混合III-V硅基集成的光电子集成电路（有书）
文末送书《Silicon Photonics Design From Devices to Systems》
为方便阅读，关键结论已用红色标出。
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本文总结了基于边缘耦合的集成式混合InP / SOI激光器和发射器的最新进展。首先，回顾一下III-V材料与硅之间的不同集成方法。然后，专注于使用通过边缘耦合耦合到的硅光子集成电路的外部III-V芯片。该论文报告了包含一个或两个环形谐振器以及集成反射率可调镜的波长可调激光器的结果。证明了可以实现超过C波段的宽热调谐范围，并具有高于35 dB的高侧模抑制比。外部硅腔的设计可实现各种片上功能以及先进的混合发射器。平行波长可调腔和硅上紧凑的可变光衰减器控制的阵列波导光栅与反射型半导体光放大器集成在一起，从而产生了快速的波长切换激光器。此外，还报道了将硅调制器与可调谐混合III-V / Si激光器相结合的集成发射器。用于开/关键控信号生成的集成发射器具有超过30 nm的波长可调性和高达40 Gb / s的出色误码率性能。然后报道了一个多通道集成发射机，它结合了基于硅的阵列波导光栅，激光腔和多个环形调制器。
第一节 介绍
半导体光放大器（SOA）通常用作外腔可调激光器（ECTL）的紧凑增益介质。半透明反射镜放置在输出面上，以实现发光，而高反射率反射镜则封闭腔体。这种构造在腔体内产生多次反射，从而在多个纵向模式上引发激光。通过引入腔内滤波器可以实现模式选择。例如，由增益芯片和单独的大尺寸滤光器组成的ECTL已广泛用于相干光波传输实验中。基于腔内标准具和液晶镜或单轴MEMS镜的紧凑型ECTL 已经证明。但是，由于大体积ECTL的尺寸和成本相对较高，因此其应用受到限制。硅光子技术可将反射镜和腔内滤光片集成在单个芯片上，从而减小了尺寸和成本，并带来了新的机遇。已经提出了几种实现混合III-V / Si激光器的方法，例如：
使用通过透镜耦合外部III-V芯片
使用通过边缘耦合外部III-V芯片
使用通过垂直耦合外部III-V芯片
将III-V晶片/晶圆键合到已处理的Si晶圆上
在Si异质外延上使用III-V
所有配置的示意图如图1所示。第一种方法已经在商业产品中实现，但是存在复杂的组装过程。使用第二种方法，每个III-V源都需要与硅波导对准，并实现通过小平面的对接耦合。尽管此方法需要两个芯片之间紧密对准，但是用这种方法实现的可调谐激光器具有迄今为止最佳的性能，因为两个芯片都可以独立优化和制造。在集成方法3中介绍了表面法向耦合可调谐混合硅激光器，其中通过倒装芯片键合连接具有集成全内反射（TIR）镜的RSOA。第四种方法，将III-V芯片/晶圆直接键合到硅晶圆上，似乎很有希望。在这种方法中，所有有源组件（如激光器和SOA）都将被集中处理，有源波导与无源电路的对准仅受光刻设备精度的限制。正在大力开发第五种方法，但实际应用还很遥远。所有方法都使用III-V和硅材料之间的共享腔。硅光子平台的使用为高级激光腔的设计以及外部调制器的集成开辟了道路。在本文中，将重点讨论如方法2描述的通过边缘耦合混合III-V / Si激光器。
图1-混合III-V和硅集成的示例。
第二节 通过边缘耦合集成激光源
A. 波长可调激光器
