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摘要7 v( Q6 i: ]4 n+ [- j" c
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(tái)上實(shí)現(xiàn)的新型低偏振相關(guān)O波段SOA的設(shè)計(jì)、制造和特性分析。我們將介紹實(shí)現(xiàn)高性能的關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素、制造步驟和測(cè)量技術(shù)。0 {1 `! P0 P# n# M3 u0 a
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2024-9-11 13:50 上傳
/ Y0 H$ d* Z% J; M簡(jiǎn)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(lái)越具有挑戰(zhàn)性。SOA在補(bǔ)償信號(hào)損耗方面發(fā)揮著重要的作用,但傳統(tǒng)設(shè)計(jì)往往存在偏振依賴性高的問(wèn)題。本文介紹了使用硅基InP(IMOS)平臺(tái)開(kāi)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。& }$ l4 \' l7 c( M8 `
該設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)包括:極低的偏振靈敏度(25 nm帶寬內(nèi)高折射率對(duì)比度IMOS平臺(tái)實(shí)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( ~% \: O) b; i A
SOA設(shè)計(jì)層疊設(shè)計(jì)SOA的核心是其外延層疊。圖1顯示了設(shè)計(jì)的疊層:+ [) b, [' @% y
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圖1:O波段SOA的外延層堆棧
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該設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn):。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(dú)的約束異質(zhì)結(jié)構(gòu)(SCH)層單模操作時(shí),有源區(qū)總厚度為300 nm目標(biāo)光致發(fā)光峰值在1350 nm
" | a6 G, \; t4 m/ e4 h+ o7 r$ H. Y主動(dòng)層中的拉伸應(yīng)變對(duì)于降低極化靈敏度非常重要。它增加了TM材料的增益,以補(bǔ)償不對(duì)稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的TM約束因子降低。
9 j' \- a% ]1 T5 c% Z, f( R2 t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:/ G+ {$ d, v- }# v) x
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圖2:SOA結(jié)構(gòu)中的模擬TE和TM模式" V% S& ]/ z& w8 l# X- T, b) e
$ e! z+ J' j9 c: Z7 T \
對(duì)于2微米寬的SOA,模擬預(yù)測(cè):) U, r; p) v, Z z
TE模式的約束為11%TM模式的約束為8.5%
9 Q$ c5 Y" O% S: k7 ^: Y; i# z: H! Q
這種約束差異可通過(guò)拉伸應(yīng)變有源層產(chǎn)生的更高TM材料增益來(lái)平衡。
9 n" ?& ? V: g% ?* Z
0 w% n* D$ ~* l( @/ mSOA寬度優(yōu)化SOA的寬度會(huì)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(huì)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(shí)現(xiàn)難度。
# s% r7 X" N# B5 A模擬結(jié)果表明,2μm寬的SOA能夠很好地平衡以下因素:
" z' J% ~$ J, s9 w; ~ T對(duì)TE和TM模式都有足夠的約束11dBm的輸出飽和功率
; H8 f- ?( Y/ d+ X
; b" r; _9 G* f) f% ~" V散熱片設(shè)計(jì)高效散熱對(duì)于高性能SOA非常重要。該設(shè)計(jì)包含一個(gè)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(cè),與不帶散熱器的設(shè)計(jì)相比,該設(shè)計(jì)可將SOA的工作溫度降低30-33°C。' |4 S/ L+ G5 A q
有源-無(wú)源過(guò)渡將SOA與無(wú)源波導(dǎo)集成在一起需要仔細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)渡區(qū)域,以保持低損耗和偏振不敏感。這種設(shè)計(jì)采用雙導(dǎo)波導(dǎo)方法,并帶有橫向錐形SOA結(jié)構(gòu)。
$ C7 I2 J8 i$ `6 i9 i( _
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圖3:有源-無(wú)源過(guò)渡錐形示意圖
$ B# B3 M7 n" H" Y6 h& T主要特點(diǎn):8 q' y! p1 r& k3 l
三段錐形設(shè)計(jì)(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(guò)95%0 F( x. Q. h* ~4 u% ~
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(wú)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。1 r1 z1 j1 l8 a/ f! l2 o
