硅基混合III-V半导体光放大器设计

--翻译自Kasper Van Gasse, Ruijun Wang,Gunther Roelkens的文章

摘要

具有高增益和高输出功率的硅基混合III-V半导体光放大器在许多应用中非常重要，如光收发器、集成微波光子学和光子波束成形。在这项工作中，我们介绍了高增益、高输出功率硅基III-V级半导体光放大器的设计、制造和表征。这些放大器支持混合III-V/Si光学模式，以减少有源区域的限制并增加饱和功率。在4.9 kA/cm2的电流密度下，测得的小信号增益为27 dB，饱和功率为17.24 dBm，片内输出功率为17.5 dBm，室温下的功耗为540 mW，总长度为1.45 mm的放大器。这些放大器是使用6量子阱InGaAsP有源区域实现的，该有源区域以前用于制造高速直调DFB激光器，从而可以实现共集成。

1. 引言

硅光子学是集成光学领域的关键技术。无源光子集成电路 （PIC） 已被设计用于许多应用，例如集成微波光子滤波器 [1] 和光束控制 [2]。然而，许多基本的光子电路，如光收发器，需要集成有源元件（光源、放大器、调制器和光电探测器）。创建有源 PIC 的一种吸引人的方法是将基于 InP 的材料异构集成在绝缘体上硅平台上。这种方法将硅光子学的可扩展性与InP的光电高性能相结合。例如，该技术已被用于演示集成的高速直调激光器DML[3]和高速Mach-Zehnder调制器[4]。除了用于光收发器外，硅基III-V也是实现集成微波光子IC的非常有前途的平台[5] [6]。然而，在硅和硅基III-V光子集成电路中实现的许多系统可以通过更高的片上光功率得到极大的改进。例如：实现长距离芯片级激光雷达系统[7]和微波光子链路，因为链路增益平方取决于光电转换阶段接收的光功率[8]。

尽管在InP平台和硅基混合III-V平台上已经开发了几种半导体光放大器（SOA），但实现高增益和高输出功率仍然具有挑战性。C波段InP分立SOA的最高输出功率是通过板耦合光波导（SCOW）设计实现的[9]。尽管这种设计提供瓦特级输出功率，但这种类型的放大器需要专用的层堆叠和 1 cm 的放大器长度，这使得与其他光子元件的共集成并不容易。据报道，具有3个量子阱分立InP/InGaAsP SOA的芯片饱和输出功率为19.6 dBm，增益为>15 dB[10]。同样，在单片集成中，许多不同的组件必须集成在一起，而高功率SOA的特定集成并非易事[11] [12]。SOA也在硅基III-V族平台上开发，均使用直接晶粒到晶圆键合和DVS-BCB粘性芯片到晶圆键合。在后一种方法中，通过在硅PIC上旋涂一层薄层（40-100 nm）的DVS-BCB（一种平坦化的旋装聚合物）来促进键合。在[13] 中，提出了III–V/Si SOA设计，其中电光转换效率针对10 dB增益SOA和13 dBm片内输出功率进行了优化。[14]中演示了一种具有28 dB增益的封装III-V硅基放大器，但未讨论饱和功率，所提到的最高片内输出功率为12 dBm。最近，使用直接晶粒与晶圆键合的硅基III-V族SOA被制造出来，具有14 dB的增益和16.8 dBm的饱和功率[15]。这是通过一个2毫米长的放大器实现的，使用3量子阱材料，功耗约为640 mW。

在本文中，我们介绍了一组硅基混合III-V SOA的设计、制造和表征。该阵列由 5 个横截面相同但长度不同的 SOA 组成，从 0.95 到 1.85 mm 不等。这样可以评估器件长度对放大器性能的影响，并实现损耗测量（放大器的内部损耗和III-V/硅跃迁部分的损耗）。测得1.45mm长的SOA具有27 dB的非饱和增益和17.5 dBm的片上放大输出信号。该结果是在4.9 kA/cm2的电流密度下实现的，功耗为 540mW。1.2 mm 长的 SOA 在相同电流密度（功耗为 410 mW）下提供 24.7 dB 增益和 17.2 dBm 的最大片内输出功率。本文的结构如下：在第一部分中，我们讨论放大器的设计和制造。在第二部分中，我们讨论了器件的特性，在最后一部分中，我们总结了结果并提出了结论。

