Optics Express | 硅基光電子平臺上高速外調(diào)制寬可調(diào)諧激光器

逍遙設(shè)計自動化

引言
8 E; S2 N8 I# f1 s: G& E硅基光電子技術(shù)在開發(fā)高速、緊湊和經(jīng)濟(jì)高效的光收發(fā)器方面表現(xiàn)出巨大潛力。本文探討了在硅上異質(zhì)集成的外調(diào)制寬可調(diào)諧激光器及集成半導(dǎo)體光放大器（SOA）的進(jìn)展[1]，討論這些器件的設(shè)計、制造和性能特征，這些對城域網(wǎng)和接入網(wǎng)中的密集波分復(fù)用（DWDM）應(yīng)用非常重要。


器件結(jié)構(gòu)和制造
5 O* T* X5 S. i  b) B討論的器件是一種異質(zhì)集成的III-V/Si發(fā)射器，結(jié)合了寬可調(diào)諧激光器、電吸收調(diào)制器（EAM）和SOA放大器。

圖1展示了器件結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵組件。

發(fā)射器制造在硅絕緣體（SOI）平臺上，具有500 nm厚的晶體硅層和2 μm埋氧層（BOX）。SOI晶圓經(jīng)過蝕刻形成兩種不同高度的硅波導(dǎo)：300 nm用于維尼爾濾波器、薩格納克鏡和垂直光柵耦合器，500 nm用于III-V波導(dǎo)下方的硅波導(dǎo)插入器。
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III-V外延結(jié)構(gòu)包括由P型摻雜InP、AlGaInAs多量子阱（MQW）有源區(qū)和N型摻雜InP層組成的PIN結(jié)。這些層通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相外延（MOVPE）生長，并直接鍵合到預(yù)先圖形化的SOI晶圓上。
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發(fā)射器的主要組件包括：

寬可調(diào)諧激光器：使用雙程環(huán)形維尼爾濾波器，包含兩個跑道型諧振器。

電吸收調(diào)制器（EAM）：利用量子限制斯塔克效應(yīng)（QCSE）實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制。

半導(dǎo)體光放大器（SOA）：提供光學(xué)放大以補(bǔ)償調(diào)制器損耗。

垂直光柵耦合器：實(shí)現(xiàn)使用光纖進(jìn)行晶圓級測試。

靜態(tài)特性
( P" I( ?/ s  E! H5 z5 ^1 x. Q通過測量片上輸出功率、電壓-電流（V-I）特性和波長可調(diào)性評估了發(fā)射器的靜態(tài)性能。

圖2. (a) 在不同ISOA值下測量的可調(diào)諧激光器的L-I特性。(b) 測量的激光器V-I響應(yīng)和熱加熱器的V-I響應(yīng)（插圖）。(c) 在不同波長下，EAM的光吸收隨反向偏置電壓的變化。(d) 寬可調(diào)諧激光器在不同操作模式下的疊加光譜，顯示了EAM可操作的波長范圍（彩色線條）。

) X, a; C/ ^- L3 H% Y9 H; }. G小信號分析
; k" x3 v) ]1 ]4 c$ D" |; E" w, @為評估集成EAM的電光（EO）帶寬，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行了小信號頻率響應(yīng)測量。

圖3顯示了三種不同調(diào)制器長度（100 μm、150 μm和200 μm）的EAM的EO帶寬。測量在1551 nm波長下進(jìn)行，偏置電壓為-3 V。結(jié)果表明，將調(diào)制器長度從200 μm減少到100 μm幾乎使帶寬翻倍，從20 GHz增加到38 GHz。
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高速數(shù)據(jù)傳輸
通過比特誤碼率（BER）測量和眼圖分析，在各種數(shù)據(jù)速率和傳輸距離下評估了發(fā)射器的性能。