包括使用反射SOA（RSOA）设备作为增益介质，该设备的一端已经包含一面镜子。RSOA通过透镜或边缘耦合到外部基于硅的腔。增益介质可以是块状，量子阱（QW）或量子点（QD），具体取决于所需的特性，并且可以使用光点大小的转换器来扩大刻面上的光学模式。RSOA的小面反射率由激光配置决定。可以施加高反射（HR）涂层以获得接近100％的反射率。然后，光从硅芯片耦合到光纤。如果需要部分反射率（R〜30％），可以实现切割面。然后将光纤直接耦合到RSOA。硅芯片在具有3μm厚掩埋氧化物（BOX）层的220nm隔离硅（SOI）平台（8英寸SOI晶圆）上制造。倾斜点尺寸转换器（SSC）旨在实现有效的模式转换，以匹配对接RSOA的模式。将移相器（PS）以及一个光学（可调）滤波器放置在腔中。阵列波导光栅（AWG）级联马赫曾德尔干涉仪（MZI）或环形谐振器可用于实现此功能。最后，使用集成镜终止腔。硅光子学可以集成所有这些基本构建模块。图2（a） – （c）显示了混合III-V / Si激光器的示意图。如前所述，通过引入基于硅的腔内滤波器来实现模式选择。模拟了不同滤波器的传递函数以及腔的Fabry-Perot模式， 如图2（d） - （f）所示。与激光模式相比，通过将非激光FP模式衰减至少3 dB，可以确保单模操作，同时可以根据两个主要模式之间的波长范围估算调谐范围。然后，直接测量如图2（g） – （i）所示的配置（a），（b）和（c）的调整范围。
图2-硅基腔的示意图，包括（a）单环，（b）双环和（c）具有RAMZI的单环。用RAMZI激光器计算的（d）单环，（e）双环和（f）单环的腔传输率。使用RAMZI激光器对（g）单环，（h）双环和（i）单环的测量调谐范围。
首先，研究了单环配置。环的自由光谱范围（FSR）定义为15 nm。两个连续FP模式之间的5dB差异可确保模式选择性。假设为宽带反射镜，并且未考虑图2中的SOA增益和垂直光栅耦合器传输函数。对于单环激光器，图2（g）显示了从1557到1573 nm的16 nm调谐范围。这种调谐范围主要受单环的FSR和RSOA增益（饱和时集中在1585nm处的增益峰值）的叠加的限制。为了克服该限制，如图2（b）中示意性地实现了基于游标的腔。双环激光器的激光波长如图图2（h）取决于其中一个加热器（在一个环的顶部）的偏置电流。由于游标效应，波长调谐范围被测量为大约32 nm（从1545到1577 nm），因为滤光片产生相距32 nm的相长干涉[图2（e） ]。由于采用了游标效应，调谐范围得到了极大的改善。最后，提出了基于反射非对称MZI（RAMZI）配置的可变反射镜（VRM）[图2（c）]。两个2x2 MMI用于拆分/合并MZ干涉仪的两个非对称臂。选择非对称镜设计以保证使用与波长相关的反射镜的单模运行。调整反射率以在不同子带中施加激光波长。计算出的空腔透射率如图2（f）所示。然后在图2（i）中绘制了环形和集成镜上几个偏置电流下的激光波长。调谐范围提高到31 nm，这相当于通过游标效应获得的调谐范围（受光学增益带宽的限制）。在后两种情况下，调谐范围受RSOA操作频带的限制。
包含RSOA和硅基腔的高性能混合激光器结构 如图3（a）所示。RSOA对接耦合到外部基于硅的腔。本实验中使用的RSOA由一个3 mm长的波导组成，该波导具有一个多量子阱（MQW）InGaAsP轻耦合有源区（Γ〜4％）。外腔由一个倾斜的倒锥形，两个热光移相器，一个跑道环形谐振器（RR）和一个可变波长可调镜[包括两个MMI和一个Sagnac环形镜（SLM）]组成。光纤耦合输出功率的测量取决于注入RSOA的电流，如图3（b）所示。。获得了高达20 mW（13 dBm）的光功率。阈值电流为95 mA，光纤耦合输出功率的斜率效率为5％（W / A）。更多细节可以在[11]中找到。
图3.-（a）混合型III-V / Si激光器通过边缘耦合的示意图，包括RSOA，一个光点尺寸转换器，两个移相器，一个单个跑道环形谐振器滤波器。（b）LI曲线是向RSOA中注入电流的函数。
B. 高级腔设计
