--翻譯自Kasper Van Gasse, Ruijun Wang,Gunther Roelkens的文章

摘要

具有高增益和高輸出功率的硅基混合III-V半導體光放大器在許多應用中非常重要，如光收發器、集成微波光子學和光子波束成形。在這項工作中，我們介紹了高增益、高輸出功率硅基III-V級半導體光放大器的設計、制造和表征。這些放大器支持混合III-V/Si光學模式，以減少有源區域的限制并增加飽和功率。在4.9 kA/cm2的電流密度下，測得的小信號增益為27 dB，飽和功率為17.24 dBm，片內輸出功率為17.5 dBm，室溫下的功耗為540 mW，總長度為1.45 mm的放大器。這些放大器是使用6量子阱InGaAsP有源區域實現的，該有源區域以前用于制造高速直調DFB激光器，從而可以實現共集成。

1. 引言

硅光子學是集成光學領域的關鍵技術。無源光子集成電路 （PIC） 已被設計用于許多應用，例如集成微波光子濾波器 [1] 和光束控制 [2]。然而，許多基本的光子電路，如光收發器，需要集成有源元件（光源、放大器、調制器和光電探測器）。創建有源 PIC 的一種吸引人的方法是將基于 InP 的材料異構集成在絕緣體上硅平臺上。這種方法將硅光子學的可擴展性與InP的光電高性能相結合。例如，該技術已被用于演示集成的高速直調激光器DML[3]和高速Mach-Zehnder調制器[4]。除了用于光收發器外，硅基III-V也是實現集成微波光子IC的非常有前途的平臺[5] [6]。然而，在硅和硅基III-V光子集成電路中實現的許多系統可以通過更高的片上光功率得到極大的改進。例如：實現長距離芯片級激光雷達系統[7]和微波光子鏈路，因為鏈路增益平方取決于光電轉換階段接收的光功率[8]。

盡管在InP平臺和硅基混合III-V平臺上已經開發了幾種半導體光放大器（SOA），但實現高增益和高輸出功率仍然具有挑戰性。C波段InP分立SOA的最高輸出功率是通過板耦合光波導（SCOW）設計實現的[9]。盡管這種設計提供瓦特級輸出功率，但這種類型的放大器需要專用的層堆疊和 1 cm 的放大器長度，這使得與其他光子元件的共集成并不容易。據報道，具有3個量子阱分立InP/InGaAsP SOA的芯片飽和輸出功率為19.6 dBm，增益為>15 dB[10]。同樣，在單片集成中，許多不同的組件必須集成在一起，而高功率SOA的特定集成并非易事[11] [12]。SOA也在硅基III-V族平臺上開發，均使用直接晶粒到晶圓鍵合和DVS-BCB粘性芯片到晶圓鍵合。在后一種方法中，通過在硅PIC上旋涂一層薄層（40-100 nm）的DVS-BCB（一種平坦化的旋裝聚合物）來促進鍵合。在[13] 中，提出了III–V/Si SOA設計，其中電光轉換效率針對10 dB增益SOA和13 dBm片內輸出功率進行了優化。[14]中演示了一種具有28 dB增益的封裝III-V硅基放大器，但未討論飽和功率，所提到的最高片內輸出功率為12 dBm。最近，使用直接晶粒與晶圓鍵合的硅基III-V族SOA被制造出來，具有14 dB的增益和16.8 dBm的飽和功率[15]。這是通過一個2毫米長的放大器實現的，使用3量子阱材料，功耗約為640 mW。

