半导体激光器的阈值电流计算公式 如何看待高速电吸收调制激光器

文/孙长征，杨舒涵，熊兵，王健，罗毅

北京信息科学与技术国家研究中心，清华大学电子工程系

近年来，云计算、数据中心的不断发展对短距离宽带传输的需求越来越大。云计算流量从2015年的3.9 ZB到2020年的14.1 ZB，上升了3.7倍。极大地推动着数据中心从10G/25G朝40G/100G架构的升级，也将大幅提升对高速率光模块的需求，从而推动了高速光电器件的发展。

在短距离应用中，虽然直接调制激光器(DML)具有低成本、低功耗的优势，但其调制带宽和传输距离受到张弛振荡频率和频率啁啾的限制。电吸收调制激光器(EML)集成光源具有大调制带宽、低频率啁啾的特点，相比DML，EML在啁啾效应、消光比、眼图、抖动、传输距离等性能方面具有优势，可以实现更高速率和更远距离的传输。

EML有哪些外延集成方案？

EML由分布式反馈（DFB）激光器和电吸收（EA）调制器单片集成，是发展最早、目前应用最为广泛的光子集成器件之一。EML的一个关键技术就是设法实现DFB激光器与EA调制器的波长匹配，以保证在零调制偏压状态下激光器的输出光可以基本无损地通过调制器。

为了实现波长匹配，研究人员提出了多种集成工艺方案，例如：对接生长、介质膜区域选择性外延、选择区域刻蚀、双量子阱层以及量子阱无序化等，如图1所示。例如，日本电信电话株式会社(NTT)就采用了对接生长集成方案进行EML的制作，以实现对激光器和调制器外延结构的分别优化，保证了EA调制器的低电容和高吸收以及DFB 激光器的低阈值。

图1 实现 EML 波长匹配的集成方案

为了避免多次外延，以及简化EML的制作工艺以提高器件成品率，科研人员开始考虑使用相同的外延结构制作激光器和调制器的可能性。如清华大学罗毅研究组率先独立提出同一外延层集成方案，并利用该技术实现了调制带宽大于40 GHz的集成光源。近年来，德国弗琅合费海因里希-赫兹研究所(HHI)基于同一外延层集成方案研制出一系列新型EML。

在同一外延层结构集成器件中，激光器与调制器采用相同的多量子阱材料，因此无需进行额外的外延生长，大大简化了制作工艺，从而提高了器件的成品率并降低了成本。但是，这种结构限制了对激光器与调制器量子阱结构的分别优化。因此，需要对量子阱材料与器件结构参数进行仔细的优化设计，以保证器件具有最佳的工作特性。

EML由哪些器件构成？

图2 EML结构示意图

图2为EML集成光源芯片的结构示意图，它由DFB激光器和EA调制器两部分构成。其中，DFB激光器部分采用多量子阱有源区提供增益，并利用光栅实现对激射波长的选择，以保证单模工作；EA调制器利用量子阱材料在外加电场下的量子限制Stark效应(QCSE)实现对激光器输出光的强度调制。

为了避免因EA调制器端面反射造成的光反馈对DFB激光器工作特性的影响，需要对调制器端面进行抗反镀膜。同时，为了提高 DFB 激光器的输出功率，可以在激光器端面进行高反镀膜。此外，为了避免反向偏压以及高频调制信号对激光器的影响，需要将激光器与调制器接合部的欧姆接触层和金属电极去掉，从而形成良好的电隔离。

EML研究进展如何？

因其出色的性能，EML集成光源已经在宽带接入网及数据中心光互连等领域得到了广泛应用。近年来，关于EML芯片的研究主要集中在进一步提升器件调制带宽并实现阵列化、提升器件输出光功率并降低器件功耗，以及改善器件单模工作特性等方面。

下面对日本NTT公司 、德国HHI及清华大学近年来在EML集成光源性能提升方面的代表性工作分别予以介绍。

日本NTT在高速EML光源方面的研究

日本NTT公司对基于对接生长集成工艺的EML进行了深入的研究。2011年，O波段4×25 Gbit/s EML阵列芯片被研发（如图3），其尺寸仅有2 mm×2.6 mm。该集成光源的单通道调制带宽达到20 GHz，4通道阵列芯片实现了100 Gbit/s信号的10 km单模光纤传输。

