Optics Express | 硅基光电子平台上高速外调制宽可调谐激光器

逍遥设计自动化

引言
硅基光电子技术在开发高速、紧凑和经济高效的光收发器方面表现出巨大潜力。本文探讨了在硅上异质集成的外调制宽可调谐激光器及集成半导体光放大器（SOA）的进展[1]，讨论这些器件的设计、制造和性能特征，这些对城域网和接入网中的密集波分复用（DWDM）应用非常重要。
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5 \  U3 U! m8 n  z# G/ C( F9 o' J器件结构和制造
* \0 P" H( o9 N. Y+ H讨论的器件是一种异质集成的III-V/Si发射器，结合了宽可调谐激光器、电吸收调制器（EAM）和SOA放大器。

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1 l0 M7 n  \, _# G图1展示了器件结构和关键组件。
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7 A& p* ?* A- f  P发射器制造在硅绝缘体（SOI）平台上，具有500 nm厚的晶体硅层和2 μm埋氧层（BOX）。SOI晶圆经过蚀刻形成两种不同高度的硅波导：300 nm用于维尼尔滤波器、萨格纳克镜和垂直光栅耦合器，500 nm用于III-V波导下方的硅波导插入器。

  k1 |  O2 O  T; TIII-V外延结构包括由P型掺杂InP、AlGaInAs多量子阱（MQW）有源区和N型掺杂InP层组成的PIN结。这些层通过金属有机化学气相外延（MOVPE）生长，并直接键合到预先图形化的SOI晶圆上。

! l! o" c) m0 z& d5 C" ^发射器的主要组件包括：

宽可调谐激光器：使用双程环形维尼尔滤波器，包含两个跑道型谐振器。

电吸收调制器（EAM）：利用量子限制斯塔克效应（QCSE）实现高速调制。

半导体光放大器（SOA）：提供光学放大以补偿调制器损耗。

垂直光栅耦合器：实现使用光纤进行晶圆级测试。

静态特性
通过测量片上输出功率、电压-电流（V-I）特性和波长可调性评估了发射器的静态性能。

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& j& Y. S( ~  v2 Z: t图2. (a) 在不同ISOA值下测量的可调谐激光器的L-I特性。(b) 测量的激光器V-I响应和热加热器的V-I响应（插图）。(c) 在不同波长下，EAM的光吸收随反向偏置电压的变化。(d) 宽可调谐激光器在不同操作模式下的叠加光谱，显示了EAM可操作的波长范围（彩色线条）。

& x+ A2 Q7 l2 A8 r( A1 y小信号分析
) G( y( U( d7 w9 y为评估集成EAM的电光（EO）带宽，使用矢量网络分析仪进行了小信号频率响应测量。
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图3显示了三种不同调制器长度（100 μm、150 μm和200 μm）的EAM的EO带宽。测量在1551 nm波长下进行，偏置电压为-3 V。结果表明，将调制器长度从200 μm减少到100 μm几乎使带宽翻倍，从20 GHz增加到38 GHz。
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高速数据传输
通过比特误码率（BER）测量和眼图分析，在各种数据速率和传输距离下评估了发射器的性能。

32 Gbps NRZ传输：
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. ?5 I7 H& o  |! b! S) a0 D图4展示了在不同波长和传输距离（最远10 km）下使用标准单模光纤（SSMF）进行的32 Gbps BER测量结果。测量在六个波长进行：1542 nm、1545 nm、1548 nm、1551 nm、1554 nm和1557 nm。在大多数测试波长下，背靠背（B2B）配置和最远2 km传输距离都实现了无错误传播。

动态消光比（DER）从最佳传输波长（1554 nm）的8.5 dB变化到1542 nm的4.5 dB。对于1554 nm波长，在B2B测试中，BER为10^-12时达到约-5.5 dBm的接收功率灵敏度。
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* }* m3 n& G% {! C9 J* x50 Gbps及以上
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/ r2 U7 i! c0 G  E- Z图5展示了在1550 nm波长B2B配置下50 Gbps调制的开放眼图，动态消光比为4.7 dB。
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( j. T% {! S+ A3 i1 r& @0 z5 n. A- b6 v图6分别展示了56 Gbps NRZ调制的电输入信号和光输出眼图。光学眼图显示4 dB的动态消光比，由于RF放大器在50 GHz以上性能的限制，出现一些信号失真和抖动。

设计考虑和权衡：

调制器长度：减小EAM长度可增加带宽但降低消光比。100 μm的EAM在56 Gbps操作时在速度和消光比之间提供了良好平衡。

波长调谐范围：光学带宽在短波长端受EAM吸收带边缘限制，在长波长端受激光器增益谱限制。

啁啾管理：通过微调EAM偏置电压和SOA电流可实现部分啁啾补偿，与直接调制激光器或无SOA放大器的EML相比，允许更长的传输距离。

功耗：器件在激光器和SOA部分使用适度电流水平（65-80 mA），EAM反向偏置电压为-2.5 V。

集成挑战：对所有组件（激光器、EAM和SOA）使用单一III-V外延堆叠简化了制造，但需要仔细设计以优化所有部分的性能。
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结论
本文探讨了硅基光电子平台上高速外调制宽可调谐激光器及集成SOA的设计、制造和性能。这些器件展示了令人印象深刻的能力，包括：

宽波长调谐范围（40 nm）和稳定的单模操作

高片上输出功率（最高5 mW）

在各种距离（最远8 km）下32 Gbps无错误传输

高达56 Gbps数据速率的开放眼图

III-V材料在硅基光电子上的集成在可扩展性、成本效益和与现有CMOS制造设施兼容性方面提供了显著优势。随着该领域研究的继续推进，我们可以期待性能、功率效率和集成密度的进一步提高，为下一代光通信系统奠定基础。

! x# Q* \# S3 q  B# m: x未来研究方向可能集中在提高超过56 Gbps的调制速度、改善啁啾管理以实现更长传输距离，以及探索PAM-4等先进调制格式。

. f( q8 O. n* x7 P0 `* K参考文献
[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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