在本文中，我們介紹了一組硅基混合III-V SOA的設計、制造和表征。該陣列由 5 個橫截面相同但長度不同的 SOA 組成，從 0.95 到 1.85 mm 不等。這樣可以評估器件長度對放大器性能的影響，并實現損耗測量（放大器的內部損耗和III-V/硅躍遷部分的損耗）。測得1.45mm長的SOA具有27 dB的非飽和增益和17.5 dBm的片上放大輸出信號。該結果是在4.9 kA/cm2的電流密度下實現的，功耗為 540mW。1.2 mm 長的 SOA 在相同電流密度（功耗為 410 mW）下提供 24.7 dB 增益和 17.2 dBm 的最大片內輸出功率。本文的結構如下：在第一部分中，我們討論放大器的設計和制造。在第二部分中，我們討論了器件的特性，在最后一部分中，我們總結了結果并提出了結論。

2. 設計與制造

如上一節所述，有幾種方法可以實現集成式高輸出功率放大器。然而，兩種主要策略是在有源區域具有低約束或具有較大的橫截面有源區域。飽和功率公式說明了這一點Ps[15]，定義為增益系數g減半的光功率：

其中h是普朗克常數，c是光速，λ是真空中的波長，σXY是有源材料的橫截面積，a是差分增益，τ是載流子壽命，ΓXY是光模式在有源區域的約束因子，g0是最大增益，P是光功率。使用硅基混合III-V模式是降低約束系數的一種有吸引力的策略，類似于平板耦合SOA[9]。此外，使用相同的制造工藝和材料實現放大器是有益的，這些也可用于實現其他有源器件以構建復雜的光子集成電路。雖然其他高輸出功率放大器幾乎沒有量子阱來優化輸出功率，但使用III-V外延材料實現高飽和功率放大器很有吸引力，這種材料也可用于在同一光路上實現先進的激光源，例如直調激光器，通常需要更多的量子阱[3]。

因此，本工作中使用的外延層堆疊由一個 6 量子阱有源區組成，由 InGaAsP 量子阱（波長 1.55μm，厚7nm）和InGaAsP勢壘（帶隙波長為1.17μm，厚9nm）組成。使用InGaAsP（帶隙波長為1.17 μm）在有源區上方和下方實現100 nm厚的單獨約束異質結構。頂部p觸點由高摻雜的InGaAs層（厚度為300 nm）組成，p型包層由梯度p摻雜的InP層（厚度為1500 nm）組成。n觸點使用200 nm厚的n摻雜InP層。圖1a顯示了具有不同層的III-V波導的橫截面。

圖1 （a） 放大器波導的橫截面。（不按比例）（b） 放大器中的混合光模式，使用FIMMwave進行仿真。（c） 硅波導、p-InP 臺面和有源區域的俯視圖。（d） 硅到硅基混合III-V-on-silicon波導錐度的詳細示意圖。（e） 從硅波導到增益波導的光耦合的模擬傳播（頂視圖）。僅顯示有源層中的強度。硅波導、p-InP 臺面和有效區域用彩色線表示。（f） 從硅波導到增益波導的仿真耦合側視圖。

III-V 族下方的硅肋波導是通過 180 nm 的部分蝕刻在 2μm 厚的掩埋氧化層上的 400 nm 厚硅器件層中實現的。硅肋波導寬 4μm，而 III-V 臺面寬 5 μm。該模式橫向受臺面和硅波導的限制。有效區域比 p-InP 臺面寬 0.5 μm，以減少導向模式與側壁之間的相互作用。模擬的混合模式曲線如圖1b所示。使用FIMMwave對模式剖面進行了仿真，發現該波導設計的光約束為每阱0.7%。

由于放大器用于光路，因此逐漸變細至單模650nm寬的硅肋波導。如圖1c所示，從單模波導到放大器的過渡分兩步進行：首先，硅波導在150μm的長度上從650 nm絕熱逐漸變至4 μm，然后III-V波導結構錐形變化，詳見圖1d。III-V波導在0.6 μm至5 μm之間分兩部分逐漸變化，第一部分在80μm的長度上從0.6 μm逐漸變至1 μm。使用p型InP包層的各向異性蝕刻實現了較窄的III-V波導寬度，從而產生了如[16]所述的V形波導。在錐度的第二部分，III-V 波導在 100 μ m 的距離內從 1 μm 加寬到 5 m。然而，有源區域保持比包層更寬，以最大限度地減少受限光學模式和側壁之間的相互作用。由于硅波導的約束很大，硅波導和混合III-V硅基放大器之間的模式失配很小。使用FIMMWave和FIMMprop軟件模擬了錐度的耦合效率和錐尖的后向反射。結果發現，III-V級錐度尖端的反射低于-40 dB，每個錐度耦合損耗< 0.5 dB。