图3 4×25 GbitsEML 阵列芯片显微照片

2017年，为了提高EML的输出功率，研究人员将EML与半导体光放大器(SOA)进行单片集成，制作出如图4所示的集成光源，并对其最优的驱动方案进行了研究。

图4 EML SOA 器件结构

2017年，在器件的高速封装方面，科研人员利用倒装焊(flip-chip interconnection)解决引线连接存在的寄生参数问题。图5是EML的高频封装示意图，通过采用倒装互连结构，最终实现了调制带宽为59 GHz的EML，并实现了107 Gbit/s调制速率下2 km及10 km的单模光纤传输。

图5 EML封装结构示意图。(a)引线连接方案;(b)倒装焊方案

而在2015年，他们还提出了针对阵列芯片的封装方案，通过制作共面波导(CPW)结构的微波馈线，利用倒装焊技术连接EML阵列芯片与管壳，避免了采用引线连接时各通道间调制信号间的串扰，同时减小了引线寄生参数对器件带宽的影响，提升了器件性能，最终实现了8通道50 Gbit/s的高速调制。

德国HHI对同一外延层结构EML的研究

德国HHI对基于同一外延层集成方案的EML进行了深入的研究。EA调制器作为容性器件，需要与50 Ω的匹配电阻并联以实现阻抗匹配，从而避免微波调制信号的反射。传统的EML一般采用引线键合的方式进行匹配电阻的连接，而在EML芯片上制作集成的匹配电路可以简化封装并降低器件成本。

2013年，其研究人员集成了片上匹配电路的同一外延层结构56 Gbit/s EML芯片，如图6所示。该 EML 芯片的3 dB 调制带宽达 39.4 GHz，实现了56 Gbit/s的调制速率。

图6 含有片上匹配电路的EML芯片。(a)显微照片；(b)56 Gbit/s大信号调制眼图

2017年,德国 HHI与华为公司合作，设计并制作了如图7所示的同一外延层结构双边 EML，它由中间的DFB激光器和两端的EA调制器构成。该器件可以在同一波长获得两路独立的输出信号，通过偏振复用或者采用PAM4格式，可以使整个器件的调制速率达到112 Gbit/s。

图7 同一外延层结构双边 EML 的器件。(a)示意图；(b)显微照片

2018年，利用同一外延层集成方案的L波段EML阵列被开发，如图8所示。为了提高EML的输出功率，在EML末端集成了SOA，可实现大于8 dBm的平均输出光功率。该EML阵列各通道的调制带宽大于30 GHz，实现了56 Gbit/s的调制速率。

图8 L波段 EML SOA 阵列。(a)显微照片；(b)56 Gbit/s眼图

清华大学在增益耦合同一外延层结构EML方面的工作

含有增益耦合机制的同一外延层结构EML不但可以降低器件制作工艺复杂度，而且可以有效改善器件的单模成品率。清华大学罗毅研究组独立提出同一外延层集成方案，并结合增益耦合激光器对高性能EML进行了系统的研究，如图9。研制出的C波段EML发射模块调制带宽大于35 GHz，调制速率达到了40 Gbit/s。

图9 同一外延层结构EML芯片示意图

同时，罗毅研究团队还研究了基于同一外延层集成方案的O波段增益耦合EML阵列的激射光谱，采用反型层吸收光栅形成增益的周期性调制，从而实现增益耦合，获得了大于45 dB的边模抑制比(SMSR)。

此外，国内外其他科研机构也利用不同的集成方案开展了高速EML集成光源的研究。例如，美国加州大学圣芭芭拉分校(UCSB)Coldren研究组利用选择区域刻蚀和量子阱无序化技术研制了大功率集成光源。中国科学院半导体研究所王圩研究组利用区域选择性外延技术实现了可调谐激光器与EA调制器集成光源及其阵列芯片。

结 论

数据中心的快速发展，5G 建设的全面展开以及相关标准的建立，对短距离高速光器件的需求会越来越大。为了应对这一需求，作为短距离高速光通信的重要光源，EML还将继续朝着高速、阵列化、低功耗和低成本方向发展。虽然目前单通道EML已经可以实现59 GHz的调制带宽和100 Gbit/s的传输速率，但它的潜力仍未被充分发掘。相信随着光电子技术的进一步发展，EML的性能还将不断提高，其应用领域也会更加广阔。

本文摘编自：孙长征,杨舒涵,熊兵等.高速电吸收调制激光器研究进展[J].中国激光,2020,47(07):0701002

☆ END ☆

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