Optics Express | 硅基光電子平臺上高速外調制寬可調諧激光器

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引言
硅基光電子技術在開發(fā)高速、緊湊和經濟高效的光收發(fā)器方面表現出巨大潛力。本文探討了在硅上異質集成的外調制寬可調諧激光器及集成半導體光放大器（SOA）的進展[1]，討論這些器件的設計、制造和性能特征，這些對城域網和接入網中的密集波分復用（DWDM）應用非常重要。
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器件結構和制造
討論的器件是一種異質集成的III-V/Si發(fā)射器，結合了寬可調諧激光器、電吸收調制器（EAM）和SOA放大器。

+ s# B( P. l- V3 J6 |2 ?& d+ k圖1展示了器件結構和關鍵組件。
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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晶圓經過蝕刻形成兩種不同高度的硅波導：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波導下方的硅波導插入器。
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& |% b  c. T$ s" J2 `1 yIII-V外延結構包括由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。這些層通過金屬有機化學氣相外延（MOVPE）生長，并直接鍵合到預先圖形化的SOI晶圓上。
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6 S$ U0 S9 d- l9 `1 g. g, B' b發(fā)射器的主要組件包括：
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寬可調諧激光器：使用雙程環(huán)形維尼爾濾波器，包含兩個跑道型諧振器。

電吸收調制器（EAM）：利用量子限制斯塔克效應（QCSE）實現高速調制。

半導體光放大器（SOA）：提供光學放大以補償調制器損耗。

垂直光柵耦合器：實現使用光纖進行晶圓級測試。
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靜態(tài)特性
5 c. {& @7 ?6 ]通過測量片上輸出功率、電壓-電流（V-I）特性和波長可調性評估了發(fā)射器的靜態(tài)性能。
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9 K8 l2 L8 @  Z2 e# u, t圖2. (a) 在不同ISOA值下測量的可調諧激光器的L-I特性。(b) 測量的激光器V-I響應和熱加熱器的V-I響應（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）。
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小信號分析
- o4 @. @" }: _9 k8 n# y6 r為評估集成EAM的電光（EO）帶寬，使用矢量網絡分析儀進行了小信號頻率響應測量。

圖3顯示了三種不同調制器長度（100 μm、150 μm和200 μm）的EAM的EO帶寬。測量在1551 nm波長下進行，偏置電壓為-3 V。結果表明，將調制器長度從200 μm減少到100 μm幾乎使帶寬翻倍，從20 GHz增加到38 GHz。

高速數據傳輸
- h" e9 A1 b0 i! X% m通過比特誤碼率（BER）測量和眼圖分析，在各種數據速率和傳輸距離下評估了發(fā)射器的性能。
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* @5 ]" N5 c9 v- \32 Gbps NRZ傳輸：
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" b3 P9 a) \$ _& W  u圖4展示了在不同波長和傳輸距離（最遠10 km）下使用標準單模光纖（SSMF）進行的32 Gbps BER測量結果。測量在六個波長進行：1542 nm、1545 nm、1548 nm、1551 nm、1554 nm和1557 nm。在大多數測試波長下，背靠背（B2B）配置和最遠2 km傳輸距離都實現了無錯誤傳播。
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) b4 r7 I1 N$ J7 F% s8 B* v! U, m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時達到約-5.5 dBm的接收功率靈敏度。
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  C2 p) \2 M3 t  ~50 Gbps及以上
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圖5展示了在1550 nm波長B2B配置下50 Gbps調制的開放眼圖，動態(tài)消光比為4.7 dB。


; K- ^' N0 }5 k& e9 x6 k7 d/ e圖6分別展示了56 Gbps NRZ調制的電輸入信號和光輸出眼圖。光學眼圖顯示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，出現一些信號失真和抖動。
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設計考慮和權衡：

調制器長度：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。

波長調諧范圍：光學帶寬在短波長端受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EAM偏置電壓和SOA電流可實現部分啁啾補償，與直接調制激光器或無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，但需要仔細設計以優(yōu)化所有部分的性能。
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結論
本文探討了硅基光電子平臺上高速外調制寬可調諧激光器及集成SOA的設計、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8 km）下32 Gbps無錯誤傳輸

高達56 Gbps數據速率的開放眼圖
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" k5 {: S' C6 Z9 G% d" jIII-V材料在硅基光電子上的集成在可擴展性、成本效益和與現有CMOS制造設施兼容性方面提供了顯著優(yōu)勢。隨著該領域研究的繼續(xù)推進，我們可以期待性能、功率效率和集成密度的進一步提高，為下一代光通信系統(tǒng)奠定基礎。
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: ?8 C7 R1 Z9 h! r6 `未來研究方向可能集中在提高超過56 Gbps的調制速度、改善啁啾管理以實現更長傳輸距離，以及探索PAM-4等先進調制格式。
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6 ~1 `. \) l- Q4 e1 c& f! F參考文獻
[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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