放大器的制造是通過上述III-V族材料的DVS-BCB鍵合實現的，如[16]中更詳細的描述。使用40nm的鍵合層厚度。首先，定義一個SiN硬掩模來蝕刻InP臺面。然后對重p摻雜的InGaAs接觸層進行干法蝕刻，然后將p-InP包層在稀釋的HCL中濕法蝕刻。這種各向異性濕法蝕刻形成了包層的V形。然后沉積第二個氮化物硬掩模，以使用H2SO4：H2O2：H2O方案對有源區域進行濕蝕刻。然后將 30-20-50 nm 的 Ni-Ge-Au 沉積在 n-InP 上以產生金屬 n 接觸。最后，使用稀釋的HCL再次蝕刻n-InP。一旦III-V族波導形成，使用DVS-BCB對結構進行鈍化和平面化。為了與III-V波導進行電接觸，DVS-BCB被蝕刻回去，露出頂部的InGaAs觸點，過孔被蝕刻在DVS-BCB中，使金屬n觸點暴露出來。在最后一步中，使用剝離工藝沉積 40–800 nm 的 Ti-Au，以形成最終接觸層并定義接觸焊盤，從而便于進行電探針。

在PIC上制造了5個不同長度的SOA陣列，以及幾個測試結構和其他器件。制備樣品的顯微鏡圖像如圖2a所示。放大器長度從 0.95 mm 到 1.85 mm 不等，包括兩個 0.18 mm 長的錐度。硅基III-V放大器結構的橫截面如圖2b所示。

圖2 （a） 制造的硅基III-V PIC的顯微鏡圖像，SOA陣列由右上角的五個器件組成。陣列中包括兩個不含 III–V 族材料的參考硅波導。（b）硅基III-V 放大器橫截面著色的 SEM 圖像。（c） 五個 SOA 的詳細視圖。

3. 表征

為了表征SOA，將硅基III-V PIC放置在溫度受控的載臺上，并在所有測量中保持在恒溫20°C。被測器件在光纖平臺上使用切割的標準單模光纖進行光學探測。使用模擬背向反射低于-40dB的無反射光柵耦合器[17]。放大器使用探針進行電接觸。SOA 的差分電阻范圍為 3.4 Ω （3630μm2表面區域）至 1.7 Ω （8630μm2表面區域），分別用于 0.95 mm 至 1.85 mm 長的 SOA。這類似于全InP SOA（6300μm2表面區域）的差分電阻 [10]。在注入電流密度為4.9 kA/cm2時測定差分電阻適用于所有放大器。三個最短的放大器分別偏置在175mA（1.57V）、237mA（1.74V）和300mA（1.8V），長度分別為0.95mm、1.2mm和1.45mm。兩個最長的放大器分別偏置在362mA（1.97V）和425mA（1.79V），長度分別為1.6 mm和1.85 mm。放大器具有良好的電氣特性，可實現高電流注入和低自發熱，這對于高功率運行至關重要。

