本研究报告由Tatemi Ido、Shigehisa Tanaka、Makoto Suzuki、Mari Koizumi、Hirohisa Sano和Hiroaki Inoue（IEEE高级会员）在日立公司中央研究所完成，并于1996年9月发表在《Journal of Lightwave Technology》第14卷第9期上。该研究属于集成光学与高速光通信器件领域，旨在解决当时多量子阱（Multiple-Quantum-Well, MQW）电吸收（Electro-Absorption, EA）调制器在追求超高速调制时面临的器件长度与封装难度之间的根本矛盾。

研究背景与目标 随着光纤通信系统向多吉比特每秒（multi-gigabit）传输速率发展，对高调制效率、低驱动电压的光调制器需求日益迫切。MQW-EA调制器因其在各类光调制器中具有最高的调制效率而备受关注，此前已报道了40 GHz的超高调制速度和低于1.2 V的驱动电压。然而，MQW-EA调制器的调制速度受限于其器件电容。为了降低电容以实现更高速的调制，必须缩短调制区的长度（例如缩短至约150微米乃至更短）。但传统的调制器是整个器件即为调制区，进一步缩短器件长度会受到解理工艺最低长度（约100微米）的限制，且过短的器件在封装时面临巨大挑战，因为需要在极小的空间内同时组装透镜、光纤以及50欧姆微波传输线。这导致当时已报道的MQW-EA调制器模块的最大调制带宽仅为18 GHz，远低于未封装器件的水平。本研究的目标正是通过设计一种集成输入/输出波导的新型MQW-EA调制器结构，在不缩短总器件长度的前提下，实现仅缩短调制区域长度，从而在保持器件易于制造和封装的同时，获得超高的调制带宽，并进一步优化其偏振不敏感特性。

研究的详细工作流程 本研究的实验流程主要分为器件制备、调制特性评估、针对40 Gb/s调制的结构优化、超高速模块组装，以及偏振不敏感特性优化五个阶段。 在第一阶段，研究者提出了集成波导调制器的结构并进行了制备。该调制器由一个PIN结构的InGaAs/InAlAs MQW调制区和两个无源的InGaAsP/InP波导区构成。由于无源波导区故意保持非掺杂状态，几乎不引入杂散电容，因此器件总电容仅为键合焊盘电容与PIN结电容之和，可通过缩短调制区长度（l）来有效降低。制备流程如下：首先，在n-InP衬底上，利用分子束外延（Molecular Beam Epitaxy）依次生长0.6微米厚的n-InAlAs缓冲层、非掺杂MQW吸收层、2.0微米厚的p-InAlAs包层和p+-InGaAs接触层。MQW吸收层由10对8纳米InGaAs阱和5纳米InAlAs势垒组成，其中InGaAs阱引入0.35%的张应变以降低驱动电压，InAlAs势垒引入0.5%的压应变以补偿阱应变并减少带阶。接着，利用Cl₂电子回旋共振反应离子束刻蚀（Electron-Cyclotron-Resonance Reactive-Ion-Beam Etching, ECR-RIBE）与选择性湿法刻蚀相结合的技术，选择性去除无源区的上述外延层。然后，在无源区通过低压金属有机化学气相沉积（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）选择性再生长0.575微米厚的非掺杂InP缓冲层、0.2微米厚的非掺杂InGaAsP芯层和1.3微米厚的非掺杂InP包层。之后，利用ECR-RIBE一次性同时刻蚀调制区和无源区，形成一个自对准的波导结构。为了验证不同调制区长度的影响，研究者固定总器件长度为1.0毫米，制备了调制区长度l在50至150微米范围内、波导宽度w在2.5至3.5微米范围内的多个器件样本。 在第二阶段，研究者对这些调制器进行了详细的调制特性评估。他们将波长为1.552微米的TE偏振光通过锥形透镜光纤（tapered-lens fibers）耦合入器件，并测量了插入损耗、消光特性和频率特性。插入损耗的测试结果显示，l越长或w越窄，插入损耗越大。原因是MQW区的传输损耗高达18 dB/mm，而无源InGaAsP/InP波导区的传输损耗低至0.3 dB/mm。通过精确控制刻蚀工艺，波导间的耦合损耗被抑制在每处连接0.4 dB以下。与无波导的传统调制器相比，集成波导引入的额外损耗小于1 dB。消光特性测试表明，消光比与l成正比，波导集成未造成调制性能退化。频率特性评估采用了将调制器安装在带有50欧姆终端电阻的微带线上的方法。微波反射系数（S₁₁）和频率响应的测量证实，l越短，器件电容越低，调制带宽越大。l为150、100和50微米的器件，其调制带宽（f₃ dB，电带宽）分别为21、27和33 GHz，与等效电路模型计算结果吻合良好。该模型揭示了调制带宽在极短的l（<20微米）下会因器件电阻增大而下降。此外，研究者还利用l=100微米的调制器成功进行了10 Gb/s非归零码（NRZ）信号的调制实验，获得了清晰的眼图。通过40公里常规光纤传输实验，测得其有效啁啾参数α为±0.7，表明其具备应用于长距离传输系统的潜力。 在第三阶段，研究者基于上述结果，为达成40 Gb/s调制目标对器件结构进行了深度优化。具体措施包括：1）为解决窄波导导致较大耦合损耗的问题，在无源区引入了300微米长的横向锥形结构，将波导宽度从调制区内的2.5微米逐渐扩展至端面的4.0微米；2）为补偿因l缩短而降低的消光比，将量子阱数量从10个增加至12个；3）为进一步降低器件电容，在p-InAlAs包层与MQW吸收层之间插入一层非掺杂InAlAs层，将非掺杂层总厚度增至0.23微米；4）为降低器件电阻，改进了干法刻蚀工艺，通过对晶片加热将刻蚀侧壁角度从约70度提升至85度以上；5）为便于封装，将总器件长度从1.0毫米增加至1.5毫米，同时将调制区长度设定为63微米。优化后的调制器实测电容仅为0.12 pF，与计算值高度一致，证明波导集成引入的杂散电容可以忽略不计。 在第四阶段，研究者组装了一个原型模块以验证封装优势。他们将优化后的1.5毫米长调制器芯片夹在两段50欧姆微带线之间，一段用于传输来自V型连接器的微波驱动信号，另一段用于终端匹配。光信号的输入和输出通过单模光纤尾纤和两个非球面透镜实现。这种配置充分利用了长芯片的优势，避免了光路干涉并最小化了因引线接合带来的杂散电感。 在第五阶段，研究者对MQW结构进行了进一步的优化以实现偏振不敏感调制。他们通过实验优化了阱层的张应变量（0.38%）和阱宽（9纳米），制备了具有12个阱、无额外非掺杂InAlAs包层的调制器，并保留了横向锥形结构。该器件总长1.5毫米，调制区长120微米，调制带宽大于20 GHz。

