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摘要
! q) p" {0 P' V3 D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、制造步驟和測量技術(shù)。/ a( n" c3 _2 |
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! [; b/ t. h" q5 B0 u9 V簡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越具有挑戰(zhàn)性。SOA在補(bǔ)償信號損耗方面發(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題。本文介紹了使用硅基InP(IMOS)平臺(tái)開發(fā)緊湊、低偏振敏感的SOA的方法,該SOA在O波段(1260-1360 nm)工作。
1 n' P7 U9 j7 \; W8 P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
$ p# o: g* E8 b# fSOA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:
6 l" B- B' R6 r
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) Q5 f1 F) T0 b& \( z! @4 O) a
圖1:O波段SOA的外延層堆棧6 Q, y" r7 p0 u1 V: J' y6 N4 G: a& \" p3 Y
+ [" B _0 ]0 u9 F
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
7 J( W1 ]" I& \# F8 E" y主動(dòng)層中的拉伸應(yīng)變對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)償不對稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的TM約束因子降低。
# w4 B# `. L- R( |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:
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圖2:SOA結(jié)構(gòu)中的模擬TE和TM模式
. }5 c' u3 c+ ~7 f1 K
0 C2 y- g3 g+ N! n/ c4 S- P對于2微米寬的SOA,模擬預(yù)測:
$ h/ M: C, l' i$ R) N; eTE模式的約束為11%TM模式的約束為8.5%
( [6 m# g' _ M& S+ S. \0 r; p! Q% O6 W0 W5 @8 E: X
這種約束差異可通過拉伸應(yīng)變有源層產(chǎn)生的更高TM材料增益來平衡。
/ ~/ o i4 o1 d1 i* o2 E0 r$ }5 ]- N6 V7 h. G! f
SOA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。
2 B% }& z. T/ f, x4 y ^9 V. P) c模擬結(jié)果表明,2μm寬的SOA能夠很好地平衡以下因素:
& z7 K+ b7 t2 _8 D3 S+ U對TE和TM模式都有足夠的約束11dBm的輸出飽和功率4 V: f( C6 `+ e4 n7 E' q1 J& ~
+ C2 d$ y1 ]2 ~3 d# n4 U( S: ]7 c9 H6 t
散熱片設(shè)計(jì)高效散熱對于高性能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,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。
7 ~$ F/ }. j! [+ K7 ?6 R( i5 t9 D! X6 R有源-無源過渡將SOA與無源波導(dǎo)集成在一起需要仔細(xì)設(shè)計(jì)過渡區(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)。
% Y" C+ N6 J/ j! \; X) U3 Z$ }+ Z, \# w, r: A" c( r6 I, a8 P
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. l% g5 c! U% I, G# n圖3:有源-無源過渡錐形示意圖
0 z7 u# r' d; R* A. I' p主要特點(diǎn):/ z" V. Q( v% q: ?2 H
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95%
; c3 c! `9 I6 P+ c* n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。9 Y' M% ]; b Y" T! E) b0 E
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)對設(shè)計(jì)好的多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行外延生長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]
2 N8 R: T1 ~. z. }5 V圖4展示了制造流程概覽: o. Z. W2 t. d7 }: d) k9 e
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9 b4 Q: l/ Z& w* F" j+ [$ f圖4:關(guān)鍵制造步驟示意圖& G8 ^# j4 I* ~) G/ X
表征方法實(shí)驗(yàn)裝置圖5展示了用于表征已制造SOA的測量裝置) ^' M+ B/ p( _" n5 o7 g# ^
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/ {! P: P* |$ A6 B- A圖5:SOA表征實(shí)驗(yàn)裝置
3 Q0 `' b I% S6 ]& g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型用于敏感測量的鎖相放大器光譜分析儀和功率計(jì)
9 m# I( H; o6 a1 U* b2 U7 V( v2 _透射電流測量
: c5 j9 L/ F3 c透射電流是SOA從凈吸收到凈增益的過渡,是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。測量透射電流的方法是,在偏置電流掃描時(shí),檢測SOA對調(diào)制光輸入的電響應(yīng)中的最小值。
' H& s, V$ |) N增益和偏振相關(guān)增益測量增益是通過比較透明時(shí)的輸出功率與較高偏置電流時(shí)的輸出功率來計(jì)算的。偏振相關(guān)增益(PDG)是TE和TM增益之間的差值。
) W! E* A- s. p5 }/ c, C噪聲特性主要的噪聲指標(biāo)包括:
* l6 F/ p3 Z+ O7 E& @7 M放大自發(fā)輻射(ASE)光譜噪聲系數(shù)(NF)光信噪比(OSNR)* v$ n# a3 S3 M
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。- A5 F2 E" R! |2 b1 l
結(jié)果與討論實(shí)驗(yàn)裝置透射電流圖6顯示了TE和TM偏振的透射電流測量值:
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圖6:TE和TM的透射電流與波長
0 k( Q# h3 p, P& y- }主要觀察結(jié)果:波長大于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+ r+ Q+ `% L" E% t9 Z
增益和PDG圖7顯示了測得的增益和PDG特性:$ F" b9 F$ A4 |: _+ A& I" x4 W" {
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! w, k/ v o, X6 m圖7:(a)TE增益,(b)TM增益,(c)PDG與波長,(d)PDG與電流+ M, l J2 k0 l1 M/ q4 {: P
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)
* }$ j$ X) d3 E. }; c, ^噪聲性能圖8顯示了關(guān)鍵的噪聲特性:
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: b2 a9 R) j9 _: p圖8:(a)ASE光譜,(b)傳輸光譜,(c)噪聲系數(shù)+ y [. ?/ c% c7 ?3 ?2 G
亮點(diǎn):
' l& {, z: ?; [5 o7 wOSNR >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
' u6 O4 q% v' P) i3 S0 T3 ?" w: nSOA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7 [% g" v5 R `
這種低功耗特性使其適用于密集的光電子集成。2 P( e, u7 K" g5 g) C+ @
結(jié)論與未來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
. _* a; W9 L Q5 O" y% k J! z在此基礎(chǔ)上,研究人員可以開發(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。
# z" F) w, {4 n9 R* z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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. l+ ^7 K4 H2 L8 P! I關(guān)于我們:# O( l) W0 L9 Z' U0 ^
深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。% b# [, B) B+ [7 c1 P: b
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