為了表征放大器的片內增益，必須準確地知道將光柵耦合器損耗與波長相關。因此，參考無源硅波導被放置在芯片上，在放大器之間，使得參考波導與SOA的無源波導和耦合器進行相同的處理。使用可調諧激光器（Santec TSL-510）和光譜分析儀（Anritsu OSA MS9740A）測定光柵耦合器的損耗，如圖3所示。由于III-V族材料的增益峰值約為1575 nm，因此優化了光纖支架的角度，使最大透射波長與增益峰值一致。在這個最佳角度下，光柵耦合器在1575 nm波長處每個耦合器的損耗為9.5 dB。光柵耦合器針對低反射進行了優化，在未來的應用中可以被高效邊緣耦合器取代[18]。為了確定放大器的增益，使用了相同的測量設置。SOA 的輸出功率是用 OSA 測量的，在以輸入激光波長為中心的 1 nm 波段內。這確保了測得的輸出功率不會因放大自發發射ASE而失真。

圖3 測量設置示意圖。PC：偏振控制器;DUT：被測設備;OSA：光譜分析儀。

結果發現，除最短的放大器外，所有放大器的片上輸出功率均可超過17 dBm，而片上光輸入功率為3 dBm。然而，1.6 mm 和 1.85 mm 長的放大器并沒有實現比 1.45 mm 更高的輸出功率或增益。此外，對于兩個最長的放大器，片上光輸入功率小于-10 dBm時會發生寄生激光。從激光模式的自由光譜范圍推斷，激光是由于切割的單模光纖的寄生反射引起的。長度為1.2 mm和1.45 mm的放大器具有最佳的增益和輸出功率特性。此外，之所以選擇電流密度為 4.9 kA/cm2，是因為進一步增加增益電流并不能提高輸出功率。圖4a顯示了三個最短SOA的片內輸出功率與片上輸入功率的函數關系。最短的放大器長0.95 mm，提供20 dB的小信號增益和16 dBm的最大輸出功率。這種性能對于某些應用來說可能是實用的，但不能超出最先進的性能。長度分別為1.2 mm和1.45 mm的兩款放大器的最大輸出功率超過17 dBm，片內輸入功率為3 dBm時，增益為14 dB。準確確定小信號增益 G0并獲得飽和功率Ps對于 1.2 mm 和 1.45 mm SOA，我們使用與[15]中描述的相同的方法。這是通過在-15 和+13 dBm 之間改變可調諧激光器的輸入功率來實現的，同時監控 OSA 上的 SOA 輸出功率。兩個放大器均偏置在4.9 kA/cm2的注入電流密度下1.45mm SOA 對應 300mA，1.2mm 長 SOA 對應 237mA。對于這種注入電流，1.45mm SOA的功耗為540mW，1.2mm SOA的功耗為410mW。圖4b顯示了波長為1575nm時，相應的增益與輸入功率的函數關系，與本實驗中的材料增益峰值相對應。該結果與增益G與輸入功率Pin，飽和功率Ps和小信號增益G0相關的公式一致:

1.45 mm SOA的小信號增益為27 dB，1.2 mm SOA為25 dB。通過擬合確定，1.45 mm SOA 飽和功率Ps為 17.24 dBm，1.2 mm SOA 為 16.72 dBm。原則上，兩個放大器的飽和功率應該相同，因為它僅取決于波導橫截面。然而，由于差異很小，因此可以通過測量精度和制造公差來解釋。為了評估放大器的光帶寬，我們測量了 1.2 mm 長的 SOA 的小信號增益與波長的關系。這是通過以-10 dBm的恒定輸出功率將可調諧激光器的波長從1550波長掃描到1610 nm來實現的。使用OSA測量信號波長處的輸出功率，并解嵌光柵耦合器的傳輸頻譜以計算片內增益。如[19]所述，增益G與波長λ的函數可以用以下公式描述：

其中Gp是增益的峰值，λp是產生最大增益的波長，A是決定增益帶寬的因子。圖5a顯示了電流密度為4.9 kA/cm2時的增益與波長的關系。該擬合提供 20nm 的 1dB 小信號增益帶寬。當然，研究非常高輸出功率下的增益也很重要。因此，我們分析了以1575nm為中心的20nm波段中1.45mm放大器的增益。1.45 mm SOA的增益與波長的關系如圖5b所示。我們看到，對于3 dBm的輸入功率，對應于>17 dBm的輸出功率，在20 nm的跨度內，增益紋波小于1 dB。此外，輸入功率-12.5 dBm時的增益紋波相似。