2. 设计与制造

如上一节所述，有几种方法可以实现集成式高输出功率放大器。然而，两种主要策略是在有源区域具有低约束或具有较大的横截面有源区域。饱和功率公式说明了这一点Ps[15]，定义为增益系数g减半的光功率：

其中h是普朗克常数，c是光速，λ是真空中的波长，σXY是有源材料的横截面积，a是差分增益，τ是载流子寿命，ΓXY是光模式在有源区域的约束因子，g0是最大增益，P是光功率。使用硅基混合III-V模式是降低约束系数的一种有吸引力的策略，类似于平板耦合SOA[9]。此外，使用相同的制造工艺和材料实现放大器是有益的，这些也可用于实现其他有源器件以构建复杂的光子集成电路。虽然其他高输出功率放大器几乎没有量子阱来优化输出功率，但使用III-V外延材料实现高饱和功率放大器很有吸引力，这种材料也可用于在同一光路上实现先进的激光源，例如直调激光器，通常需要更多的量子阱[3]。

因此，本工作中使用的外延层堆叠由一个 6 量子阱有源区组成，由 InGaAsP 量子阱（波长 1.55μm，厚7nm）和InGaAsP势垒（带隙波长为1.17μm，厚9nm）组成。使用InGaAsP（带隙波长为1.17 μm）在有源区上方和下方实现100 nm厚的单独约束异质结构。顶部p触点由高掺杂的InGaAs层（厚度为300 nm）组成，p型包层由梯度p掺杂的InP层（厚度为1500 nm）组成。n触点使用200 nm厚的n掺杂InP层。图1a显示了具有不同层的III-V波导的横截面。

图1 （a） 放大器波导的横截面。（不按比例）（b） 放大器中的混合光模式，使用FIMMwave进行仿真。（c） 硅波导、p-InP 台面和有源区域的俯视图。（d） 硅到硅基混合III-V-on-silicon波导锥度的详细示意图。（e） 从硅波导到增益波导的光耦合的模拟传播（顶视图）。仅显示有源层中的强度。硅波导、p-InP 台面和有效区域用彩色线表示。（f） 从硅波导到增益波导的仿真耦合侧视图。

III-V 族下方的硅肋波导是通过 180 nm 的部分蚀刻在 2μm 厚的掩埋氧化层上的 400 nm 厚硅器件层中实现的。硅肋波导宽 4μm，而 III-V 台面宽 5 μm。该模式横向受台面和硅波导的限制。有效区域比 p-InP 台面宽 0.5 μm，以减少导向模式与侧壁之间的相互作用。模拟的混合模式曲线如图1b所示。使用FIMMwave对模式剖面进行了仿真，发现该波导设计的光约束为每阱0.7%。

由于放大器用于光路，因此逐渐变细至单模650nm宽的硅肋波导。如图1c所示，从单模波导到放大器的过渡分两步进行：首先，硅波导在150μm的长度上从650 nm绝热逐渐变至4 μm，然后III-V波导结构锥形变化，详见图1d。III-V波导在0.6 μm至5 μm之间分两部分逐渐变化，第一部分在80μm的长度上从0.6 μm逐渐变至1 μm。使用p型InP包层的各向异性蚀刻实现了较窄的III-V波导宽度，从而产生了如[16]所述的V形波导。在锥度的第二部分，III-V 波导在 100 μ m 的距离内从 1 μm 加宽到 5 m。然而，有源区域保持比包层更宽，以最大限度地减少受限光学模式和侧壁之间的相互作用。由于硅波导的约束很大，硅波导和混合III-V硅基放大器之间的模式失配很小。使用FIMMWave和FIMMprop软件模拟了锥度的耦合效率和锥尖的后向反射。结果发现，III-V级锥度尖端的反射低于-40 dB，每个锥度耦合损耗< 0.5 dB。

