Неохлаждаемый EML в оптических модулях

NTT уже довольно давно исследует неохлаждаемые электроабсорбционно-модулированные лазеры (EML). На приведенной ниже схематической диаграмме показано изготовление InGaAlAs EML размером 1.55 мкм. По сравнению с InGaAsP InGaAlAs обладают лучшей температурной стабильностью. Лазер с распределенной обратной связью (DFB) и электроабсорбционный модулятор (EAM) имеют длину 450 мкм и 150 мкм соответственно, с изоляционным зазором 50 мкм. Процесс стыкового соединения обеспечивает расчетную эффективность оптической связи между лазерным диодом (LD) и EAM примерно 98%. Примечательно, что длина волны лазера намеренно отстроена от пика фотолюминесценции (ФЛ), чтобы соответствовать пику ФЛ при 85°C.

Для достижения высокого коэффициента затухания при низких температурах структура множественных квантовых ям EAM (MQW) включает 12 напряженных MQW. Ширина волновода EAM составляет 1.5 мкм для минимизации паразитной емкости, а связь BCB (бензоциклобутен) используется для подавления паразитной индуктивности за счет минимизации длины провода. При -15°С длина волны DFB составляет 1541.8 нм, а при 80°С она смещается до 1551.5 нм с температурной чувствительностью 0.1 нм/°С. Выходная оптическая мощность 10 мВт достигается при температуре 80°C. Статическое отношение сигнал/затухание (SER) превышает 13.5 дБ, а по мере увеличения рабочей температуры коэффициент затухания улучшается за счет уменьшения Δλ. При токе ЛД 100 мА и напряжении смещения (Vb) -2.5 В реализуется полоса пропускания, превышающая 39 ГГц.

Температурная зависимость Vb показана на графике, где значения Vb практически линейно изменяются с температурой. При -15°С, 25°С, 45°С и 80°С измеренные параметры чирпа в различных точках Vb составляют 0.61, 0.41, 0.48 и -0.11 соответственно.

Такая конструкция EML обеспечивает безошибочную передачу данных со скоростью 40 Гбит/с при любых температурах. Регулируя напряжение смещения модулятора EA для поддержания постоянного колебания напряжения, достигается передача по одномодовому оптоволоконному кабелю (SMF) длиной 2 км с потерями мощности менее 2 дБ и динамическим ER, превышающим 8.2 дБ. Это достижение ознаменовало первое на то время использование EML для передачи данных со скоростью 40 Гбит/с на расстояние 2 км в широком диапазоне температур.

Неохлаждаемые EML сталкиваются с проблемами, связанными с температурной чувствительностью электроабсорбционного модулятора (EAM). NTT провела дальнейший анализ в 2010 году. В лазерной секции активный слой DFB также использует InGaAlAs. На графике ниже сравнивается влияние количества лунок на выходную мощность при различных температурах, показывая, что структура с множественными квантовыми ямами (MQW) с 6 лунками обеспечивает наибольшую выходную мощность. В условиях 6-лун изменение значения dEc (250, 180 и 125 мэВ) соответствует длинам волн запрещенной зоны барьерного слоя 1.1, 1.2 и 1.3 мкм соответственно. По мере увеличения dEc удержание носителей усиливается, подавляя переток носителей при высоких температурах. Значение dEc, превышающее 250 мэВ, подходит для достижения высокой выходной мощности при повышенных температурах.

Что касается секции EAM, то достижение высокого коэффициента затухания и низких параметров чирпа в широком диапазоне температур в первую очередь предполагает учет расстройки длины волны между длиной волны DFB-лазера и пиком поглощения EA. Обычно температурная чувствительность длины волны лазера составляет 0.1 нм/°C, а чувствительность пика поглощения составляет примерно 0.7–0.8 нм/°C, в результате чего общая чувствительность составляет около 0.6 нм/°C. Чтобы обеспечить работу в широком диапазоне температур, длина волны расстройки EAM составляет 60 нм при 100°C и примерно 140 нм при -25°C. Для достижения достаточного коэффициента затухания структура EAM MQW спроектирована с 12 парами. Установка dEc около 150 мэВ и использование длины волны запрещенной зоны барьерного слоя 1.15 мкм обеспечивает как высокий коэффициент затухания, так и минимальный чирп. Барьерная деформация скважины составляет -0.8% и 0.1% соответственно.

