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Intel：300mm硅光平台异质集成抗反射量子点激光器

光芯

发布于 2025-04-08 09:05:58

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量子点激光器相比量子肼激光器具有更低的阈值电流密度、高温下更高的增益及更小的增益竞争，具备多波长激射能力，最重要的是QD Laser的线宽增强因子低，对光反馈的容忍度高（抗反射），可以实现去隔离器，显著降低封装和组装成本及复杂性。

Intel老早就搞定了硅光异质集成量子阱激光器的大规模量产，这里他们采用了相同的设计方法开展了硅光异质集成量子点激光器的工作。先在硅上把MMI、光栅耦合器、VOA、反射镜等器件加工完以后，把量子点激光器通过直接等离子体键合的方式，die2wafer异质集成上去。对III-V激光器进行衬底去除后，加工多级渐变taper，将光从无源硅波导过渡到III-V光学增益区。这个工作他们稀疏地键合了54个die来确认工艺和性能。

◆ FP激光器和DFB激光器发光性能

首先他们加工了一个带有高反镜（R ~ 100%）和部分（R ~ 40%）反射镜的FP激光器，测试了在30°C至150°C的PIV曲线。阈值电流在30°C时为20 mA，在110°C时增加到40 mA，对应于在此范围内的特征温度T0为115°C。同时，激光器的输出功率在30°C至110°C之间仅下降了0.7 dB，展示了量子点的卓越温度性能。过了110°C之后，激光器阈值增加，输出功率下降得更快，但在150°C时仍显示出清晰的激射特征，输出功率大于5mW。

将QD-FP激光器控制在低于20mA阈值电流进行研究，以观察设备的放大自发辐射（ASE），测量线宽增强因子（LEF）或α因子。可以看到随着电流增加，这表明模式折射率的真实部分并没有随着电流密度的增加而改变。计算得到QD 激光器的LEF在1280到1320nm之间几乎为0，而典型的量子阱（QW）激光器的LEF则在约2到5左右。由于光栅耦合器的光谱带宽限制，接近零的LEF意味着激光器在非常高的光反馈水平下才会进入相干坍缩。

接着他们又加工了DFB激光器。在室温下，1mm长的QD-DFB在1310nm附近的激射阈值为26 mA，并且在200 mA的驱动电流下测量到的输出功率为28 mW，似乎不算太高。在80°C时，输出功率下降1.5 dB至20 mW，阈值电流增加到42 mA。激光器的边模抑制比（SMSR）超过50 dB，并且温度变化时不会改变。L-I曲线非常平滑，表明在偏置电流扫描过程中几乎没有模式跳跃发生。

与QD-FP激光器相比，QD-DFB在高温下的光功率降低得更多，这是因为激光器波长由布拉格波长固定，随着温度的升高，布拉格波长会跟增益峰值发生漂移。控制激光波长及其与增益峰值的失谐对于在高温范围内实现高性能激光器在大规模生产环境中非常重要。通过在硅光上来加工激光器光栅可以提供额外的设计灵活性和出色的激光波长重复性，从而提高整体良率和产量。

◆抗反射测试

A. QD-DFB RIN测试

QD-DFB通过一个2x2 MMI输入，2x2 MMI的一个输出连接到硅p-i-n掺杂可变光衰减器（VOA）和高反射率环形镜。环形镜由一个1x2 MMI组成，其输出相互连接，提供超过92%的反射率。通过VOA和环形镜的往返光学损耗范围从-7dB到-24dB，加上2x2 MMI的往返6dB插损，返回到QD-DFB的总光学背反射范围从-13dB到-30dB可调。

在典型工作电流150mA的QD-DFB的RIN的差异小于2dB/Hz，表明即使在-13dB（VOA关闭）的最强背反射水平下，激光器也没有受到干扰。在两种条件下测量的激光器的光学光谱显示没有变化，波长由于受到VOA的热串扰导致轻微红移。

在-13dB的反馈下扫描偏置电流，从光谱上看都没有多模或相干性坍缩的迹象。RIN在低电流下有小幅度的增加和一些接近3GHz频率的小尖峰，但在高于80 mA的偏置电流下这些现象大部分消失了。在高偏置电流下，RIN接近其< -150 dB/Hz的下限。

B. 数据传输演示

本工作通过QD-DFB＋硅光微环调制器（MRM）的链路进行眼图测试。硅MRM的半径为6微米，Q值为4500。其调制效率和3 dB电光带宽分别测量为0.46 V·cm和45GHz。MRM由使用任意波形发生器（AWG）随后通过射频放大器的PAM4信号驱动，数据速率为64 Gb/sNRZ和128 Gb/s PAM4。