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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):
# U0 D- t6 M# ]+ M% b3 Z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3 R( Y: r9 c# v5 p2 k1 v% V( ]; Y
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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。/ O/ S' O2 i# G& T; c1 G2 |% e
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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5 {/ s$ n& X) s
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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)6 k3 i: h& U- m" t
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)。) n7 q) } |* i
濾波器的主要特點(diǎn)包括:- B J5 \/ K F$ M+ z: O6 b
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, W% X- D9 `8 L6 v5 h9 \( X
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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。 V. e0 X, B, _9 u7 G' [
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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。 m9 Q$ A; H* a- Q. J- z
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制造工藝* P* P7 M4 |% g' Y& K
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)。5 C+ r! z7 b+ ^2 l1 }/ s
% Z6 s0 n9 }- o; c9 K6 i8 c
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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。- N* Y" Z2 Z# g# ]8 O
- ]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! F* `7 n% w* g2 q6 x
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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。: ]/ H! J; c0 ~- ~
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。/ t$ ^& W& W! {5 P2 X* H! A7 v0 s
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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):# o# I! X* Y0 c9 u J! w
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)( m/ T% H( |6 C+ \: R, z, `7 T
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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。' _* f H# k5 i2 J3 r7 q
$ 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。3 j; { R4 A. V- ~
. 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。' @4 U6 {1 a" v0 ^- g
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參考文獻(xiàn)& a) G* _+ r, B3 w8 }3 D Y
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