APL更新 | 基于磷化銦膜上硅技術(shù)的緊湊型寬調(diào)諧激光器

逍遙設(shè)計自動化

引言本文介紹基于磷化銦膜上硅（IMOS）平臺的緊湊型寬調(diào)諧激光器。這種激光器在密集波分復(fù)用、光學(xué)相干斷層掃描、激光雷達(dá)系統(tǒng)和氣體傳感等應(yīng)用中扮演著重要角色。隨著光電子集成芯片的不斷發(fā)展，市場對能與其他光學(xué)元件無縫集成的小型高性能可調(diào)諧激光器的需求日益增長。


% x) s# I$ C; j. k, L  JIMOS平臺
2 m# H# x8 }5 [5 g9 g& E5 Z: Q! P0 kIMOS平臺的核心技術(shù)是將幾微米厚的磷化銦薄膜鍵合到硅基底上。這種方法具有以下優(yōu)勢：
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高光學(xué)限制

緊湊的器件占用面積

可集成有源和無源元件

高效的調(diào)制器
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圖1：簡化的有源-無源磷化銦膜上硅（IMOS）結(jié)構(gòu)示意圖。
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3 v$ h  \6 g! @% w+ O上圖展示了IMOS平臺的基本結(jié)構(gòu)，顯示了鍵合到硅基底上的薄磷化銦膜，中間夾有低折射率材料。

3 l% X! ^, y& Z8 f1 Z2 {5 r% f激光器設(shè)計
% ?4 a( _3 L. ?& u- J本文介紹的緊湊型寬調(diào)諧激光器采用了并行馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）腔內(nèi)濾波器。激光器的主要組成部分包括：

作為增益區(qū)的半導(dǎo)體光放大器（SOA）

并行MZI腔內(nèi)波長選擇濾波器

寬帶光子晶體（PC）鏡

用于光提取的聚焦光柵耦合器
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圖2：激光器設(shè)計示意圖，灰色虛線標(biāo)記MZI腔內(nèi)濾波器。
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激光器設(shè)計包含一個500μm長的4量子阱SOA部分，后接腔內(nèi)濾波器。諧振腔由這些組件置于寬帶PC鏡之間形成，前后鏡的反射率分別為0.82和0.99。

腔內(nèi)濾波器設(shè)計
4 g$ t% W& T9 h4 p7 d/ H波長選擇濾波器由四個臂組成，每個臂包含熱光相移器（TOPSs）。濾波器設(shè)計經(jīng)過優(yōu)化，以實現(xiàn)窄透射譜和高邊模抑制比（SMSR）。
濾波器的主要特點包括：

四個臂，各自的有效折射率可單獨調(diào)節(jié)

優(yōu)化的臂長差異，提高性能

緊湊的占用面積，為0.28 × 0.45 mm2


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圖3：設(shè)計的濾波器傳輸譜（藍(lán)色實線）與增益帶寬（青色）重疊。紅色虛線表示四臂配置的臂長差ΔL的線性增加。

: _5 K# O. Q6 F$ }( {' }0 N2 w優(yōu)化的濾波器設(shè)計產(chǎn)生了類sinc的傳輸譜，使激光器能夠?qū)崿F(xiàn)出色的單模操作。

制造工藝
可調(diào)諧激光器采用雙面工藝制造，同時實現(xiàn)有源和無源組件。制造步驟包括：

制造S形截面的有源部分（SOA）

使用BCB將晶圓鍵合到硅基底

制造無源組件（波導(dǎo)、MMI、PC反射器、光柵耦合器、TOPSs）

使用聚酰亞胺進(jìn)行平坦化

最終金屬化和通聚合物通孔（TPV）形成
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圖4：無源波導(dǎo)、SOA和TOPS的截面結(jié)構(gòu)。
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圖5：制造完成的可調(diào)諧激光器的顯微鏡圖像。

! S/ y4 O/ [# d- M- Y4 D8 r這種制造工藝產(chǎn)生了緊湊的器件，具有高集成度和出色的性能特征。
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. {- f+ b) G& ?0 Q6 X測量設(shè)置和調(diào)諧算法
為了表征激光器并生成完整的調(diào)諧圖，使用了自動化測量設(shè)置：

溫度控制的被測器件（DUT）放置

光纖耦合輸出分成兩部分，一部分進(jìn)入可調(diào)帶通濾波器，另一部分進(jìn)入光譜分析儀

多通道電流源用于濾波器調(diào)諧和SOA偏置
[/ol]


圖6：自動調(diào)諧測量的實驗設(shè)置。來自激光器DUT的輸出分為10%進(jìn)入帶通濾波器到功率計，90%進(jìn)入光譜分析儀。

$ }/ T7 Z' n1 F! o& ^使用基于全域有界Nelder-Mead方法的隨機(jī)搜索優(yōu)化器來自動化調(diào)諧過程。這種方法能夠高效地生成激光器的完整調(diào)諧查找表。
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2 H3 A( a( _8 T, m( f性能特征
, L2 P2 W, p5 W; I3 D7 X這款緊湊型寬調(diào)諧激光器展示了令人印象深刻的性能指標(biāo)：
$ w: C$ x2 h) l, C1 {9 w, p

閾值電流：29 mA

最大片上輸出功率：3.6 dBm

壁插效率：1.8%

邊模抑制比（SMSR）：30到44 dB

調(diào)諧范圍：40 nm（1555到1595 nm）
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( S4 T# c$ ^9 D* F6 K圖7：激光器的LIV曲線。

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圖8：以0.01 nm分辨率在OSA上記錄的多個光譜重疊圖，顯示40 nm的調(diào)諧范圍。

這款激光器的性能與單片磷化銦和異質(zhì)硅/磷化銦平臺上的類似設(shè)計相當(dāng)或更好，同時占用面積顯著更小。

結(jié)論
0 F, U& R# w# Q* E本文介紹的緊湊型寬調(diào)諧激光器展示了IMOS平臺在創(chuàng)建高性能、微型化光電子器件方面的潛力。通過利用IMOS技術(shù)的高光學(xué)限制和集成能力，研究人員開發(fā)出了具有出色調(diào)諧范圍、輸出功率和單模操作特性的激光器。這一進(jìn)步使高密度光通信、緊湊型激光雷達(dá)系統(tǒng)和片上氣體傳感解決方案等應(yīng)用成為可能。
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# P# k% y+ i+ R0 K$ c# Z% ?2 q; j) Z參考文獻(xiàn)
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