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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

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發(fā)表于 2024-10-30 08:02:00 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎(jiǎng)勵(lì) |正序?yàn)g覽 |閱讀模式
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,市場對(duì)能與其他光學(xué)元件無縫集成的小型高性能可調(diào)諧激光器的需求日益增長。
8 N6 r# z% {8 s$ h( f7 O6 k, x( I0 E 6 k5 j4 }( o  Q" e9 `7 s

7 w" I; g5 w( X% e$ _2 MIMOS平臺(tái)
& A! e& |# S& W# Z$ m5 VIMOS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:
9 D! u0 E3 |" a
  • 高光學(xué)限制
  • 緊湊的器件占用面積
  • 可集成有源和無源元件
  • 高效的調(diào)制器
    ! n, A+ S7 c# N9 c9 p

    # v. p* }! Q; _( o) l) ^
    : o. p2 C9 `+ l9 i: ?- j3 q 1 R" V7 P7 m' j+ \( m" u
    圖1:簡化的有源-無源磷化銦膜上硅(IMOS)結(jié)構(gòu)示意圖。) P4 }9 `7 @% x/ s& _9 P

    , j: ?+ ]+ q: F/ p  M; X# A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。
    - V* p7 c( p2 l9 K  C* u  L6 b1 A, Q3 O1 Z( K
    激光器設(shè)計(jì)
    0 l' V4 [& T' O# Q' _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: ]9 I4 m) l/ p- y* U
    [/ol]- m' ~7 W1 C! x& X  R5 S0 `2 O

    ( V1 ?, l% `. h' P) q1 C & B! w2 j. G8 x9 \6 c
    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。+ V; d6 V# R2 X* P' a& P. Z$ z9 l. |! `

    " h1 d5 ?  o0 \' S7 j3 B9 m7 b激光器設(shè)計(jì)包含一個(gè)500μm長的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。: p9 j$ O0 }# e

    0 f, a9 i* E0 S; {! p腔內(nèi)濾波器設(shè)計(jì)- l: M8 U( R7 X
    波長選擇濾波器由四個(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)過優(yōu)化,以實(shí)現(xiàn)窄透射譜和高邊模抑制比(SMSR)。
    * ]5 n7 p( Z  Y濾波器的主要特點(diǎn)包括:8 M+ F: l/ N2 R5 `7 o$ ]
  • 四個(gè)臂,各自的有效折射率可單獨(dú)調(diào)節(jié)
  • 優(yōu)化的臂長差異,提高性能
  • 緊湊的占用面積,為0.28 × 0.45 mm2( i1 C0 V0 F) W7 m

    ! z- D0 @* X" y' [9 p; L5 \
    1 r- J' Y3 G) ^* z 9 ?7 G9 |- U  q( t/ @0 ^& f
    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差ΔL的線性增加。/ _! j; @7 J, n7 ^
    " f- t5 M; C+ s; `
    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。
    : h7 _4 L' z' z6 l1 B. [7 X6 y' |. j4 x/ [9 z" q) U9 B! h7 D
    制造工藝
    8 ^$ ^9 j- f( d; y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
    # H5 B% U0 O9 X/ h! W( M[/ol]0 G8 V6 M) R* @6 Z4 x

    % A4 [! n+ X: g& p) W& c6 I
    + e4 v" V- p( T- ]4 M圖4:無源波導(dǎo)、SOA和TOPS的截面結(jié)構(gòu)。
    6 {& B3 w( l; K, w: N6 W- j% d# o: w1 b$ D5 X$ }( J
    . {: B8 {9 Z' p2 m6 L5 n$ l3 W
    圖5:制造完成的可調(diào)諧激光器的顯微鏡圖像。" A1 E- F  k5 C( H1 u
    * n0 G! J( ^7 R3 P5 B
    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。! o# i7 Z8 O; B6 S; H0 y, B- J
    ) E: K5 b( ^/ s7 Z9 Y0 Q$ C
    測量設(shè)置和調(diào)諧算法
    $ u. ?/ z2 X$ {為了表征激光器并生成完整的調(diào)諧圖,使用了自動(dòng)化測量設(shè)置:
  • 溫度控制的被測器件(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  }6 Z: b- `" h
    [/ol]; k" O1 a) u/ Z# J% p
    0 a3 |' K9 P' y( A2 t
    9 C! U/ ?' s5 Z+ h, q! B9 ^
    圖6:自動(dòng)調(diào)諧測量的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。來自激光器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。$ G* }: u3 t6 _# m

    7 x; \" P; W* F/ w& `使用基于全域有界Nelder-Mead方法的隨機(jī)搜索優(yōu)化器來自動(dòng)化調(diào)諧過程。這種方法能夠高效地生成激光器的完整調(diào)諧查找表。0 Q1 c  A8 G7 Q* j& T" @: W4 p

    6 N; p; L3 v$ @+ k' Y/ m6 T6 k. {性能特征9 S! [' }9 G' x* p' ?
    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):: P" x* Q# b. K/ M- b7 M
  • 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)0 w7 I, ~' b  D( S2 X0 G6 K0 n$ T4 l
    ) O, E) ~5 q; A; D

    . F/ G1 r$ |  R 2 U# k1 L* x; V# \( V
    圖7:激光器的LIV曲線。) z) ?5 B; D: v6 q4 U6 _
    & q9 q0 G9 \. z! p7 Z8 I
      c: ]$ N1 y3 I
    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。
    3 f& n& b; h& {* N# l
    . I& G7 H. ]; q! ^" e/ d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。2 g7 S' [; j9 T& _0 V

    ! y$ g& h  _- x( [2 i結(jié)論
    ! \, Q) n  {9 w1 }! I% y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。+ K/ ^9 e  n! l' b
    # \* X. G( [5 Q. p  `
    參考文獻(xiàn)( v/ Y, o! ^# H2 C2 T, b8 U
    [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.
    0 ]2 r& j1 E! ~1 ]3 d! f- z
    & U' T* W. i5 {& H. X, UEND
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    7 F: K4 g' |) p# f5 ?- ]點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)) n0 [- p2 m* H' _

    5 z) p" u% C' P歡迎轉(zhuǎn)載
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    : c& U+ J7 @4 v! T& P轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處,請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息!' X: D, L! r/ n# n

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