本文档属于 类型b：一篇综述论文。
本次向您介绍的学术报告基于 Zhenyao Li, Chen Lyu, Xuliang Zhou, Mengqi Wang, Haotian Qiu, YeJin Zhang, Hongyan Yu, 和 Jiaoqing Pan 等作者共同撰写，发表于2025年《Journal of Semiconductors》第46卷第11期的综述文章《High-speed electro-absorption modulated laser》。所有作者均来自中国科学院半导体研究所的“光电子材料与器件国家重点实验室”以及“材料科学与光电子工程中心”。这篇综述文章系统性地回顾了高速电吸收调制激光器的研究进展，涵盖了其原理、结构、关键制造工艺、应用场景，并重点综述了全球多个知名企业和研究机构在该领域的最新研究成果与技术路线。
论文主题与背景
论文主题聚焦于高速电吸收调制激光器，这是一种广泛应用于光纤通信、数据中心及高速数据传输系统的高性能光电转换器件。其学术背景根植于全球5G网络、云计算和数据中心产业的迅猛发展。随着数据中心流量的持续爆发式增长，对数据中心内部光互连所用的高速光收发器的需求日益迫切。相比于传统的直接调制激光器，电吸收调制激光器具有更低的频率啁啾和更高的调制带宽，能够支持更高的数据速率和更长的传输距离，因此成为下一代高速光互连技术的核心器件之一。本文旨在全面介绍EML的组成、工作原理、制造工艺及应用，并梳理和比较全球各研究机构在基于磷化铟的先进EML器件方面的研究进展、数据传输速率及关键技术途径。
主要观点一：EML的核心结构、工作原理与材料工艺
文章首先阐述了EML的基本构成和工作原理。EML将分布式反馈激光器与电吸收调制器单片集成。DFB激光器包含多量子阱有源区和光栅结构，用于提供增益和确保单模激射。EAM则通过外加电场，利用量子限制斯塔克效应对激光输出强度进行调制。具体而言，施加在量子阱上的电场会导致能带倾斜，造成电子-空穴对空间分离，降低波函数重叠，从而减小发光效率并引起吸收边红移。通过给DFB激光器施加恒定偏压维持连续波激射，同时调制EAM上的电压改变其吸收特性，即可实现高速光强度调制。
在材料与工艺方面，文章指出目前商业上成熟的EML主要采用磷化铟衬底，因其具有高功率转换效率、优异的电子迁移率、良好的抗辐射性和热稳定性。对于工作在1.5 μm波段的EML，有源区材料主要是在InP衬底上生长的窄带隙三元或四元化合物。制造工艺中的一个关键技术挑战是实现DFB激光器与EAM之间的最佳波长失谐，以确保在零偏压下激光输出经过调制器时的衰减最小。文章详细比较了四种主要的集成方案：对接生长、选区外延生长、量子阱混杂以及相同有源层技术。其中，BJG方法虽然工艺复杂，需要进行二次外延，但允许对各区域进行独立优化以获得最佳性能；SAG可以一步外延生长出不同折射率和带隙的材料，工艺简单但区域优化和尺寸控制精度有限；QWI无需额外外延步骤，工艺简化但可能影响长期稳定性；IAL方案则主要应用于后处理，通过光栅进行波长控制。
主要观点二：EML的多元化应用场景
文章指出，EML在光发射机和光接收机中均有重要应用。在光发射机方面，这是EML最主要的应用领域，关键应用包括数据传输、光谱整形、复杂格式发射机和模拟信号传输。在光接收机方面，EML可用于直接光电探测、相干光电探测、相干模拟光纤无线电传输、分组级相干接收、光谱监测和光谱漂移传输等。此外，EML在全双工数字/模拟信号传输和光学测距等相干收发机中也展现出显著效用。文中通过示意图展示了EML在光发射机、光接收机和相干收发机中的代表性应用，突显了其功能多样性。
主要观点三：企业界的EML研发侧重于成本效益与可靠性
综述用了大量篇幅总结了全球领先企业在EML商用化方面的研发成果，其共同特点是优先考虑成本效益和可靠性，倾向于采用相对简单、可控性强并能显著提升数据传输速率的关键技术。
* 三菱公司：开发了混合波导EML，集成了掩埋异质结、光斑尺寸转换器和窄高台面EAM。通过优化终端电阻值和GSG布局中的布线长度，在1.3 μm波段将器件带宽从85 GHz提升至106 GHz，实现了340 Gbps PAM4和450 Gbps PAM6的数据传输。 * 住友电工：开发了用于400 Gbps光收发器的四通道1.3 μm 53 GBaud PAM4 EML阵列。通过优化激光器质量抑制电子溢出和非均匀空穴注入，实现了低噪声、高输出功率，带宽大于35 GHz，TDECQ保持在约2 dB。 * 博通公司：研制了在无制冷条件下工作的1.3 μm波段EML，采用带帽台面掩埋异质结构脊形波导结构，带宽超过60 GHz。在单路PAM4调制下，1310 nm通道在2公里传输距离上实现了约200 Gbps的数据速率。 * Lumentum公司：开发了420 Gbps PAM8 EML，采用半绝缘InP掩埋有源区，并通过聚合物绝缘隔离上下电极以降低寄生电容。当前带宽达到93 GHz，在500米和2公里传输后仍能保持清晰的眼图开口。 * 日本NTT公司：开发了集成半导体光放大器的扩展范围EADFB激光器。采用基于倒装芯片互连技术的高频集成设计，实现了64 GHz的调制带宽和224 Gbps的PAM4数据传输速率。同时，NTT还与东北大学合作，研究将光子-光子共振效应与EML技术相结合的混合调制器件，理论上带宽有望超过300 GHz。 * 华为公司：开发了基于EML-SOA的100 Gbps PAM4光网络，通过优化实现了高达34.3 dB的最大链路预算，展现了在接入网应用中的潜力。
