Optics Express | 硅基光電子平臺(tái)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
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(duì)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。


1 E* l9 z: b* \7 T" W6 J$ n器件結(jié)構(gòu)和制造
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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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(tái)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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+ v# Z! R( U8 r* M. I) Q, t- iIII-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(zhǎng)，并直接鍵合到預(yù)先圖形化的SOI晶圓上。
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1 S7 g& \0 m. ]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(jí)測(cè)試。

靜態(tài)特性
) r5 l, m% \) Z+ Q8 ~! @通過測(cè)量片上輸出功率、電壓-電流（V-I）特性和波長(zhǎng)可調(diào)性評(píng)估了發(fā)射器的靜態(tài)性能。

圖2. (a) 在不同ISOA值下測(cè)量的可調(diào)諧激光器的L-I特性。(b) 測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)范圍（彩色線條）。

小信號(hào)分析
為評(píng)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(hào)頻率響應(yīng)測(cè)量。

圖3顯示了三種不同調(diào)制器長(zhǎng)度（100 μm、150 μm和200 μm）的EAM的EO帶寬。測(cè)量在1551 nm波長(zhǎng)下進(jìn)行，偏置電壓為-3 V。結(jié)果表明，將調(diào)制器長(zhǎng)度從200 μm減少到100 μm幾乎使帶寬翻倍，從20 GHz增加到38 GHz。

高速數(shù)據(jù)傳輸
/ d0 Y) i7 ]5 m) `, n# _+ G9 H通過比特誤碼率（BER）測(cè)量和眼圖分析，在各種數(shù)據(jù)速率和傳輸距離下評(píng)估了發(fā)射器的性能。
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32 Gbps NRZ傳輸：
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圖4展示了在不同波長(zhǎng)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(cè)量結(jié)果。測(cè)量在六個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行：1542 nm、1545 nm、1548 nm、1551 nm、1554 nm和1557 nm。在大多數(shù)測(cè)試波長(zhǎng)下，背靠背（B2B）配置和最遠(yuǎn)2 km傳輸距離都實(shí)現(xiàn)了無(wú)錯(cuò)誤傳播。
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動(dòng)態(tài)消光比（DER）從最佳傳輸波長(zhǎng)（1554 nm）的8.5 dB變化到1542 nm的4.5 dB。對(duì)于1554 nm波長(zhǎng)，在B2B測(cè)試中，BER為10^-12時(shí)達(dá)到約-5.5 dBm的接收功率靈敏度。

" Z: }8 Z7 }# S1 G$ L1 E50 Gbps及以上

3 N9 u# ?* t: t+ y圖5展示了在1550 nm波長(zhǎng)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。
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圖6分別展示了56 Gbps NRZ調(diào)制的電輸入信號(hào)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(hào)失真和抖動(dòng)。
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/ s; U" s$ K- A/ Y3 o. c  K設(shè)計(jì)考慮和權(quán)衡：

調(diào)制器長(zhǎng)度：減小EAM長(zhǎng)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(zhǎng)調(diào)諧范圍：光學(xué)帶寬在短波長(zhǎng)端受EAM吸收帶邊緣限制，在長(zhǎng)波長(zhǎng)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(wú)SOA放大器的EML相比，允許更長(zhǎng)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(duì)所有組件（激光器、EAM和SOA）使用單一III-V外延堆疊簡(jiǎn)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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( c9 V- g( h1 \結(jié)論
3 t4 _# {/ ^: Y' Y: I( M! `本文探討了硅基光電子平臺(tái)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：
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寬波長(zhǎng)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(wú)錯(cuò)誤傳輸

高達(dá)56 Gbps數(shù)據(jù)速率的開放眼圖

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(shì)。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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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(zhǎng)傳輸距離，以及探索PAM-4等先進(jìn)調(diào)制格式。

參考文獻(xiàn)
6 n6 J& ^# j  ~  N+ P, x" _6 {! T5 n3 I[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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