IEEE JLT更新 | 在硅基InP（IMOS）平臺上設(shè)計低偏振敏感O波段半導(dǎo)體光放大器

逍遙設(shè)計自動化

摘要
2 Z$ X5 `) \$ x: E9 i. ?, M% @半導(dǎo)體光放大器（SOA）是光通信和光電子集成芯片（PIC）中的關(guān)鍵元件。本文介紹在InP工藝平臺上實現(xiàn)的新型低偏振相關(guān)O波段SOA的設(shè)計、制造和特性分析。我們將介紹實現(xiàn)高性能的關(guān)鍵設(shè)計考慮因素、制造步驟和測量技術(shù)。

, Z8 Q4 x# t  B& e簡介隨著光電子集成芯片的規(guī)模和復(fù)雜性的增加，插入損耗、偏振敏感性和器件尺寸的管理變得越來越具有挑戰(zhàn)性。SOA在補償信號損耗方面發(fā)揮著重要的作用，但傳統(tǒng)設(shè)計往往存在偏振依賴性高的問題。本文介紹了使用硅基InP（IMOS）平臺開發(fā)緊湊、低偏振敏感的SOA的方法，該SOA在O波段（1260-1360 nm）工作。
該設(shè)計的主要優(yōu)點包括：

極低的偏振靈敏度（25 nm帶寬內(nèi)

高折射率對比度IMOS平臺實現(xiàn)緊湊的基底面

與電子器件的密集垂直集成兼容

低功耗
3 e* O# P/ z' `$ HSOA設(shè)計層疊設(shè)計SOA的核心是其外延層疊。圖1顯示了設(shè)計的疊層：
7 Q1 N( [- l# o9 x& Y
圖1：O波段SOA的外延層堆棧
" v: q& y& u/ M5 |# @5 m% G2 z
$ ?( J- C" U" ?7 x! O/ p' X該設(shè)計的主要特點：

薄（50 nm）拉伸應(yīng)變（0.18%）體InGaAsP有源層

有源區(qū)上下分別有單獨的約束異質(zhì)結(jié)構(gòu)（SCH）層

單模操作時，有源區(qū)總厚度為300 nm

目標光致發(fā)光峰值在1350 nm
; Z# S$ M. q$ w4 |& H主動層中的拉伸應(yīng)變對于降低極化靈敏度非常重要。它增加了TM材料的增益，以補償不對稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的TM約束因子降低。
模式約束圖2顯示了最終SOA結(jié)構(gòu)中的模擬TE和TM光模式：
4 g6 [/ L6 k: m% d' [, b
圖2：SOA結(jié)構(gòu)中的模擬TE和TM模式
2 o% h+ @+ n4 }& P0 f7 N
3 O" @4 r+ r+ E對于2微米寬的SOA，模擬預(yù)測：

TE模式的約束為11%

TM模式的約束為8.5%

/ S# Q8 ]+ k' N3 S$ b* _/ g這種約束差異可通過拉伸應(yīng)變有源層產(chǎn)生的更高TM材料增益來平衡。

8 D7 K+ k+ n6 JSOA寬度優(yōu)化SOA的寬度會影響約束因子和輸出飽和功率。較寬的SOA可提供更高的飽和功率，但會降低TE和TM之間的約束因子差異，從而增加極化不敏感性的實現(xiàn)難度。
模擬結(jié)果表明，2μm寬的SOA能夠很好地平衡以下因素：

對TE和TM模式都有足夠的約束

11dBm的輸出飽和功率

散熱片設(shè)計高效散熱對于高性能SOA非常重要。該設(shè)計包含一個厚（>4μm）的電鍍金層，用于將熱量從有源區(qū)傳導(dǎo)至硅基板。模擬預(yù)測，與不帶散熱器的設(shè)計相比，該設(shè)計可將SOA的工作溫度降低30-33°C。
有源-無源過渡將SOA與無源波導(dǎo)集成在一起需要仔細設(shè)計過渡區(qū)域，以保持低損耗和偏振不敏感。這種設(shè)計采用雙導(dǎo)波導(dǎo)方法，并帶有橫向錐形SOA結(jié)構(gòu)。
! h, C8 a# {3 i# n9 ^

1 X# r' q4 L+ W圖3：有源-無源過渡錐形示意圖
  k, y; [' l  ~' v! H主要特點：
- ?' v( t" m5 [- _* P1 J0 X

三段錐形設(shè)計（L1 = 20 μm，L2 = 20 μm，L3 = 10 μm）

優(yōu)化后的錐形尖端寬度為100納米

TE和TM的耦合效率均超過95%
. |% z2 `0 @% ~' Q錐形結(jié)構(gòu)逐漸降低SOA結(jié)構(gòu)的有效折射率，將光推入下面的無源波導(dǎo)。100納米的錐形尖端寬度兼顧了高耦合效率、低偏振依賴性和可制造性。
特色工藝SOA制造工藝利用了IMOS平臺的功能。主要步驟包括：

