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
! 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)。

! [; 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
圖1：O波段SOA的外延層堆棧

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：
( A, ~6 {( ?" ~! _7 @
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; e

TE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
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 E
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

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) U

. 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)：

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。
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：

9 b4 Q: l/ Z& w* F" j+ [$ f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的測量裝置

/ {! 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）
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。
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：
5 w8 e0 K( k  o1 C. d
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
增益和PDG圖7顯示了測得的增益和PDG特性：

! 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
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）
* }$ j$ X) d3 E. }; c, ^噪聲性能圖8顯示了關(guān)鍵的噪聲特性：
6 G! q3 L- C+ n- |) \9 n6 z! D# x" v
: b2 a9 R) j9 _: p圖8：（a）ASE光譜，（b）傳輸光譜，（c）噪聲系數(shù)
亮點(diǎn)：
' l& {, z: ?; [5 o7 w

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
' 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
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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