放大器的制造是通过上述III-V族材料的DVS-BCB键合实现的，如[16]中更详细的描述。使用40nm的键合层厚度。首先，定义一个SiN硬掩模来蚀刻InP台面。然后对重p掺杂的InGaAs接触层进行干法蚀刻，然后将p-InP包层在稀释的HCL中湿法蚀刻。这种各向异性湿法蚀刻形成了包层的V形。然后沉积第二个氮化物硬掩模，以使用H2SO4：H2O2：H2O方案对有源区域进行湿蚀刻。然后将 30-20-50 nm 的 Ni-Ge-Au 沉积在 n-InP 上以产生金属 n 接触。最后，使用稀释的HCL再次蚀刻n-InP。一旦III-V族波导形成，使用DVS-BCB对结构进行钝化和平面化。为了与III-V波导进行电接触，DVS-BCB被蚀刻回去，露出顶部的InGaAs触点，过孔被蚀刻在DVS-BCB中，使金属n触点暴露出来。在最后一步中，使用剥离工艺沉积 40–800 nm 的 Ti-Au，以形成最终接触层并定义接触焊盘，从而便于进行电探针。

在PIC上制造了5个不同长度的SOA阵列，以及几个测试结构和其他器件。制备样品的显微镜图像如图2a所示。放大器长度从 0.95 mm 到 1.85 mm 不等，包括两个 0.18 mm 长的锥度。硅基III-V放大器结构的横截面如图2b所示。

图2 （a） 制造的硅基III-V PIC的显微镜图像，SOA阵列由右上角的五个器件组成。阵列中包括两个不含 III–V 族材料的参考硅波导。（b）硅基III-V 放大器横截面着色的 SEM 图像。（c） 五个 SOA 的详细视图。

3. 表征

为了表征SOA，将硅基III-V PIC放置在温度受控的载台上，并在所有测量中保持在恒温20°C。被测器件在光纤平台上使用切割的标准单模光纤进行光学探测。使用模拟背向反射低于-40dB的无反射光栅耦合器[17]。放大器使用探针进行电接触。SOA 的差分电阻范围为 3.4 Ω （3630μm2表面区域）至 1.7 Ω （8630μm2表面区域），分别用于 0.95 mm 至 1.85 mm 长的 SOA。这类似于全InP SOA（6300μm2表面区域）的差分电阻 [10]。在注入电流密度为4.9 kA/cm2时测定差分电阻适用于所有放大器。三个最短的放大器分别偏置在175mA（1.57V）、237mA（1.74V）和300mA（1.8V），长度分别为0.95mm、1.2mm和1.45mm。两个最长的放大器分别偏置在362mA（1.97V）和425mA（1.79V），长度分别为1.6 mm和1.85 mm。放大器具有良好的电气特性，可实现高电流注入和低自发热，这对于高功率运行至关重要。

为了表征放大器的片内增益，必须准确地知道将光栅耦合器损耗与波长相关。因此，参考无源硅波导被放置在芯片上，在放大器之间，使得参考波导与SOA的无源波导和耦合器进行相同的处理。使用可调谐激光器（Santec TSL-510）和光谱分析仪（Anritsu OSA MS9740A）测定光栅耦合器的损耗，如图3所示。由于III-V族材料的增益峰值约为1575 nm，因此优化了光纤支架的角度，使最大透射波长与增益峰值一致。在这个最佳角度下，光栅耦合器在1575 nm波长处每个耦合器的损耗为9.5 dB。光栅耦合器针对低反射进行了优化，在未来的应用中可以被高效边缘耦合器取代[18]。为了确定放大器的增益，使用了相同的测量设置。SOA 的输出功率是用 OSA 测量的，在以输入激光波长为中心的 1 nm 波段内。这确保了测得的输出功率不会因放大自发发射ASE而失真。

