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(jì)自動(dòng)化

引言本文介紹基于磷化銦膜上硅（IMOS）平臺(tái)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(chǎng)對(duì)能與其他光學(xué)元件無(wú)縫集成的小型高性能可調(diào)諧激光器的需求日益增長(zhǎng)。
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IMOS平臺(tái)
, {+ J1 O% p; f5 oIMOS平臺(tái)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(shì)：
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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(wú)源元件

高效的調(diào)制器


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圖1：簡(jiǎn)化的有源-無(wú)源磷化銦膜上硅（IMOS）結(jié)構(gòu)示意圖。

上圖展示了IMOS平臺(tái)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。
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: n+ V! l) Y5 F1 W' |- y5 \3 k激光器設(shè)計(jì)
1 F3 n- m6 q* Z- V( d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(zhǎng)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(jì)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(jì)包含一個(gè)500μm長(zhǎng)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。
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腔內(nèi)濾波器設(shè)計(jì)
波長(zhǎng)選擇濾波器由四個(gè)臂組成，每個(gè)臂包含熱光相移器（TOPSs）。濾波器設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)窄透射譜和高邊模抑制比（SMSR）。
濾波器的主要特點(diǎn)包括：

四個(gè)臂，各自的有效折射率可單獨(dú)調(diào)節(jié)

優(yōu)化的臂長(zhǎng)差異，提高性能

緊湊的占用面積，為0.28 × 0.45 mm2



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

優(yōu)化的濾波器設(shè)計(jì)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(shí)實(shí)現(xiàn)有源和無(wú)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(wú)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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3 O/ R, e/ v' B3 B: ^) F圖4：無(wú)源波導(dǎo)、SOA和TOPS的截面結(jié)構(gòu)。


7 w; d  c& I4 \2 k' [0 U. h圖5：制造完成的可調(diào)諧激光器的顯微鏡圖像。

- ]1 I6 _$ S; M* U: I! ]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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, W8 G' U& l, N3 o  y/ s7 ~9 {測(cè)量設(shè)置和調(diào)諧算法
( v7 K  U/ n0 {0 u* o9 `# H為了表征激光器并生成完整的調(diào)諧圖，使用了自動(dòng)化測(cè)量設(shè)置：

溫度控制的被測(cè)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
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$ G" D+ a9 w. J# D! F3 M- Z4 x圖6：自動(dòng)調(diào)諧測(cè)量的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。來(lái)自激光器DUT的輸出分為10%進(jìn)入帶通濾波器到功率計(jì)，90%進(jìn)入光譜分析儀。

7 c; x7 u5 T9 `0 q  C) i  C使用基于全域有界Nelder-Mead方法的隨機(jī)搜索優(yōu)化器來(lái)自動(dòng)化調(diào)諧過(guò)程。這種方法能夠高效地生成激光器的完整調(diào)諧查找表。

性能特征
) Z2 R% V) ~$ ^  t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)：

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）



5 }8 C7 t% [7 ^5 b) _% C圖7：激光器的LIV曲線。
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* x! r; C+ X9 Q圖8：以0.01 nm分辨率在OSA上記錄的多個(gè)光譜重疊圖，顯示40 nm的調(diào)諧范圍。

$ C: a- L* E, q: G* Y# O這款激光器的性能與單片磷化銦和異質(zhì)硅/磷化銦平臺(tái)上的類似設(shè)計(jì)相當(dāng)或更好，同時(shí)占用面積顯著更小。

. M+ H% h7 V* T0 f* B0 s# W結(jié)論
6 z) z; v0 P' k7 c: v本文介紹的緊湊型寬調(diào)諧激光器展示了IMOS平臺(tái)在創(chuàng)建高性能、微型化光電子器件方面的潛力。通過(guò)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。

參考文獻(xiàn)
[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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