硅基光电子平台上集成具有150-Gbaud调制能力的膜层InGaAlAs电吸收调制器与III-V/Si DFB激光器

逍遥设计自动化 · 发表于昨天 08:03

引言
随着人工智能技术的快速发展，数据中心流量急剧增加，对高容量光收发器的需求不断增长。电吸收调制器集成分布反馈（EA-DFB）激光器因其占用空间小、带宽大和功耗低的特点，成为这些应用的关键组件。最近，III-V材料与硅基光电子平台的异质集成技术取得了显著进展[1]。

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硅基光电子集成
硅基光电子平台为光通信提供了众多优势，包括低成本和紧凑的光电子集成芯片尺寸。传统的基于InP晶圆制造的EA-DFB激光器已经实现了高达105 GHz的电光（EO）带宽，但将这些功能集成到硅平台上既有机遇也有挑战。

基于锗（Ge）的电吸收调制器在硅基光电子平台上已经展示了约100 GHz的令人印象深刻的EO带宽，这得益于其膜层横向二极管结构中的低结电容和高光限制因子。然而，基于Ge的解决方案主要局限于C波段和L波段，而数据中心应用通常需要O波段操作。此外，将激光器与这些调制器集成仍然面临技术挑战。

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膜层InGaAlAs电吸收调制器与III-V/Si DFB激光器集成
NTT的研究人员开发了一种解决这些限制的异质集成解决方案。他们的器件由膜层InGaAlAs电吸收调制器与硅基光电子平台上的III-V/Si DFB激光器集成组成。这种方法实现了O波段操作和激光器集成。

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图1. EAM集成DFB激光器的顶视图，包含计算的模式分布。

如图1所示，该器件通过硅波导将EAM与DFB激光器集成在一起。III-V层由埋入薄膜InP层（厚度：230 nm）中的基于InGaAlAs的多量子阱（MQW）组成，并具有横向p-i-n结。EAM设计时III-V层下方没有硅芯，以最大化MQW中的光限制因子，从而提高调制效率。150 μm的EAM长度支持超过67 GHz的EO带宽。

在DFB激光器部分，III-V层和硅波导之间构建了光学超模。InP层表面上的均匀SiN光栅和硅芯的宽度调制创建了稳定单模激光所需的阻带调制。研究人员在激光器和EAM部分使用了相同成分的MQW，其光致发光峰值波长为1.26 μm。

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增强性能的设计改进
这项技术的先前实现因自热效应而导致输出功率有限（约0.6 mW）。新设计通过几个关键改进解决了这一限制：
将激光器有源区长度从300 μm增加到600 μm，以降低热阻加宽硅芯（1 μm，之前为0.5 μm），以降低光栅耦合系数和III-V层中的光限制因子，抑制空间烧孔效应，实现稳定的单模操作实施新设计的非合金电极，以降低接触电阻并减轻自热效应
这些修改显著改善了热管理和输出功率，同时保持稳定的单模操作。更宽的硅芯还减少了腔损耗，有助于提高输出功率。

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性能结果

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图2. (a)激光器功率监测端口的最大输出功率随温度变化的曲线，插图显示在120 mA注入电流下的激光光谱；(b)通过EAM的归一化输出功率与施加电压的关系。

图2展示了这种设计实现的改进性能。如图2(a)所示，该器件在25°C、150 mA注入电流条件下提供13 mW输出功率，并且可以在高达100°C的温度下运行。当通过EAM输出端口的光纤耦合测量时，该器件在120 mA激光器电流下实现6 mW输出功率——比先前实现提高了10 dB。插图确认了单模激光，边模抑制比约为49 dB。

图2(b)说明了调制特性，显示输出功率如何随施加到EAM的电压而变化。归一化输出功率随施加电压的增加而减小，在0至2 V的电压摆幅下提供7 dB的消光比。

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图3. (a)测量的EO响应显示超过67 GHz的带宽；(b) 128 Gbit/s和(c) 150 Gbit/s NRZ信号的眼图。

图3展示了该器件的高速性能。图3(a)中的测量EO响应确认在1 VDC施加电压下3-dB带宽超过67 GHz，这是在没有电气端接的情况下实现的。这种高带宽得益于低电容的膜层横向二极管结构。图3(b)和3(c)显示了128 Gbit/s和150 Gbit/s NRZ信号的清晰眼图，动态消光比分别为2.67 dB和2.16 dB。

对于这些测量，电信号由任意波形发生器（Keysight M8199B）生成，并通过射频探针以0.5 VDC偏置施加到EAM，而激光器电流设置为56 mA。施加到射频探针的峰峰值电压对于128 Gbit/s和150 Gbit/s信号分别约为1.4 VPP和1.1 VPP。

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对数据中心应用的意义
这种在硅基光电子平台上将O波段膜层InGaAlAs电吸收调制器与III-V/Si DFB激光器的高级集成，代表了高容量光收发器技术的重要进步。在150 Gbit/s NRZ信号下成功演示清晰眼图，结合输出功率提高10 dB，使这项技术非常适合下一代数据中心应用。

能够在O波段运行——这对数据中心中的短距离光纤链路至为重要——同时保持高带宽、低功耗和硅基光电子集成，对支持人工智能和其他数据密集型应用的光通信基础设施来说是一项重要进步。

这项工作得到了由日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）委托的"增强型后5G信息和通信系统基础设施研究与开发项目"（JPNP20017）的支持。

参考文献
[1] T. Aihara et al., "Membrane InGaAlAs Electro-Absorption Modulator Integrated with III-V/Si DFB Laser with 150-Gbaud Modulation on Si Photonics Platform," in IEEE SiPhotonics 2025, 2025
END
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