这篇笔记简单介绍下基于Ge和GeSi材料的电吸收调制器。
在硅光芯片中，通常利用Si材料的等离子体色散效应(plasma dispesion effect), 借助于电学结构使得光波导中载流子的浓度发生变化，进而引起有效折射率的变化，借助于MZI或者微环等结构，使得光的强度发生变化。典型的耗尽型MZI型调制器，其长度在毫米量级，这一尺寸在transceiver领域还可以接受。但是对于未来的大规模集成光路(large scale PIC)，必须寻找尺寸更小的调制器结构。基于GeSi/Ge的电吸收调制器是潜在的解决方案之一。
Ge材料的吸收谱线如下图所示，
（图片来自https://www.researchgate.net/publication/224506237_Germanium_on_Silicon_for_Near-Infrared_Light_Sensing）
Ge材料在O波段和C波段都有较大的吸收系数，这也是为什么硅光芯片中采用Ge作为光探测器。而Ge材料作为电吸收调制器，主要是基于Franz-Keldysh效应(以下简称FK效应)。在外加电场作用下，能带发生倾斜，使得有效的带隙变小，价带电子跃迁到导带的几率大大增加。
（图片来自文献1）
从上图中可以看出，FK效应主要作用于能量略低于带隙的光子，在外加电场的作用下，其吸收系数增加。通过调节外加电场的大小，可以调节光的强度，也就是所谓的电吸收调制(electro-absorption modulation)。由于FC效应的响应时间在亚皮秒量级，EAM的带宽主要受限于RC，典型的3dB带宽在30GHz以上。
Ge材料gama点处的带隙为0.8eV, 但由于应力的作用，在Si波导上生长的Ge材料的带隙为0.77eV,对应波长为1610nm。这也是基于Ge的EAM工作波长位于L波段，而不是C波段。通过引入较小比例的Si，形成GeSi合金，可以将工作波长调节到C波段。目前，GeSi/Ge的EAM都是工作于C或者L波段，并不能工作在O波段，而目前数据中心光模块的工作波长都是在O波段，这点限制了EAM型调制器在数据中心的应用，这也是Mellanox公司放弃其1550nm产品线的原因之一。
Ge EAM调制器的典型结构如下图所示，采用横向的pin型结构，
（图片来自文献2）
通过设计doing profile以及波导结构，使得光场与电场之间发生有效地交叠。文献2中，零偏压时的电场强度为9.8kV/cm, 而-2V时的电场强度变为56kV/cm。其吸收谱曲线如下图所示，电压增大后，吸收系数增大(有点类似VOA)。
（图片来自文献2）
Ge EAM和Ge PD的结构非常相似，小豆芽一开始有些困惑。主要的区别有以下几点：
1）工作波长，受FK效应的限制，EAM的光学带宽非常小，且工作波长位于L波段附近，而Ge PD可以吸收能量大于其带隙的光子
2）偏压的工作模式，两者都工作在反偏电压下，区别在于Ge PD的偏压不需要调节，而Ge EAM需要反复切换电压，以达到对光信号的调制。
3) 光电流，在Ge EAM也会产生光电流，它是EAM静态功耗的主要来源。而对于Ge PD, 光电流信号是需要采集的有效信号。
下表给出了Ge EAM的最新进展，
（图片来自文献3）
从上表可以看出，Ge EAM的尺寸非常小，长度只需要几十微米，工作波长在1550nm以上，其工作电压在3V左右，3dB带宽可以达到56GHz，功耗较低。因此小豆芽觉得，对于大规模集成光路，对单个器件的尺寸与功耗要求比较高，此时EAM或许有用武之地。
目前，IMEC已经提供Ge EAM相关的PDK（也是目前唯一一家），如下图所示。
(图片来自 https://drupal.imec-int.com/sites/default/files/2019-03/SILICON-PHOTONICS-V06.pdf )
以上是对Ge EAM的简单整理，小豆芽相信随着PIC规模的逐渐扩大，Ge EAM必将在硅基集成光路中扮演非常重要的角色。
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参考文献：
- J. Liu, "Monolithically integrated Ge-on-Si active photonics", Photonics 1, 162(2014)
- S. A. Srinivasan, et.al., "56 Gb/s Germanium Waveguide Electro-Absorption Modulator", Journal of Lightwave Technology 34, 419(2016)
- Z. Liu, et.al., "56 Gbps high-speed Ge electro-absorption modulator", Photonics Research 8,1648 (2020)