Полоса пропускания 3 дБ для EAM длиной 150 мкм и 200 мкм составляет 39 ГГц и 25 ГГц соответственно. При различных температурах ЭМЛ 150 мкм работает с переменным напряжением смещения от -30°C до 100°C. При всех температурах коэффициент динамического затухания превышает 8.2 дБ для скорости 40 Гбит/с, а потери мощности при передаче по одномодовому оптоволоконному кабелю (SMF) со скоростью 40 Гбит/с на расстояние 2 км остаются ниже 2 дБ.

В 2022 году HHI продемонстрировала неохлаждаемый PAM200 EML 4 Гбит/с, работающий при температуре от 20 до 85 °C. Это устройство объединяет DFB, EAM и полупроводниковый оптический усилитель (SOA), использующие один и тот же уровень MQW. Устройство включает в себя DFB-лазер с длиной волны 350 мкм, EAM с длиной волны 80 мкм и SOA с длиной волны 150 мкм, причем все они используют гребневые волноводные структуры. Используя MQW InGaAlAs, он обеспечивает работу при высоких температурах с сопротивлением взаимной изоляции, превышающим 100 кОм.

Во всем температурном диапазоне устройство сохраняет высокий коэффициент модального подавления (>40 дБ). Хотя коэффициент затухания снижается при низких температурах, полоса пропускания 3 дБ остается высокой. Типичная точка смещения EAM варьируется от -2.2 В до -0.7 В во всем диапазоне температур. При 20°C полоса пропускания превышает 67 ГГц, а при 85°C достигает 34 ГГц.

В 2023 году Broadcom разработала гибридный волновод, неохлаждаемый мощный EML. В лазере DFB используется структура волновода CMBH с оптимизированным слоем блокировки тока для уменьшения утечки. Он поддерживает неохлаждение и предназначен для каналов CWDM (1270, 1290, 1310 и 1330 нм). Модулятор EAM оснащен ребристым волноводом для минимизации паразитной емкости. Пассивные конические волноводы уменьшают потери связи и обеспечивают электрическую изоляцию между лазером и модулятором. Под металлической площадкой модулятора используется диэлектрик с низким κ, чтобы минимизировать паразитную емкость.

Тестирование проводилось при 20°C и 70°C. В этом диапазоне температур все каналы достигли выходной мощности более 10 дБм при токе лазера 100 мА. Благодаря оптимизированным слоям блокировки тока спад LI устройства остается ниже 120 мА даже при 70°C. Пиковая и средняя относительная интенсивность шума (RIN) для всех каналов были ниже -150 дБ/Гц и -155 дБ/Гц соответственно.

Для COC (чип-на-носителе) контроль индуктивности имеет решающее значение для максимизации полосы пропускания. Двухпроводное соединение используется для уменьшения индуктивности между сигнальными дорожками и контактной площадкой модулятора. При всех температурах S11 < 4.8 дБ, а EO-BW превышает 60 ГГц.

Тестирование на скорости 112.5 ГБбод (225 Гбит/с) PAM4@1.1Vpp показало, что все четыре канала имели глазковые диаграммы до и после теплового баланса при 20°C и 70°C. TDECQ был ниже 2 дБ, а ER — 4 дБ. Даже при температуре 70°C выходная мощность чипа превышала 7 дБм, обеспечивая передачу по оптоволокну на расстояние 2 км.

Таким образом, достижение неохлаждаемого EML требует продуманного дизайна материала. DFB-лазеры, использующие InGaAlAs, должны иметь несовпадение длины волны с пиком ФЛ, обеспечивая минимальную деградацию мощности при высоких температурах. Конструкция EAM должна включать энергетические барьеры для поддержания высокого коэффициента гашения даже при повышенных температурах, часто с использованием нескольких препятствий. Принципы высокочастотного проектирования, такие как узкие волноводы и материалы с низкой диэлектрической проницаемостью, остаются актуальными.