聊调制器、光探测器、硅光芯片的技术或原理时,我们常提到光电效应、电光效应。
这俩效应本质都是电子 / 空穴的能量和状态变化,一个空穴,严格对应一个电子的缺失。只是驱动源(光/电)和其最终表现形式不同。

光电效应,简单说就是光简单说就是光照射到材料上,电子吸收光子能量发生能级跃迁,价带中便会留下一个对应的空穴。

如果入射光子的能量足够大,超过了材料的 “逸出功”,电子就能直接挣脱材料表面跑出去,形成可被收集的光生载流子,这就是光电探测器的核心原理。

这里说的逸出功,就是电子要从材料表面 “逃出去” 必须跨过的最低能量门槛,有点像卫星要离开地球,必须达到第二宇宙速度才行。
如果光子能量没那么强,它大于材料的禁带宽度,却小于逸出功,那电子就跑不出材料表面,只能从价带被激发到导带,在材料内部形成自由电子和空穴对。

这种变化会让材料的导电性变强、电阻变小。光敏电阻,就是靠这个原理工作的。
电光效应则是外加电场会改变材料的折射率。
在硅光调制器里,外加偏压会改变硅中自由载流子(电子/空穴)的浓度,而载流子浓度变化,又会直接影响硅的折射率。

可以这么理解:载流子越多,对光的 “阻力” 就越大,光在材料里跑得就越慢。而折射率(n)的定义,就是光在真空中的速度除以光在介质中的速度。

既然折射率变了,光在波导里的传播速度就会变。同样一段距离,光走得快和走得慢,到达终点时的波形就会错开,这就叫相位调制。
再把经过相位调制的两路光,放到 MZI 干涉结构里,相位差就会转化成光强的强弱变化,最终实现我们需要的强度调制。

GlobalFoundries:单波200G的60GHz MZM调制器方案
Lightmatter:16 波长 800G BiDi 微环硅光 CPO 方案
不过要注意,不是所有 “电控光” 的效应,都和硅光里的载流子有关。还有一类材料的调制器,它的电光效应完全不依赖载流子。
最典型的就是铌酸锂调制器。它靠的是外加电场直接改变晶体内部的电子云极化分布,也就是泡克尔斯效应,从而改变材料的宏观折射率。

A*Star:8 吋硅基 TFLN 110GHz 调制器量产方案
新易盛:单通道 400G 的 TFLN 1.6T/3.2T 方案
HyperLight/Ciena:TFLN 工艺进展与 Coherent Lite 12.8T XPO 方案
铌酸锂的电光效应好比直接用手扭动海绵的形状, 外力(电场)直接改变材料的结构(电子云分布),从而改变光线通过的路径。
因为整个过程无自由载流子参与、无载流子寿命限制,铌酸锂调制器响应速度快得多。
硅光调制器是靠外加电压注入或耗尽载流子、改变载流子浓度。它和铌酸锂的经典电光效应,虽都能电控光,但物理机理完全不同。
所以严格来说,硅光的载流子色散调制,不怎么算是经典电光效应。
感谢阅读!
若有不准确的地方烦请指正。

若您对半导体/光器件/光模块/光纤通信等感兴趣
欢迎关注我们!