主要研究结果 在调制特性评估阶段，研究结果定量地建立了调制区长度（l）与各项性能之间的关系。插入损耗从l=50微米、w=3.5微米时的约6 dB，增加到l=150微米、w=2.5微米时的约9 dB。消光比随l增加成比例增大，但l=50微米时在3V偏压下的最大消光比仅为12 dB。频率响应方面，l=50微米器件实现了最高33 GHz的调制带宽，验证了缩短调制区以提升速度的核心设计理念。等效电路模型不仅完美拟合了实验数据，还预测了过短l会导致带宽下降的非线性效应，为后续优化指明了方向。 在结构优化后，器件性能取得了突破。针对40 Gb/s优化后的调制器，其插入损耗在1.58微米波长处仅为6.3 dB，在1.53微米波长处为8.1 dB，波导集成带来的额外损耗依然小于1 dB。尽管调制区极短（仅63微米），但通过增加量子阱数量，该器件在1.53微米波长处实现了超过20 dB的最大消光比和低至2.8 V的15 dB消光驱动电压。最为关键的是，其实测调制带宽达到了50 GHz，这是当时已报道的EA调制器中的最高值，足以满足40 Gb/s调制需求。调制效率（带宽/驱动电压比）高达18 GHz/V。 原型模块的性能进一步凸显了该结构的优势。尽管因透镜耦合效率问题，模块插入损耗增大至13 dB，但其调制带宽仍达到了惊人的42 GHz，远超传统调制器模块18 GHz的水平。这直接证明了长器件设计在封装兼容性和超高频性能方面的决定性优势。 偏振不敏感优化实验的结果同样成功。在掺铒光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA）的增益带宽（1545-1560纳米）内，该调制器对TE和TM偏振光的插入损耗差异小于0.3 dB，插入损耗小于7 dB，波长相关损耗低至1.1 dB。在消光特性上，对于两种偏振态，在所有测试波长及整个EDFA增益带内，均实现了大于30 dB的消光比，大幅降低了偏振依赖性。

结论与研究价值 本研究的结论清晰地表明，通过集成无源输入/输出波导的MQW-EA调制器，成功解决了超高速调制能力与器件可制造性、可封装性之间的长期矛盾。通过缩短调制区，有效降低了器件电容，从而将调制带宽推高至50 GHz；而长无源波导区的设计，使得总器件长度保持在易于操作和封装的水平，额外引入的损耗小于1 dB。最终，一个经优化的调制器在1.53微米波长同时实现了50 GHz的调制带宽、低于3 V的驱动电压和8 dB的插入损耗，其封装后的模块带宽也高达42 GHz。此外，通过优化MQW结构中的应变和阱宽，该调制器同样可以实现偏振不敏感工作。

研究亮点 该研究最大的亮点在于其独创性的器件设计理念和综合性能的突破。首先，集成波导的结构创新性地将调制功能（短区）与低损传输功能（长区）在单一芯片上解耦并重新组合，打破了传统设计中器件长度对调制速度的物理限制。其次，其在50 GHz调制带宽和42 GHz模块带宽的实测结果，不仅创造了当时的世界纪录，更从实验上完美验证了这一设计理念的先进性。 在工艺方法上，该研究展现了精湛的半导体制造技术。将ECR-RIBE干法刻蚀与选择性湿法刻蚀相结合，精确控制横向钻蚀量，成功将波导间的耦合损耗降至极低水平。通过加热晶片优化干法刻蚀侧壁垂直度的改进，也体现了工程细节对器件高频性能的关键影响。这些工艺技术的开发和应用，对于复杂光子集成器件的制备具有重要的参考价值。 在科学认知上，该工作通过等效电路模型，定量分析了调制区长度与带宽的非线性关系，明确指出除了电容之外，器件电阻是限制超短调制区速度性能的另一关键因素，为未来设计更高速度的调制器提供了理论指导。 最后，该研究的价值还体现在其全面的实用性验证上。研究者不仅测试了器件的静态和频域特性，还通过10 Gb/s眼图、光纤传输啁啾参数测量以及最终的原型模块封装，系统地证明了该器件在高速率传输、低信号劣化和实际系统应用中的巨大潜力，为下一代超高速光纤通信系统的发射端提供了一个性能卓越且切实可行的解决方案。