如前所述，将RSOA对接耦合到外部基于硅的腔。增益介质可以是块状，量子阱（QW）或量子点（QD），具体取决于所需的属性。小面反射率也由激光配置确定。将基于热光效应的移相器以及一个光学（可调）滤波器放入空腔中。使用AWG或RR来实现此功能。硅光子技术可集成所有这些基本构件，以实现混合激光腔，包括可变光衰减器（VOA），光电探测器（PD），温度传感器（TS）和调制器。图4显示了先进的混合III-V / Si激光器的几种实现方式。基于这种复杂的腔体设计，已经证明了几种功能。基于新的复杂腔体设计，已经证明了控制小面反射率，快速波长切换，波长稳定激光器和多波长激光器的能力。基于硅的腔的示意图以及元件的数量和主要的器件功能在图4中进行了详细说明。
图4.-该表包括几种可用的构造块及其用于混合激光腔设计的实现。概述了激光腔设计的元素数量和主要功能。
C. 快速波长切换
先前已经展示了一种新颖的基于混合硅的快速波长可调混合激光器，该激光器基于将两个平行的广泛可调的Vernier RRs激光腔集成到单个硅芯片中（ 图4：设计2）。腔内快速注入载流子的可变光衰减器可在两个腔之间进行波长切换。该概念提供了超过35nm的单模操作和波长可调性，以及数十纳秒范围内的快速切换时间。为了演示快速切换操作，使用4通道任意波形发生器控制每个腔的一个RR和两个VOA。为了减少波长切换时间，采用VOA切换，以便在激光器发出第一波长的光的同时，第二腔体RR在最小的缝隙持续时间内被预调至第二所需的波长。然后通过切换VOA将发射波长切换到第二腔。图5图中显示了在通过一个RR的热光调谐切换单个腔（对于腔1和2）时以及在两个腔之间通过切换VOA切换后，带通滤光器的测量输出功率，该带通滤光器的半峰宽为0.2 nm。观察到两个切换时间：第一个使用RR在55μs范围内重新配置波长（图5的左图），使用VOA在小于35 ns的两个预设波长之间切换时间。（图5的右图）。图5的插图 示出了一个VOA的小信号调制带宽。测得−3 dB E / O带宽约为30 MHz，这证实了切换时间为30 ns。
图5.-使用RR调整的腔体1的光输出的时间响应（上图），使用RR调整的腔体2的光输出的时间响应（中图），以及使用VOAs设备在两个腔体之间进行切换的光学响应（下图）。
此外，提出并演示了用于快速波长切换的基于AWG的激光概念。这样的混合PIC基于单个SOA，一个PS，一个基于硅的AWG，一个硅VOA阵列（16个VOA）和16个SLM的使用（图4：设计1）。获得了16个频道，间隔约为100 GHz，具有激光阈值（<45 mA）和快速切换时间（<4 ns）。
第三节 混合发射器设计
互连的关键子系统之一是高性能集成变送器。该发射器通常由激光源，光放大器，调制器和其他无源波导设备组成。使用直接调制的混合激光器或将混合激光器与外部调制器（例如Mach-Zehnder（MZ）调制器和电吸收调制器）集成在一起，是实现集成式混合发射器的第一个里程碑。如前一部分所述，回顾了一些用于波长可调设备的潜在激光腔设计。此外，由于谐振器型调制器的性质，硅环形调制器由于其尺寸和功耗而非常适合于光学互连。然后，将混合激光源和高速环形调制器集成在一起，以实现超紧凑，低功耗的发射器。
A. 波长可调发射器
硅PIC集成了倾斜SSC，PS，RR，VRM，环形调制器（RM）和垂直光栅耦合器（VGC）。激光腔已在第II-A节[ 图2（a） ]中进行了描述。硅PIC如图6所示。通过仅调整RR，测得此混合发射器的调谐范围从1551到1572.6 nm大于20nm。但是，通过调整依赖于波长的VRM，可以将这种调谐范围进一步提高8 nm。通过SMSR测量确认（在30.1至50.5 dB之间），可以在整个调谐范围内获得单模操作。请注意，还调整了VRM以改善短波长的SMSR。然后，使用RM的直接调制来生成10、20、30和40 Gbit / s的非归零（NRZ）开-关键控（OOK）信号。