APL更新 | 基于磷化铟膜上硅技术的紧凑型宽调谐激光器

逍遥设计自动化

引言本文介绍基于磷化铟膜上硅（IMOS）平台的紧凑型宽调谐激光器。这种激光器在密集波分复用、光学相干断层扫描、激光雷达系统和气体传感等应用中扮演着重要角色。随着光电子集成芯片的不断发展，市场对能与其他光学元件无缝集成的小型高性能可调谐激光器的需求日益增长。

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IMOS平台
IMOS平台的核心技术是将几微米厚的磷化铟薄膜键合到硅基底上。这种方法具有以下优势：
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高光学限制

紧凑的器件占用面积

可集成有源和无源元件

高效的调制器
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) y! ^! b$ T, e图1：简化的有源-无源磷化铟膜上硅（IMOS）结构示意图。
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0 D/ z1 z! i5 t% v1 t' k2 ?6 y上图展示了IMOS平台的基本结构，显示了键合到硅基底上的薄磷化铟膜，中间夹有低折射率材料。

激光器设计
本文介绍的紧凑型宽调谐激光器采用了并行马赫-曾德尔干涉仪（MZI）腔内滤波器。激光器的主要组成部分包括：

作为增益区的半导体光放大器（SOA）

并行MZI腔内波长选择滤波器

宽带光子晶体（PC）镜

用于光提取的聚焦光栅耦合器
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: e4 Y; H5 `& t+ b" U- Z; N图2：激光器设计示意图，灰色虚线标记MZI腔内滤波器。

. K- i, ]& A/ N5 P激光器设计包含一个500μm长的4量子阱SOA部分，后接腔内滤波器。谐振腔由这些组件置于宽带PC镜之间形成，前后镜的反射率分别为0.82和0.99。
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  y/ P- ~' ~  `1 u* f% L' M7 O腔内滤波器设计
4 @$ n& @* g- Z, {2 }* {波长选择滤波器由四个臂组成，每个臂包含热光相移器（TOPSs）。滤波器设计经过优化，以实现窄透射谱和高边模抑制比（SMSR）。
滤波器的主要特点包括：
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四个臂，各自的有效折射率可单独调节

优化的臂长差异，提高性能

紧凑的占用面积，为0.28 × 0.45 mm2

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图3：设计的滤波器传输谱（蓝色实线）与增益带宽（青色）重叠。红色虚线表示四臂配置的臂长差ΔL的线性增加。

1 g7 }. f& V# O6 n优化的滤波器设计产生了类sinc的传输谱，使激光器能够实现出色的单模操作。

* ?7 I: _" \* k制造工艺
可调谐激光器采用双面工艺制造，同时实现有源和无源组件。制造步骤包括：

制造S形截面的有源部分（SOA）

使用BCB将晶圆键合到硅基底

制造无源组件（波导、MMI、PC反射器、光栅耦合器、TOPSs）

使用聚酰亚胺进行平坦化

最终金属化和通聚合物通孔（TPV）形成
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, s2 S  L+ s: g  [# J, ?: Y) E+ B图4：无源波导、SOA和TOPS的截面结构。
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图5：制造完成的可调谐激光器的显微镜图像。

  {; p3 u! z, e这种制造工艺产生了紧凑的器件，具有高集成度和出色的性能特征。
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测量设置和调谐算法
& J, C. `7 p4 W$ N! ~& d为了表征激光器并生成完整的调谐图，使用了自动化测量设置：

温度控制的被测器件（DUT）放置

光纤耦合输出分成两部分，一部分进入可调带通滤波器，另一部分进入光谱分析仪

多通道电流源用于滤波器调谐和SOA偏置
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$ l  x3 {/ E) q0 l+ O3 Q# y图6：自动调谐测量的实验设置。来自激光器DUT的输出分为10%进入带通滤波器到功率计，90%进入光谱分析仪。
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使用基于全域有界Nelder-Mead方法的随机搜索优化器来自动化调谐过程。这种方法能够高效地生成激光器的完整调谐查找表。
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性能特征
这款紧凑型宽调谐激光器展示了令人印象深刻的性能指标：
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阈值电流：29 mA

最大片上输出功率：3.6 dBm

壁插效率：1.8%

边模抑制比（SMSR）：30到44 dB

调谐范围：40 nm（1555到1595 nm）
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& `& t; b$ ^' M图7：激光器的LIV曲线。

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# L5 B  ~2 W; G+ `6 L" t  G. l图8：以0.01 nm分辨率在OSA上记录的多个光谱重叠图，显示40 nm的调谐范围。

$ o5 r- J& {5 K2 k" I这款激光器的性能与单片磷化铟和异质硅/磷化铟平台上的类似设计相当或更好，同时占用面积显著更小。

! o8 }3 q- D, I5 E# q4 b结论
' \  y' [: q8 ]" g' i% T* m本文介绍的紧凑型宽调谐激光器展示了IMOS平台在创建高性能、微型化光电子器件方面的潜力。通过利用IMOS技术的高光学限制和集成能力，研究人员开发出了具有出色调谐范围、输出功率和单模操作特性的激光器。这一进步使高密度光通信、紧凑型激光雷达系统和片上气体传感解决方案等应用成为可能。

参考文献
) q- w( j- f- A/ `/ d/ v9 o[1] T. Kabir, Y. Wang, S. Tondini, K. Williams, Y. Jiao, and M. J. R. Heck, "Compact widely tunable laser integrated on an indium phosphide membrane platform," Appl. Phys. Lett., vol. 125, no. 12, p. 121110, Sep. 2024, doi: 10.1063/5.0226125.
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