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

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

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(chǎng)對(duì)能與其他光學(xué)元件無(wú)縫集成的小型高性能可調(diào)諧激光器的需求日益增長(zhǎng)。
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# ?8 r+ H0 E+ t& {$ Y; YIMOS平臺(tái)
IMOS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(shì)：

高光學(xué)限制

緊湊的器件占用面積

可集成有源和無(wú)源元件

高效的調(diào)制器

6 _1 E, Y2 L4 a4 C# E5 \

, B; u" v3 H8 x8 i圖1：簡(jiǎn)化的有源-無(wú)源磷化銦膜上硅（IMOS）結(jié)構(gòu)示意圖。

# P0 E; Q1 R- {' N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。
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( V5 o4 M1 H- k2 o8 L+ F$ K激光器設(shè)計(jì)
- g9 U9 b4 n/ B* w9 P本文介紹的緊湊型寬調(diào)諧激光器采用了并行馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x（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(zhǎng)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
* [; v" ^* Y- [. q% e[/ol]


; A. Y0 W5 h2 P  c8 c- v' P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。

( x/ Z* e6 u  S$ _8 R- u4 V激光器設(shè)計(jì)包含一個(gè)500μm長(zhǎng)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。

腔內(nèi)濾波器設(shè)計(jì)
9 P0 P3 q; L( O4 W2 Z波長(zhǎng)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(guò)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)窄透射譜和高邊模抑制比（SMSR）。
. u" [+ M; M: J濾波器的主要特點(diǎn)包括：
. D# s+ j, p8 Q' \; b2 ~1 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(zhǎng)差異，提高性能

緊湊的占用面積，為0.28 × 0.45 mm2



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(zhǎng)差ΔL的線性增加。

* @7 b$ X( [0 x% S; U3 Q' \優(yōu)化的濾波器設(shè)計(jì)產(chǎn)生了類(lèi)sinc的傳輸譜，使激光器能夠?qū)崿F(xiàn)出色的單模操作。
( d& M, P1 h3 b) e' K
( _! k/ p% ]' \1 H; L* F$ J制造工藝
( v7 M4 z" @5 a- ]4 e& P+ F* O% Z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(wú)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(wú)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
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圖4：無(wú)源波導(dǎo)、SOA和TOPS的截面結(jié)構(gòu)。
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$ \- {$ K! Z8 A/ ?6 y5 V6 ^圖5：制造完成的可調(diào)諧激光器的顯微鏡圖像。
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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。
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測(cè)量設(shè)置和調(diào)諧算法
) M. T/ c; j1 {$ N4 ~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(cè)量設(shè)置：

溫度控制的被測(cè)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
[/ol]
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4 W) Z3 u' X! K7 }" q" h
圖6：自動(dòng)調(diào)諧測(cè)量的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。來(lái)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。

使用基于全域有界Nelder-Mead方法的隨機(jī)搜索優(yōu)化器來(lái)自動(dòng)化調(diào)諧過(guò)程。這種方法能夠高效地生成激光器的完整調(diào)諧查找表。
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( a& W7 ], B5 m, H) U7 j, |性能特征
% j/ g7 J9 D4 j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)：

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）

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5 X0 Q& f* Y7 B圖7：激光器的LIV曲線。
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" H& Z# B- b7 x  e( C6 C
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。
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9 e6 ~$ C: K. X/ e  l9 W- S  J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(lèi)似設(shè)計(jì)相當(dāng)或更好，同時(shí)占用面積顯著更小。
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. v" Y! L2 \! J0 N# w' ~2 O結(jié)論
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(guò)利用IMOS技術(shù)的高光學(xué)限制和集成能力，研究人員開(kāi)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。

參考文獻(xiàn)
[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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# B; N; J8 \' _. T5 V深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專(zhuān)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(kāi)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(duì)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(guó)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)。
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