企业的这些工作普遍采用了如“窄条”几何形状EAM设计以降低电阻和电容、集成SOA以提供光增益、优化封装布线长度和焊盘几何形状等实用方法，在保证工艺稳定性和良率的同时有效提升了器件性能。
主要观点四：科研院所的EML研究侧重于创新结构与理论探索
与注重商业化的企业不同，大学和科研院所在EML研究中更强调创新性工作，通常通过更复杂的结构设计、探索不同的材料生长和刻蚀工艺、进行更深入的理论分析来实现新颖的器件性能。
* 德国弗劳恩霍夫海因里希-赫兹研究所：在EML中结合了外部SOA、耦合光栅、GSG射频接触垫等多种技术。采用具有λ/4相移和背面膜反射涂层的折射率耦合光栅，最小化GSG信号垫尺寸以减少寄生电容，并将输出波导倾斜以最大化激光输出。其研制的EML在20-85°C温度范围内带宽为34-67 GHz，支持200 Gbps PAM4传输，并成功开发了4通道阵列和8通道波分复用光收发机平台。 * 韩国电子通信研究院：研究了相同有源层EML，通过QWI技术使整个EML结构共享相同有源层，省去了BJG的复杂工艺步骤。通过利用LC振荡效应优化负载电阻，有效增强了带宽并保持了低温漂特性。其封装的集总EML子模块实现了55 GHz带宽和224 Gbps的数据传输。 * 中国科学院半导体研究所：进行了全面的EML研究，实现了33 GHz带宽和50 Gbps NRZ数据传输。近期工作展示了一种基于InGaAlAs多量子阱材料的电吸收调制广谱可调谐分布布拉格反射器激光器，采用BJG技术制造，调谐范围超过12 nm，小信号调制带宽超过27 GHz，是未来高容量WDM光通信系统中一种有前景的低成本光源。 * 台湾中山大学：设计了基于微带线的行波电极用于EAM的电馈和负载线。在50 Ω终端匹配下，器件展示了67 GHz带宽并支持100 Gbps数据传输。该团队还提出了局部无杂质空位扩散量子阱混杂技术来匹配EAM和SOA的波长。 * 华中科技大学：通过将传统的芯片-载体等效电路模型与载体射频响应特性相结合，提出了一种改进的建模方法，可以精确预测最佳键合线长度和提取EML芯片参数，从而优化封装性能。 * 浙江大学：开发了53 Gbps可调谐EML，其中V型耦合腔激光器采用浅刻蚀波导以最小化损耗，EAM采用深刻蚀波导以增加3 dB调制带宽。该发射机测量到的3 dB电光带宽超过40 GHz，并在42个通道上实现了波长调谐。
这些学术研究虽然工艺可能更复杂，短期内商业部署难度较大，但显著拓展了EML技术的发展潜力。
主要观点五：未来展望与技术突破方向
文章在总结部分指出，当前商用EML产品调制带宽最高可达67 GHz，研究报告已展示超过100 GHz的性能，单波长短距离数据传输速率可达200 Gbps，商用200 Gbps InP基EML已技术成熟。然而，其数据速率仍显著低于硅光技术。文章展望了三个有望实现突破的技术方向： 1. 优化材料系统：改进BJG工艺中的光耦合效率、降低晶体缺陷密度是提升EML性能的关键研究方向。此外，通过调整材料生长组分来调控导带和价带阱深度，优化载流子注入，可以进一步提升EAM性能。材料生长的进步是EML性能提升的基础。 2. 多通道集成方法：片上集成多个EML对于实现高速数据传输至关重要。目前阵列集成在保持单个芯片性能、热管理和稳定性方面仍有提升空间。NTT和HHI等机构正在积极研究阵列集成，其中倒装芯片封装方法因其信号路径短、电性能好、结构紧凑，是未来发展的重要方向。 3. 混合调制技术：结合电流调制和电压调制的混合调制技术显示出巨大潜力。在分离调制器与激光器的基础上，在DFB区域引入电流调制，理论上可实现更高的数据速率。日本东北大学与NTT合作的结合PPR效应的混合调制研究，在理论上预测了600 GHz的超高调制带宽，实验已达到124 GHz。然而，该技术对DFB区域光栅制造工艺要求极高，测试复杂，商业化道路仍充满挑战。
此外，对现有商用EML设计的进一步细化（如优化窄台面结构）以及学术界设计的不同新颖结构，也是值得期待的发展方向。
论文的意义与价值
这篇综述论文具有重要的学术价值和工程指导意义。首先，它系统性地梳理了高速电吸收调制激光器从基本原理到前沿进展的全貌，为相关领域的研究人员和学生提供了清晰的知识框架和全面的参考文献。其次，通过对比分析企业和科研机构不同的研发策略与技术路线，揭示了EML技术从实验室创新到商业化产品的转化路径与权衡考量，对产业界的研发决策具有参考价值。最后，文章明确指出了当前EML技术的性能边界、面临的挑战以及未来潜在的技术突破口，为后续的研究指明了方向。随着数字经济、算力和人工智能的发展，数据中心产业进入转型新阶段，对高速光电器件的需求持续增长。EML凭借其固有优势，在信息传输中仍不可或缺。其性能有望随着半导体光电技术的发展而持续稳步提升，为光通信的进步奠定坚实基础。