' t3 _# p7 f& W. n2 A, z3 F# f  w32 Gbps NRZ傳輸：

圖4展示了在不同波長和傳輸距離（最遠(yuǎn)10 km）下使用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SSMF）進(jìn)行的32 Gbps BER測量結(jié)果。測量在六個波長進(jìn)行：1542 nm、1545 nm、1548 nm、1551 nm、1554 nm和1557 nm。在大多數(shù)測試波長下，背靠背（B2B）配置和最遠(yuǎn)2 km傳輸距離都實(shí)現(xiàn)了無錯誤傳播。

5 v2 \+ |8 k$ K. V) o動態(tài)消光比（DER）從最佳傳輸波長（1554 nm）的8.5 dB變化到1542 nm的4.5 dB。對于1554 nm波長，在B2B測試中，BER為10^-12時達(dá)到約-5.5 dBm的接收功率靈敏度。
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50 Gbps及以上
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# O( U9 o, F' H# ^/ A圖5展示了在1550 nm波長B2B配置下50 Gbps調(diào)制的開放眼圖，動態(tài)消光比為4.7 dB。


1 |: Z0 h9 V1 i& t% A& Q圖6分別展示了56 Gbps NRZ調(diào)制的電輸入信號和光輸出眼圖。光學(xué)眼圖顯示4 dB的動態(tài)消光比，由于RF放大器在50 GHz以上性能的限制，出現(xiàn)一些信號失真和抖動。

設(shè)計考慮和權(quán)衡：

調(diào)制器長度：減小EAM長度可增加帶寬但降低消光比。100 μm的EAM在56 Gbps操作時在速度和消光比之間提供了良好平衡。

波長調(diào)諧范圍：光學(xué)帶寬在短波長端受EAM吸收帶邊緣限制，在長波長端受激光器增益譜限制。

啁啾管理：通過微調(diào)EAM偏置電壓和SOA電流可實(shí)現(xiàn)部分啁啾補(bǔ)償，與直接調(diào)制激光器或無SOA放大器的EML相比，允許更長的傳輸距離。

功耗：器件在激光器和SOA部分使用適度電流水平（65-80 mA），EAM反向偏置電壓為-2.5 V。

集成挑戰(zhàn)：對所有組件（激光器、EAM和SOA）使用單一III-V外延堆疊簡化了制造，但需要仔細(xì)設(shè)計以優(yōu)化所有部分的性能。
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, G5 n. Z, E% _6 D% C" Z7 G結(jié)論
% W5 d& D0 q& o2 b& H本文探討了硅基光電子平臺上高速外調(diào)制寬可調(diào)諧激光器及集成SOA的設(shè)計、制造和性能。這些器件展示了令人印象深刻的能力，包括：

寬波長調(diào)諧范圍（40 nm）和穩(wěn)定的單模操作

高片上輸出功率（最高5 mW）

在各種距離（最遠(yuǎn)8 km）下32 Gbps無錯誤傳輸

高達(dá)56 Gbps數(shù)據(jù)速率的開放眼圖
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III-V材料在硅基光電子上的集成在可擴(kuò)展性、成本效益和與現(xiàn)有CMOS制造設(shè)施兼容性方面提供了顯著優(yōu)勢。隨著該領(lǐng)域研究的繼續(xù)推進(jìn)，我們可以期待性能、功率效率和集成密度的進(jìn)一步提高，為下一代光通信系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。
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! r1 N. E. s+ b  d未來研究方向可能集中在提高超過56 Gbps的調(diào)制速度、改善啁啾管理以實(shí)現(xiàn)更長傳輸距離，以及探索PAM-4等先進(jìn)調(diào)制格式。
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2 p1 ^! i; ^0 ]& K+ }參考文獻(xiàn)
[1] Souleiman et al., "56 Gbps externally modulated widely tunable lasers with SOA boosters heterogeneously integrated on silicon," Opt. Express, vol. 32, no. 21, pp. 37036-37045, Oct. 2024.

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