图3 测量设置示意图。PC：偏振控制器;DUT：被测设备;OSA：光谱分析仪。

结果发现，除最短的放大器外，所有放大器的片上输出功率均可超过17 dBm，而片上光输入功率为3 dBm。然而，1.6 mm 和 1.85 mm 长的放大器并没有实现比 1.45 mm 更高的输出功率或增益。此外，对于两个最长的放大器，片上光输入功率小于-10 dBm时会发生寄生激光。从激光模式的自由光谱范围推断，激光是由于切割的单模光纤的寄生反射引起的。长度为1.2 mm和1.45 mm的放大器具有最佳的增益和输出功率特性。此外，之所以选择电流密度为 4.9 kA/cm2，是因为进一步增加增益电流并不能提高输出功率。图4a显示了三个最短SOA的片内输出功率与片上输入功率的函数关系。最短的放大器长0.95 mm，提供20 dB的小信号增益和16 dBm的最大输出功率。这种性能对于某些应用来说可能是实用的，但不能超出最先进的性能。长度分别为1.2 mm和1.45 mm的两款放大器的最大输出功率超过17 dBm，片内输入功率为3 dBm时，增益为14 dB。准确确定小信号增益 G0并获得饱和功率Ps对于 1.2 mm 和 1.45 mm SOA，我们使用与[15]中描述的相同的方法。这是通过在-15 和+13 dBm 之间改变可调谐激光器的输入功率来实现的，同时监控 OSA 上的 SOA 输出功率。两个放大器均偏置在4.9 kA/cm2的注入电流密度下1.45mm SOA 对应 300mA，1.2mm 长 SOA 对应 237mA。对于这种注入电流，1.45mm SOA的功耗为540mW，1.2mm SOA的功耗为410mW。图4b显示了波长为1575nm时，相应的增益与输入功率的函数关系，与本实验中的材料增益峰值相对应。该结果与增益G与输入功率Pin，饱和功率Ps和小信号增益G0相关的公式一致:

1.45 mm SOA的小信号增益为27 dB，1.2 mm SOA为25 dB。通过拟合确定，1.45 mm SOA 饱和功率Ps为 17.24 dBm，1.2 mm SOA 为 16.72 dBm。原则上，两个放大器的饱和功率应该相同，因为它仅取决于波导横截面。然而，由于差异很小，因此可以通过测量精度和制造公差来解释。为了评估放大器的光带宽，我们测量了 1.2 mm 长的 SOA 的小信号增益与波长的关系。这是通过以-10 dBm的恒定输出功率将可调谐激光器的波长从1550波长扫描到1610 nm来实现的。使用OSA测量信号波长处的输出功率，并解嵌光栅耦合器的传输频谱以计算片内增益。如[19]所述，增益G与波长λ的函数可以用以下公式描述：

其中Gp是增益的峰值，λp是产生最大增益的波长，A是决定增益带宽的因子。图5a显示了电流密度为4.9 kA/cm2时的增益与波长的关系。该拟合提供 20nm 的 1dB 小信号增益带宽。当然，研究非常高输出功率下的增益也很重要。因此，我们分析了以1575nm为中心的20nm波段中1.45mm放大器的增益。1.45 mm SOA的增益与波长的关系如图5b所示。我们看到，对于3 dBm的输入功率，对应于>17 dBm的输出功率，在20 nm的跨度内，增益纹波小于1 dB。此外，输入功率-12.5 dBm时的增益纹波相似。