圖4 （a） 三種不同SOA長度的片上輸出功率與輸入功率的函數關系。（b） 三個不同長度的SOA的片上光輸入功率的增益函數。點是測量值，線是擬合。

圖5 （a） 電流密度為4.9 kA/cm2時，1.2mm長SOA，小信號增益與的波長關系。圓圈為測量值，線為擬合曲線（b） 注入電流為4.9 kA/cm2時，1.45 mm 長的 SOA，片上增益與波長的關系。在3.5 dBm片上輸入功率和?12.5 dBm片上光輸入功率下測量增益。

圖1b所示的光學模式的無源損耗和圖1d所示的錐度可以通過執行削減測量來確定，而放大器在透明電流密度下偏置。在透明電流下，量子阱既不吸收也不放大，因此任何測量的損耗都是由無源波導層引起的（包括自由載流子損耗）。為了測量放大器的透明電流密度，使用了[20]中描述的方法。該方法依賴于測量放大器在恒定電流下工作時的壓降。如果我們用可調諧激光器的調制輸出注入放大器，放大器兩端的壓降也會被調制。如果使用鎖相放大器檢測放大器兩端的壓降調制，則還可以測量相位。如果掃描波長或注入電流，則給定波長和電流的調制將改變符號。這發生在透明狀態下，因為此時調制的激光輸出不會影響載流子密度或放大器上的壓降。

圖 6所有5 個不同長度的 SOA 的透明度電流密度測量與波長的函數關系

確定了所有 5 個 SOA 的透明電流密度。結果繪制為圖6中波長的函數。從圖中可以看出，透明電流密度略有變化，但與放大器的長度無關。在以前的SOA設計中，我們發現錐度引入了大量的表面復合，并且透明電流密度取決于放大器與錐度長度的比值。由此我們得出結論，具有更寬量子阱的錐形設計減少了這個問題。

使用圖6所示放大器的透明度電流，可以通過削減測量來確定放大器的無源損耗。我們發現硅基 III-V 波導損耗為 18 cm-1在1575 nm波長下，每個錐度的錐度損耗約為0.5 dB。

最后，我們使用[21] [22]中詳述的光學方法估計片上噪聲系數（NF）。我們選擇評估片上NF而不是外部NF，因為放大器是為在光子電路中實現而設計的，而不是作為單獨的封裝器件。然而，如果使用低損耗邊沿耦合器，則可以設想放大器的使用方式與[14]中所示的類似。為了確定 NF，我們使用 OSA 來測量給定輸入功率的 ASE。一旦在波段 B0片上功率PASE中與片上增益G一起確定，片上NF可以使用以下公式確定：

其中h是普朗克常數，ν是光子頻率。我們發現，對于高輸入功率（片上>0dBm），1.45mm和1.2mm SOA的噪聲系數約為9 dB。這是使用4.9 kA/cm2的注入電流測量的，對應于1.45 mm SOA的237 mA和1.2 mm SOA的175 mA。當輸入功率低于-15 dBm（片內）時，兩個器件的噪聲系數都小于8 dB。兩個噪聲系數都是針對1575nm的輸入波長確定的。該NF與高增益硅基III-V放大器的片內噪聲系數（>10 dB）相當，但低于[14]。

4. 結論

總之，我們展示了一種硅基III-V-SOA，其小信號增益為27 dB，增益飽和功率約為17.24 dBm。記錄的波導耦合輸出功率為17.5 dBm，功耗為540 mW。這種類型的SOA可以與先進的激光源集成，例如使用相同外延材料在同一PIC上的高速直接調制激光器。因此，該器件可用于需要高光輸出功率的多種應用，包括高速光收發器、微波光子系統和光波束成形應用。

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