EML غير المبرد في الوحدات الضوئية

تجري شركة NTT أبحاثًا حول أجهزة الليزر المعدلة بالامتصاص الكهربائي (EMLs) غير المبردة لبعض الوقت. يوضح الرسم التخطيطي أدناه تصنيع 1.55 ميكرومتر InGaAlAs EML. بالمقارنة مع InGaAsP، يُظهر InGaAlAs ثباتًا أفضل في درجة الحرارة. يبلغ طول ليزر التغذية المرتدة الموزعة (DFB) ومُعدِّل الامتصاص الكهربائي (EAM) 450 ميكرومترًا و150 ميكرومترًا، على التوالي، مع وجود فجوة عزل تبلغ 50 ميكرومترًا. تضمن عملية المفصل المحسوب كفاءة اقتران بصري محسوبة تبلغ حوالي 98% بين صمام ثنائي الليزر (LD) وEAM. والجدير بالذكر أنه يتم فصل الطول الموجي لليزر عن عمد من ذروة التلألؤ الضوئي (PL) ليتناسب مع ذروة PL عند 85 درجة مئوية.

ولتحقيق نسبة انقراض عالية في درجات الحرارة المنخفضة، يشتمل هيكل البئر الكمية المتعددة (MQW) EAM على 12 بئرًا كميًا متوترًا. يبلغ عرض الدليل الموجي EAM 1.5 ميكرومتر لتقليل السعة الطفيلية، ويتم استخدام رابطة BCB (بنزو سيكلو بيوتين) لقمع الحث الطفيلي عن طريق تقليل طول السلك. عند -15 درجة مئوية، يكون الطول الموجي DFB 1541.8 نانومتر، بينما عند 80 درجة مئوية، يتحول إلى 1551.5 نانومتر مع حساسية درجة حرارة 0.1 نانومتر/درجة مئوية. يتم تحقيق طاقة خرج بصرية تبلغ 10 ميجاوات عند 80 درجة مئوية. تتجاوز نسبة الإشارة إلى الانقراض الثابتة (SER) 13.5 ديسيبل، ومع زيادة درجة حرارة التشغيل، تتحسن نسبة الانقراض بسبب انخفاض Δ . مع تيار LD يبلغ 100 مللي أمبير وجهد متحيز (Vb) يبلغ -2.5 فولت، يتم تحقيق عرض نطاق يتجاوز 39 جيجا هرتز.

يظهر اعتماد درجة الحرارة لـ Vb في الرسم البياني، حيث تظهر قيم Vb تباينًا خطيًا تقريبًا مع درجة الحرارة. عند -15 درجة مئوية، و25 درجة مئوية، و45 درجة مئوية، و80 درجة مئوية، تكون معلمات التغريد المقاسة عند نقاط Vb المختلفة 0.61، و0.41، و0.48، و-0.11، على التوالي.

يتيح تصميم EML هذا نقلًا خاليًا من الأخطاء بسرعة 40 جيجابت/ثانية عبر جميع درجات الحرارة. من خلال ضبط جهد التحيز لمشكل EA للحفاظ على تأرجح جهد ثابت، يتم تحقيق إرسال ألياف أحادية الوضع (SMF) بطول 2 كم مع فقد طاقة أقل من 2 ديسيبل وER ديناميكي يتجاوز 8.2 ديسيبل. يمثل هذا الإنجاز أول استخدام لقواعد الإدارة الأساسية لنقل بسرعة 40 جيجابت / ثانية لمسافة 2 كم عبر نطاق واسع من درجات الحرارة في ذلك الوقت.

تواجه EMLs غير المبردة تحديات تتعلق بحساسية درجة حرارة مُعدِّل الامتصاص الكهربائي (EAM). أجرت NTT مزيدًا من التحليل في عام 2010. في قسم الليزر، تستخدم الطبقة النشطة لـ DFB أيضًا InGaAlAs. يقارن الرسم البياني أدناه تأثير عدد البئر على طاقة الخرج عند درجات حرارة مختلفة، ويكشف أن هيكل الآبار الكمية المتعددة (MQW) المكون من 6 بئر يحقق أعلى طاقة مخرجة. في ظل حالة 6 بئر، فإن تغيير قيمة dEc (250 و180 و125 ميغا فولت) يتوافق مع الأطوال الموجية لطبقة الحاجز البالغة 1.1 و1.2 و1.3 ميكرومتر على التوالي. مع زيادة dEc، يتم تقوية حبس الموجة الحاملة، مما يؤدي إلى قمع تجاوز الناقل عند درجات حرارة عالية. تعد قيمة dEc التي تتجاوز 250 ميجا فولت مناسبة لتحقيق طاقة خرج عالية في درجات حرارة مرتفعة.

فيما يتعلق بقسم EAM، فإن تحقيق نسبة انقراض عالية ومعلمات غرد منخفضة على نطاق واسع من درجات الحرارة يتضمن في المقام الأول النظر في تفكيك الطول الموجي بين طول موجة ليزر DFB وذروة امتصاص EA. عادة، تبلغ حساسية درجة الحرارة لطول موجة الليزر 0.1 نانومتر/درجة مئوية، في حين تبلغ حساسية ذروة الامتصاص حوالي 0.7-0.8 نانومتر/درجة مئوية، مما يؤدي إلى حساسية إجمالية تبلغ حوالي 0.6 نانومتر/درجة مئوية. لتمكين التشغيل بدرجة حرارة واسعة، يبلغ الطول الموجي للتفجير الخاص بـ EAM 60 نانومتر عند 100 درجة مئوية وحوالي 140 نانومتر عند -25 درجة مئوية. لتحقيق نسبة انقراض كافية، تم تصميم هيكل EAM MQW بـ 12 زوجًا. يؤدي تحديد dEc بحوالي 150 ميجا فولت واستخدام الطول الموجي لطبقة حاجز يبلغ 1.15 ميكرومتر إلى ضمان نسبة انقراض عالية والحد الأدنى من التغريد. سلالة حاجز البئر هي -0.8% و0.1% على التوالي.