图7（a）显示了所有比特率的背对背（btb）配置中的误码率（BER） 。7％硬决策前向纠错（HD-FEC）开销限制对应于BER = 3.8×10 -3。对于每个比特率，都会获得低于HD-FEC限制的BER。相应的btb眼图显示在图7（a）的插图中 。静态消光比（ER）约为11dB，根据所选的比特率，可观察到6到8 dB之间的动态ER。在整个比特率范围内观察到睁眼图。在图7（b）中，给出了当接收的光功率达到–12 dBm（BER远低于HD-FEC）时，几个波分复用（WDM）信道在25 Gbit / s时BER的依赖性。限制。由于RM的可调性大，因此没有发现任何损失。在此测量中，未控制VRM，将调谐范围限制为20 nm。然后在图7（c）中报告测得的BER与接收光功率的关系btb和1560.4nm处的几个传输距离（最远100 km）[根据图7（b）的最坏情况 ]。在10 Gbit / s的速度下，对于长达100 km的距离，在HD-FEC限制下，传播距离的灵敏度损失小于4 dB。在25 Gbit / s的速度下，在HD-FEC限制下进行15 km传输时，灵敏度损失增加高达3 dB。在20 km的链路覆盖了短距离网络中当前大多数光纤长度分布之后，在HD-FEC极限附近获得了一个误差基底，这主要是由色散引起的。因此需要对应于BER = 1.5×10 -2的20％软判决FEC（SD-FEC）开销限制。在SD-FEC极限下，在20 km处观察到3.2 dB的灵敏度损失。
图6-包括一个混合波长可调激光器和一个环形调制器的III-V / Si混合波长可调发射器的示意图。
图7. – BER测量取决于接收的光功率（a）背对背配置中各种数据比特率的情况，（b）接收器输入功率为−12 dBm（c）后不同的λ信道在SMF中以25和10 Gbit / s的速度传输长达20 km和100 km。
B. 多通道集成发射机
为了具有WDM功能，已经提出了混合多波长发射机以产生4×12.5 Gbit / s，最近，在O波段中证明了4×28 Gbit / s WDM硅光子发射机。图8显示了提出的混合发射机的概念和架构。硅芯片的占地面积为1.8×2.8 mm^2。PIC集成了18个以上的功能元件：6个倾斜SSC，5个PS，1 AWG，1个部分反射SLM和5个RM。通过使用AWG过滤FP光学模式，可以确保每个通道的单模操作。移相器用于控制FP模式与AWG通带的对准。FSR设计为46 nm，大约是RSOA的带宽。如此大的FSR可通过防止相邻命令激射来实现单模激光操作。激射波长间隔为382 GHz±17GHz。考虑到7％的HD-FEC，RM用于在每个波长上生成21.4 Gbit / s信号，达到107 Gbit / s（净数据100 Gbit / s）。一次测试一个通道的集成芯片的高速数据传输。所有通道在btb配置中的BER示于图9（a）。HD-FEC开销限制的7％对应于BER = 3.8×10 -3。对于每个通道，都会获得低于HD-FEC限制的BER。相应的btb眼图显示在图9（a）的插图中 。对于20、25、30、25和40 Gbit / s /通道，测得的BER与总的总比特率的关系如图9（b）所示。代表每个比特率的平均，最大和最小BER（跨整个信道）。对于总的总容量175 Gbit / s，可获得低于HD-FEC限制的BER。在200Gbit / s的速率下，BER超过HD-FEC限制，但仍低于SD-FEC（BER = 1.2×10 -2）。图9（c）显示了几种比特率下5种不同调制器的眼图。
图8-混合III-V / Si多波长发射机的示意图，该发射机集成了基于AWG的混合激光源和五个高速环形调制器。
图9-（a）不同信道下测得的BER与接收光功率的关系。（b）在几种调制速度下所有调制器的BER测量与比特率的关系图（c）眼图。