使用低壓金屬有機氣相沉積（LP-MOVPE）技術(shù)對設(shè)計好的多層結(jié)構(gòu)進行外延生長

使用電子束光刻和干/濕刻蝕技術(shù)定義主動區(qū)和被動區(qū)

沉積接觸金屬并進行退火

使用BCB粘合劑將晶圓與硅載體粘合

去除襯底并加工背面特征

使用BCB進行平面化

采用厚電鍍金制造散熱片[/ol]
圖4展示了制造流程概覽：
) _0 x+ Y. D4 P/ Q
圖4：關(guān)鍵制造步驟示意圖
. G0 V# ?% H1 D  H- @) y; `表征方法實驗裝置圖5展示了用于表征已制造SOA的測量裝置

圖5：SOA表征實驗裝置
- M6 i( j, x& m& S8 W) x關(guān)鍵組件

帶偏振控制的可調(diào)諧激光源

用于電流注入和射頻調(diào)制的偏置T型

用于敏感測量的鎖相放大器

光譜分析儀和功率計
4 k1 D" I7 ^' p2 g% V1 p- c透射電流測量
透射電流是SOA從凈吸收到凈增益的過渡，是一個關(guān)鍵參數(shù)。測量透射電流的方法是，在偏置電流掃描時，檢測SOA對調(diào)制光輸入的電響應(yīng)中的最小值。
增益和偏振相關(guān)增益測量增益是通過比較透明時的輸出功率與較高偏置電流時的輸出功率來計算的。偏振相關(guān)增益（PDG）是TE和TM增益之間的差值。
噪聲特性主要的噪聲指標包括：

放大自發(fā)輻射（ASE）光譜

噪聲系數(shù)（NF）

光信噪比（OSNR）
噪聲系數(shù)計算公式如下：NF（λ） = 10 log （2ρASE λ / Ghc）其中，ρASE 是輸出噪聲功率譜密度，G 是單程增益，λ 是波長。
結(jié)果與討論實驗裝置透射電流圖6顯示了TE和TM偏振的透射電流測量值：

圖6：TE和TM的透射電流與波長
主要觀察結(jié)果：

波長大于1330 nm時，透射電流小于11 mA

由于拉伸應(yīng)變效應(yīng)，TM的透射電流較低
增益和PDG圖7顯示了測得的增益和PDG特性：

+ j9 v1 m: ~5 S* K6 t圖7：（a）TE增益，（b）TM增益，（c）PDG與波長，（d）PDG與電流
1 J' q' e! m, r  V1 n主要結(jié)果：

TE在1345 nm處的峰值增益為11.5 dB，TM在1340 nm處的峰值增益為8 dB

PDG在25 nm帶寬（1317-1337 nm）內(nèi)小于1 dB

在低PDG區(qū)域，最大增益為8.5 dB（TE）和7.5 dB（TM）
" l  Z/ T. j  m噪聲性能圖8顯示了關(guān)鍵的噪聲特性：

圖8：（a）ASE光譜，（b）傳輸光譜，（c）噪聲系數(shù)
2 w, C" X7 q* U1 U2 ?% E' B亮點：

OSNR >40 dB（1 nm分辨率）

1360 nm處的最低噪聲系數(shù)為6.5 dB功率效率
) Z" @; R: O3 g6 ~0 `SOA在低偏置電流下提供顯著增益：

25 mA偏置電流

1.8 V接觸電壓
這種低功耗特性使其適用于密集的光電子集成。
結(jié)論與未來工作本文介紹了在硅基InP平臺上設(shè)計、制造和表征低偏振敏感O波段SOA的過程。所取得的性能——低PDG、高增益和良好的噪聲特性——證明了這種方法在下一代PIC中的潛力。未來需要改進的領(lǐng)域包括：

優(yōu)化有源層帶隙，使其更好地與O波段中心對齊

改進應(yīng)變模型，以考慮制造引起的應(yīng)力

提高光纖到芯片的耦合效率

研究高功率運行和非線性特性
在此基礎(chǔ)上，研究人員可以開發(fā)出功能更強大的SOA，從而實現(xiàn)下一代光電子集成芯片，用于光通信和計算應(yīng)用。
6 G! P) v& C' Z9 Z參考文獻[1]D. W. Feyisa et al., "Low Polarization Sensitive O-Band SOA on InP Membrane for Advanced Photonic Integration," Journal of Lightwave Technology, vol. 42, no. 13, pp. 4531-4541, July 1, 2024, doi: 10.1109/JLT.2024.3369232.

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