عرض النطاق الترددي 3 ديسيبل لأطوال EAM البالغة 150 ميكرومتر و200 ميكرومتر هو 39 جيجا هرتز و25 جيجا هرتز، على التوالي. في درجات حرارة مختلفة، يعمل EML بحجم 150 ميكرومتر بفولتية متحيزة متفاوتة من -30 درجة مئوية إلى 100 درجة مئوية. عبر جميع درجات الحرارة، تتجاوز نسبة الانقراض الديناميكي 8.2 ديسيبل لـ 40 جيجابت/ثانية، ويظل فقدان الطاقة في نقل الألياف أحادية الوضع (SMF) بسرعة 40 جيجابت/ثانية 2 كم أقل من 2 ديسيبل.

في عام 2022، أظهرت HHI نظام PAM200 EML غير مبرد بسرعة 4 جيجابت/ثانية يعمل من 20 درجة مئوية إلى 85 درجة مئوية. يدمج هذا الجهاز DFB، وEAM، ومضخم الصوت البصري لأشباه الموصلات (SOA)، وكلها تشترك في نفس طبقة MQW. يشتمل الجهاز على ليزر DFB 350 ميكرومتر، وEAM 80 ميكرومتر، وSOA 150 ميكرومتر، وكلها تستخدم هياكل الدليل الموجي للتلال. من خلال الاستفادة من أجهزة InGaAlAs MQW، فإنها تحقق تشغيلًا بدرجة حرارة عالية مع مقاومة عزل متبادلة تتجاوز 100 كيلو أوم.

طوال نطاق درجة الحرارة، يحافظ الجهاز على نسبة كبت مشروطة عالية (> 40 ديسيبل). وبينما تنخفض نسبة الانقراض عند درجات الحرارة المنخفضة، يظل عرض النطاق الترددي 3 ديسيبل مرتفعًا. تتراوح نقطة تحيز EAM النموذجية من -2.2 فولت إلى -0.7 فولت عبر نطاق درجة الحرارة بأكمله. عند 20 درجة مئوية، يتجاوز عرض النطاق الترددي 67 جيجا هرتز، بينما عند 85 درجة مئوية، يصل إلى 34 جيجا هرتز.

قامت Broadcom بتطوير دليل موجي هجين، EML عالي الطاقة غير مبرد في عام 2023. يستخدم ليزر DFB بنية دليل موجي CMBH مع طبقة محسنة لحجب التيار لتقليل التسرب. يدعم عدم التبريد ومصمم لقنوات CWDM (1270، 1290، 1310، 1330 نانومتر). يتميز مُعدِّل EAM بدليل موجي من التلال لتقليل السعة الطفيلية. تقلل أدلة الموجات المستدقة السلبية من خسائر الاقتران وتوفر عزلًا كهربائيًا بين الليزر والمغير. يتم استخدام عازل كهربائي منخفض أسفل اللوحة المعدنية للمُعدِّل لتقليل السعة الطفيلية.

تم إجراء الاختبار عند 20 درجة مئوية و70 درجة مئوية. عبر هذا النطاق من درجات الحرارة، حققت جميع القنوات طاقة خرج أكبر من 10 ديسيبل ميلي واط مع تيار ليزر يبلغ 100 مللي أمبير. ونظرًا لطبقات حجب التيار المحسّنة، يظل انخفاض LI للجهاز أقل من 120 مللي أمبير حتى عند 70 درجة مئوية. كانت ذروة ومتوسط ​​الضوضاء النسبية (RIN) لجميع القنوات أقل من -150 ديسيبل/هرتز و-155 ديسيبل/هرتز على التوالي.

بالنسبة لـ COCs (الشريحة على الناقل)، يعد التحكم في الحث أمرًا بالغ الأهمية لزيادة عرض النطاق الترددي. يتم استخدام الترابط بسلكين لتقليل الحث بين آثار الإشارة ولوحة المغير. في جميع درجات الحرارة، S11 < 4.8 ديسيبل، ويتجاوز EO-BW 60 جيجا هرتز.

كشف الاختبار عند 112.5 جيجابايت (225 جيجابايت/ثانية) PAM4@1.1Vpp أن جميع القنوات الأربع أظهرت مخططات للعين قبل وبعد التوازن الحراري عند 20 درجة مئوية و70 درجة مئوية. وكان TDECQ أقل من 2 ديسيبل، وكان ER 4 ديسيبل. حتى عند درجة حرارة 70 درجة مئوية، تجاوزت طاقة خرج الشريحة 7 ديسيبل مللي واط، مما يتيح نقل الألياف بطول 2 كيلومتر.

باختصار، يتطلب تحقيق EML غير المبرد تصميمًا مدروسًا للمواد. يجب أن تكون أشعة الليزر DFB التي تستخدم InGaAlAs غير متطابقة مع الطول الموجي لذروة PL، مما يضمن الحد الأدنى من تدهور الطاقة عند درجات الحرارة المرتفعة. يجب أن يشتمل تصميم EAM على حواجز الطاقة للحفاظ على نسبة انقراض عالية حتى في درجات الحرارة المرتفعة، وغالبًا ما يتم استخدام عوائق متعددة. وتظل مبادئ التصميم عالي التردد، مثل الأدلة الموجية الضيقة والمواد العازلة للكهرباء المنخفضة، ذات صلة.