和适用性至关重要。这些参数包括输出功率、消光比、啁啾、3dB带宽、功耗和调制深度等。以下是这些关键参数的计算方法及其相关公式
3.1 输出功率
EML激光器的前半段是DFB激光器，具有和DFB激光器相同的输出特性。输出功率如下：
(1)
Pout为输出光功率，η 是激光器的光-电转换效率（mW/mA），是芯片的特征参数。Ibias 是激光器的工作电流（mA）。下午是芯片的P-I曲线。
图4 LI Curve of the EML Device at 53°C. The Output Power was Measured with no Bias to the EAM Section (V EA =0V).
从光功率 - 电流（LI）曲线中测得的阈值电流（Ith）约为 17 mA，在电流为 60 mA时光功率约为 16 mW。在电流为 120 mA时，功率达到 33 mW。光功率 - 电流曲线呈现出良好的线性。
3.2. 消光比（Extinction Ratio, ER）
消光比反映了EML在不同逻辑状态下输出光功率的对比度。高消光比意味着更好的信号清晰度和更低的误码率。消光比可以通过测量不同电压下EAM的透射率来确定。
(2)
ER 是消光比，单位为dB;Pon 是逻辑“1”状态下的输出光功率（mW）;Poff 是逻辑“0”状态下的输出光功率（mW）
图5 EAM Electrical Model
EAM 相当于一个反向二极管；随着电吸收调制器（EAM）部分受到反向偏置，电吸收调制器对光开始出现吸收作用。调制器对光的吸收随着反向电压的升高而增加。如下图测试不同电压小激光器输出光功率值可以得到如下图的消光比（ER）曲线图。
图6 消光比（ER）曲线图
3.3 啁啾（Chirp）
啁啾是指由于调制过程中电流变化引起的激光器输出频率的变化。低啁啾有助于减少光纤色散带来的信号失真。EML的啁啾特性主要取决于EAM的设计和材料选择。通过优化EAM结构和使用宽带放大器，可以有效降低啁啾
(3)
Δf 是频率偏移（GHz）;df / dI 是频率对电流的敏感度（GHz/mA），通常由芯片或通过实验测定。ΔI 是电流的变化量（mA）。
3.4 3dB带宽
3dB带宽定义了EML能够支持的最大调制频率，在这个频率下，输出功率下降到最大值的-3dB。为了提高3dB带宽，需要尽量减小EAM的寄生电容和电路电阻。此外，采用高速驱动电路和宽带放大器也有助于提升带宽
(4)
f 3dB 是3dB带宽，单位为Hz。RC 是电路的等效电阻（Ω），包括EAM内部电阻和外部电路电阻。C 是EAM的寄生电容（F），通常由EAM的物理尺寸和材料决定。
3.5 功耗（Power Consumption, 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙）
功耗是衡量EML能效的重要指标。较低的功耗不仅有助于延长设备的使用寿命，还能减少散热问题。通过优化激光器和EAM的工作点以及使用高效的驱动电路，可以有效降低功耗
(5)
Ptotal 是总功耗，单位为W;Vbias 和 𝐼𝑏𝑖𝑎𝑠 分别是激光器的偏置电压（V）和偏置电流（mA）;Vmod 和 𝐼𝑚𝑜𝑑分别是EAM的调制电压（V）和调制电流（mA）。
3.6温度系数（Temperature Coefficient, TCR）
温度稳定性是指EML在不同环境温度下保持性能一致的能力。温度变化会影响激光器的阈值电流、输出功率和波长。为了提高温度稳定性，通常会采用温度补偿机制，激光器封装在热敏电阻或温度控制器的管壳内部，并且壳体内部充有惰性气体。以确保激光器和EAM在不同温度下都能稳定工作。
(6)
TCR 是温度系数，单位为%/°C；ΔPout 是温度变化引起的输出功率变化（mW）；ΔT 是温度变化量（°C）。
3.7 调制深度（Modulation Depth, MD）
调制深度反映了EML在不同逻辑状态下输出光功率的变化幅度。高调制深度意味着更强的信号对比度，有助于提高接收端的信噪比和误码率性能。调制深度可以通过优化EAM的设计和工作点来提高
(7)
MD 是调制深度，单位为%；Pon 是逻辑“1”状态下的输出光功率（mW）；Poff 是逻辑“0”状态下的输出光功率（mW）。
图7左下为给EAM上加载的电调制信号，电压的变化调制深度为m0，电压变化导致输出光功率的变化在图中的右上表示。
图7 Normalized (100% at 0 V) optical output power from a typical MQW–EA modulator as a function of the applied voltage. m 0 : electrical modulation depth, m : optical modulation depth.
EML激光器的特征参数涵盖了输出功率、消光比、啁啾、3dB带宽、功耗、温度系数、调制深度、响应时间和插入损耗等多个方面。通过合理的结构设计、材料选择和驱动电路优化，可以显著提升EML的性能，满足高速光通信系统的需求。
由于海量的数据处理需求以及人工智能应用在各行业的扩展，近期的人工智能浪潮正推动着对 800G -1.6T 光网络的需求。在数据中心（DC）和人工智能浪潮所驱动下，下图高速电吸收调制激光器（EML）器件的发展路线图。
图8 高速电吸收调制激光器（EML）器件的发展路线图
[1]Furukawa Electric Develops Electro-Absorption Modulated Laser with Integrated Semiconductor Optical Amplifier.
[2] 106GBaud (200G PAM4) CWDM EML for 800G/1.6T Optical Networks and AI Applications.
[3] 53 GBaud Electro-Absorption Modulator Integrated Lasers for Intra-Data Center Networks.
[4]Reduction of Dispersion-Induced Distortion in SCM Transmission Systems by Using Predistortion-Linearized MQW–EA Modulators.
[5] Integrated TOSA with High-Speed EML Chips for up to 400 Gbit/s Communication.
[6]Electroabsorption Modulators.R. Sankaralingam EE 698
