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

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

摘要
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)。

/ 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。
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
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：

圖1：O波段SOA的外延層堆棧
+ Z" L3 t- Y7 K6 J
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：

圖2：SOA結(jié)構(gòu)中的模擬TE和TM模式

對(duì)于2微米寬的SOA，模擬預(yù)測(cè)：

TE模式的約束為11%

TM模式的約束為8.5%
9 Q$ c5 Y" O% S
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。
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( _
1 W; m# e/ s2 e" K
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)：

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%
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。
特色工藝SOA制造工藝?yán)�用了IMOS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]
圖4展示了制造流程概覽：

5 c2 h6 ^" b# T9 \* o圖4：關(guān)鍵制造步驟示意圖
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
: t6 H# A6 D7 M" ^- q
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)
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。
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)。
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：

* ?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
增益和PDG圖7顯示了測(cè)得的增益和PDG特性：

圖7：（a）TE增益，（b）TM增益，（c）PDG與波長(zhǎng)，（d）PDG與電流
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）
噪聲性能圖8顯示了關(guān)鍵的噪聲特性：

- B1 D' \* O. A( d5 z" s圖8：（a）ASE光譜，（b）傳輸光譜，（c）噪聲系數(shù)
亮點(diǎn)：

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
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(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
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。
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.

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