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(jì)自動(dòng)化

引言
! E. U4 y* F- d; z. Q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(jì)、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。
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7 J$ ?. f6 o7 g4 G器件結(jié)構(gòu)和制造
) @4 Z# ^4 Y" Q+ V2 j  g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。
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8 q1 E; \' Z2 p! T/ B  a9 W2 A0 v圖1展示了器件結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵組件。
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; C! q% d0 i) }! r; J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。

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。

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(gè)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
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。
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/ T: t: y. W) }# f( q/ }3 i* j: P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）。

小信號分析
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。

- v* P+ J: q6 b% @6 k% Z0 K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。

4 o: _- j- e5 y, I高速數(shù)據(jù)傳輸
% v2 |; ^8 j4 w4 ]( p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。

32 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(gè)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(cuò)誤傳播。

. \6 q& E' \+ I5 Z/ |; X1 h& g動(dòng)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(shí)達(dá)到約-5.5 dBm的接收功率靈敏度。
$ J* b  C+ X$ B9 B* {
8 h" z# P* o0 O$ r- w, y! ]50 Gbps及以上
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1 W4 H* n9 e7 r! v/ ]3 x0 {) f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(dòng)態(tài)消光比為4.7 dB。


0 i& S- A  p9 \5 g8 K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(dòng)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(dòng)。
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設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)以優(yōu)化所有部分的性能。
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結(jié)論
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(jì)、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(cuò)誤傳輸

高達(dá)56 Gbps數(shù)據(jù)速率的開放眼圖
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# u* c; g2 j! q; B$ t+ R6 MIII-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)。

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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參考文獻(xiàn)
+ d: k6 x, R, l+ L5 k[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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