C. 先进的集成QPSK变送器
受LiNbO3调制器启发的第一代单片集成式发射机依赖于MZM，并采用InP技术进行设计。报告了一个集成了MZM和采样光栅分布的布拉格反射器可调激光器，半导体光放大器和吸收器的单片发射机，并产生了10 Gbaud的数据流。但是，MZM在调制带宽方面限制了发射机。最近，十四个IQ MZM与相应的激光器和一个外部偏振多路复用器集成在一起，每个激光器的输出符号率高达44Gbaud。为了进一步减少占地面积，基于硅光子的发射器是自然的选择。提出了一种新型的III-V / Si混合波长可调发射机，用于高级调制格式的生成。PIC集成了两个倾斜的SSC，两个MMI耦合器，三个PS，两个RR，两个RM和一个局部反射SLM，如图10所示 。激光腔已在第II-A节中描述[ 图2（b）]。依靠双臂干涉结构来生成正交相移键控（QPSK）调制格式。为此，使用每个环生成BPSK信号。然后，通过调整PS的电流，在干涉仪的两个臂之间分配一个π/ 2的相位差。通过具有8位分辨率DAC的独立电波形来驱动RM，然后由驱动器提供1.3V峰峰值（请注意，环形调制器的终结点不是50欧姆）。因此，在通过MMI耦合器进行分离和重组之后，来自混合可调谐激光器的光会携带QPSK数据。无需调制，混合发射器的光纤耦合输出功率测量为-15 dBm。据所知，总芯片尺寸为2800μm长和800μm宽度。报告的最小QPSK发送器。移相器可在0-15mA电流范围内提供高达2π的相变，RM具有20 dB的静态消光比和20 GHz以上的带宽。相长和相消状态之间的ER高于20dB，这证实了干涉仪臂的良好功率平衡和相位控制。PIC发送器模块由（2^15 -1）位长的伪随机位序列，以产生高达50Gb / s的QPSK数据。在不同条件下评估了用于城域网的系统的Q2因子性能。首先通过研究btb操作中发射机的性能来进行噪声灵敏度评估。图11（a）显示了Q 2因子与16、32和50 Gbit / s的光信噪比（OSNR）的关系。QPSK测量显示所有波特率的性能均高于6.25dB Q 2 因子，这与具有20％开销的SD-FEC阈值相对应。在 图11（a）的插图中展示了使用的集成发射机获得的示例星座图。据发现，增加偏振分复用（PDM）可以将OSNR的灵敏度降低3dB，直至达到理论预测的FEC极限。如图11（b）的星座图所示，这两种极化都得到了很好的恢复，该图显示了在btb和100 km以上的SMF中传输80 Gb / s PDM-QPSK的结果。即使在100 km的传输之后，对于两种极化都可以获得高于FEC极限的Q 2因子。传输后未观察到惩罚。由于OSNR劣化不平衡，两种极化之间都观察到一些性能差异。
图10-混合III-V / Si波长可调IQ发射器的示意图，包括一个混合波长可调激光器和两个嵌套在Mach-Zehnder干涉仪调制器中的微环调制器。
图11-（a）对于不同的波特率，在B2B配置中Q²因子相对于OSNR的实验结果。（b）Q²系数取决于B2B配置中的OSNR以及80 Gbit / s PDM-QPSK信号经过100 km SMF后的情况。
第四节 结论
III-V和硅材料的混合集成带来了新的机遇。所制造的混合III-V / Si激光器的性能等于或超过InP衬底上的单片集成InGaAsP激光器的性能。可以通过少量的关键构建块来实现广泛的功能。适当组合组成部分可实现先进的激光腔设计，为快速光切换，波长稳定和多波长生成等新应用开辟道路。最后，介绍了一些最近的混合III-V / Si发射器实现，例如单波长可调或WDM发射器以及用于OOK和QPSK信号生成的发射器。
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