特色工藝SOA制造工藝?yán)昧薎MOS平臺(tái)的功能。主要步驟包括:使用低壓金屬有機(jī)氣相沉積(LP-MOVPE)技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)好的多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行外延生長(zhǎng)使用電子束光刻和干/濕刻蝕技術(shù)定義主動(dòng)區(qū)和被動(dòng)區(qū)沉積接觸金屬并進(jìn)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(jìn)行平面化采用厚電鍍金制造散熱片[/ol]! A, h9 a, |# j
圖4展示了制造流程概覽:; P4 @3 a9 z) r
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5 c2 h6 ^" b# T9 \* o圖4:關(guān)鍵制造步驟示意圖! E( r- ]6 x" O2 k4 T9 D5 o: d7 r
表征方法實(shí)驗(yàn)裝置圖5展示了用于表征已制造SOA的測(cè)量裝置
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圖5:SOA表征實(shí)驗(yàn)裝置
9 P7 y/ q' ^" A6 h2 V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(cè)量的鎖相放大器光譜分析儀和功率計(jì)2 R4 q, K" G# [$ u0 Z- e
透射電流測(cè)量
6 L" N" W0 n% y4 K透射電流是SOA從凈吸收到凈增益的過(guò)渡,是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。測(cè)量透射電流的方法是,在偏置電流掃描時(shí),檢測(cè)SOA對(duì)調(diào)制光輸入的電響應(yīng)中的最小值。$ F! _: _' p p. h. w/ e
增益和偏振相關(guān)增益測(cè)量增益是通過(guò)比較透明時(shí)的輸出功率與較高偏置電流時(shí)的輸出功率來(lái)計(jì)算的。偏振相關(guān)增益(PDG)是TE和TM增益之間的差值。
+ r: z3 K7 N4 ?; B8 @ j+ l, e噪聲特性主要的噪聲指標(biāo)包括:
. E2 T( I8 R( b/ j* D' M0 w放大自發(fā)輻射(ASE)光譜噪聲系數(shù)(NF)光信噪比(OSNR)
1 ? U* O1 r. X噪聲系數(shù)計(jì)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(zhǎng)。8 W+ e# _. m; p" }( i6 @2 q. v7 w
結(jié)果與討論實(shí)驗(yàn)裝置透射電流圖6顯示了TE和TM偏振的透射電流測(cè)量值:: k- @$ l% L( k2 a! Z. Y/ c0 X4 x
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* ?6 c* [$ m% F0 }6 N, j, |# {5 k/ _6 {圖6:TE和TM的透射電流與波長(zhǎng)
7 T( |" ?' O- p/ G# [+ Q主要觀察結(jié)果:波長(zhǎng)大于1330 nm時(shí),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0 @* v, _( i5 F8 O: ~
增益和PDG圖7顯示了測(cè)得的增益和PDG特性:9 p% R x: j) r' z) r* r$ P# Q
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圖7:(a)TE增益,(b)TM增益,(c)PDG與波長(zhǎng),(d)PDG與電流- K' y% L* S; y3 @5 a% 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 dBPDG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)1 B1 |' d/ O/ |
噪聲性能圖8顯示了關(guān)鍵的噪聲特性:3 m2 Y! e; ^! ^! U: E! I, s
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- B1 D' \* O. A( d5 z" s圖8:(a)ASE光譜,(b)傳輸光譜,(c)噪聲系數(shù)5 {* m; U$ m m! k
亮點(diǎn):3 Z" o* L1 V5 M/ U' E
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/ d! [: ~# R: i( p1 k
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0 O3 b& L& q4 ]( r8 l: x$ B
這種低功耗特性使其適用于密集的光電子集成。- [( P m. d- C S
結(jié)論與未來(lái)工作本文介紹了在硅基InP平臺(tái)上設(shè)計(jì)、制造和表征低偏振敏感O波段SOA的過(guò)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(lái)需要改進(jìn)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(duì)齊改進(jìn)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(yùn)行和非線性特性4 K4 c% S2 e* ^% B3 p/ h+ V. f0 X) [
在此基礎(chǔ)上,研究人員可以開(kāi)發(fā)出功能更強(qiáng)大的SOA,從而實(shí)現(xiàn)下一代光電子集成芯片,用于光通信和計(jì)算應(yīng)用。; |* f( V' A$ ?* n9 C
參考文獻(xiàn)[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.2024.3369232.6 a1 p, f/ }8 i
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