图4 （a） 三种不同SOA长度的片上输出功率与输入功率的函数关系。（b） 三个不同长度的SOA的片上光输入功率的增益函数。点是测量值，线是拟合。

图5 （a） 电流密度为4.9 kA/cm2时，1.2mm长SOA，小信号增益与的波长关系。圆圈为测量值，线为拟合曲线（b） 注入电流为4.9 kA/cm2时，1.45 mm 长的 SOA，片上增益与波长的关系。在3.5 dBm片上输入功率和−12.5 dBm片上光输入功率下测量增益。

图1b所示的光学模式的无源损耗和图1d所示的锥度可以通过执行削减测量来确定，而放大器在透明电流密度下偏置。在透明电流下，量子阱既不吸收也不放大，因此任何测量的损耗都是由无源波导层引起的（包括自由载流子损耗）。为了测量放大器的透明电流密度，使用了[20]中描述的方法。该方法依赖于测量放大器在恒定电流下工作时的压降。如果我们用可调谐激光器的调制输出注入放大器，放大器两端的压降也会被调制。如果使用锁相放大器检测放大器两端的压降调制，则还可以测量相位。如果扫描波长或注入电流，则给定波长和电流的调制将改变符号。这发生在透明状态下，因为此时调制的激光输出不会影响载流子密度或放大器上的压降。

图 6所有5 个不同长度的 SOA 的透明度电流密度测量与波长的函数关系

确定了所有 5 个 SOA 的透明电流密度。结果绘制为图6中波长的函数。从图中可以看出，透明电流密度略有变化，但与放大器的长度无关。在以前的SOA设计中，我们发现锥度引入了大量的表面复合，并且透明电流密度取决于放大器与锥度长度的比值。由此我们得出结论，具有更宽量子阱的锥形设计减少了这个问题。

使用图6所示放大器的透明度电流，可以通过削减测量来确定放大器的无源损耗。我们发现硅基 III-V 波导损耗为 18 cm-1在1575 nm波长下，每个锥度的锥度损耗约为0.5 dB。

最后，我们使用[21] [22]中详述的光学方法估计片上噪声系数（NF）。我们选择评估片上NF而不是外部NF，因为放大器是为在光子电路中实现而设计的，而不是作为单独的封装器件。然而，如果使用低损耗边沿耦合器，则可以设想放大器的使用方式与[14]中所示的类似。为了确定 NF，我们使用 OSA 来测量给定输入功率的 ASE。一旦在波段 B0片上功率PASE中与片上增益G一起确定，片上NF可以使用以下公式确定：

其中h是普朗克常数，ν是光子频率。我们发现，对于高输入功率（片上>0dBm），1.45mm和1.2mm SOA的噪声系数约为9 dB。这是使用4.9 kA/cm2的注入电流测量的，对应于1.45 mm SOA的237 mA和1.2 mm SOA的175 mA。当输入功率低于-15 dBm（片内）时，两个器件的噪声系数都小于8 dB。两个噪声系数都是针对1575nm的输入波长确定的。该NF与高增益硅基III-V放大器的片内噪声系数（>10 dB）相当，但低于[14]。

4. 结论

总之，我们展示了一种硅基III-V-SOA，其小信号增益为27 dB，增益饱和功率约为17.24 dBm。记录的波导耦合输出功率为17.5 dBm，功耗为540 mW。这种类型的SOA可以与先进的激光源集成，例如使用相同外延材料在同一PIC上的高速直接调制激光器。因此，该器件可用于需要高光输出功率的多种应用，包括高速光收发器、微波光子系统和光波束成形应用。

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天津见合八方光电科技有限公司（http://tj.jhbf.cc），是一家专注半导体光放大器SOA研发和生产的高科技企业，目前已推出多款半导体光放大器SOA产品（1060nm, 1310nm, 1550nm），公司已建立了万级超净间实验室，拥有较为全面的光芯片的生产加工、测试和封装设备，并具有光芯片的混合集成微封装能力。目前公司正在进行小型SOA器件、DFB+SOA的混合集成器件、可见光波长SOA器件、大功率SOA器件的研发工作，并可对外承接各种光电器件测试、封装和加工服务。