APL更新 | 基于磷化銦膜上硅技術的緊湊型寬調諧激光器

逍遙設計自動化

引言本文介紹基于磷化銦膜上硅（IMOS）平臺的緊湊型寬調諧激光器。這種激光器在密集波分復用、光學相干斷層掃描、激光雷達系統(tǒng)和氣體傳感等應用中扮演著重要角色。隨著光電子集成芯片的不斷發(fā)展，市場對能與其他光學元件無縫集成的小型高性能可調諧激光器的需求日益增長。

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7 t! r0 ?' I) X8 X8 l, q* Y3 T3 WIMOS平臺
IMOS平臺的核心技術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：

高光學限制

緊湊的器件占用面積

可集成有源和無源元件

高效的調制器

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圖1：簡化的有源-無源磷化銦膜上硅（IMOS）結構示意圖。
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上圖展示了IMOS平臺的基本結構，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。
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激光器設計
' l  F9 Y$ m' S$ E' _: z本文介紹的緊湊型寬調諧激光器采用了并行馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）腔內濾波器。激光器的主要組成部分包括：

作為增益區(qū)的半導體光放大器（SOA）

并行MZI腔內波長選擇濾波器

寬帶光子晶體（PC）鏡

用于光提取的聚焦光柵耦合器
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: x8 |+ n. V9 K/ v# R; X+ a圖2：激光器設計示意圖，灰色虛線標記MZI腔內濾波器。

4 h$ g+ \. M6 I1 _# ?9 I7 W$ r. d激光器設計包含一個500μm長的4量子阱SOA部分，后接腔內濾波器。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。
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腔內濾波器設計
波長選擇濾波器由四個臂組成，每個臂包含熱光相移器（TOPSs）。濾波器設計經過優(yōu)化，以實現窄透射譜和高邊模抑制比（SMSR）。
' h. M& m% A1 z* @0 Z濾波器的主要特點包括：
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四個臂，各自的有效折射率可單獨調節(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
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圖3：設計的濾波器傳輸譜（藍色實線）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。
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9 _& C5 ?6 p1 }, L. }9 |" ^優(yōu)化的濾波器設計產生了類sinc的傳輸譜，使激光器能夠實現出色的單模操作。

) v* N* k; G+ P: O: I: ?3 J+ S制造工藝
. \" b( a0 O: w7 E# t: n! }, t可調諧激光器采用雙面工藝制造，同時實現有源和無源組件。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、MMI、PC反射器、光柵耦合器、TOPSs）

使用聚酰亞胺進行平坦化

最終金屬化和通聚合物通孔（TPV）形成
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+ N8 f. j$ `5 D+ r圖4：無源波導、SOA和TOPS的截面結構。

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圖5：制造完成的可調諧激光器的顯微鏡圖像。
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& F& c4 F. `' y# [/ t# b這種制造工藝產生了緊湊的器件，具有高集成度和出色的性能特征。
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+ G8 N. t: D/ c; k測量設置和調諧算法
- O# i: p: s) Q1 n) e6 q為了表征激光器并生成完整的調諧圖，使用了自動化測量設置：

溫度控制的被測器件（DUT）放置

光纖耦合輸出分成兩部分，一部分進入可調帶通濾波器，另一部分進入光譜分析儀

多通道電流源用于濾波器調諧和SOA偏置
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% o% C2 s- \* _; ~7 R. b# S% Q圖6：自動調諧測量的實驗設置。來自激光器DUT的輸出分為10%進入帶通濾波器到功率計，90%進入光譜分析儀。

, j5 G* o  z7 @% U' }- ?使用基于全域有界Nelder-Mead方法的隨機搜索優(yōu)化器來自動化調諧過程。這種方法能夠高效地生成激光器的完整調諧查找表。

性能特征
0 c1 d4 R+ r* V/ @/ J1 p這款緊湊型寬調諧激光器展示了令人印象深刻的性能指標：

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

調諧范圍：40 nm（1555到1595 nm）

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圖7：激光器的LIV曲線。
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圖8：以0.01 nm分辨率在OSA上記錄的多個光譜重疊圖，顯示40 nm的調諧范圍。

這款激光器的性能與單片磷化銦和異質硅/磷化銦平臺上的類似設計相當或更好，同時占用面積顯著更小。

結論
本文介紹的緊湊型寬調諧激光器展示了IMOS平臺在創(chuàng)建高性能、微型化光電子器件方面的潛力。通過利用IMOS技術的高光學限制和集成能力，研究人員開發(fā)出了具有出色調諧范圍、輸出功率和單模操作特性的激光器。這一進步使高密度光通信、緊湊型激光雷達系統(tǒng)和片上氣體傳感解決方案等應用成為可能。

4 _. P( w" {: }7 E/ c8 E參考文獻
1 }  |" l* e; c) d, L9 F[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.

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