OFC 2021: IMEC实现O波段60Gb/s的GeSi电吸收调制器

OFC 2021最近刚刚闭幕，小豆芽会陆续介绍一些相关领域的最新进展。这篇笔记介绍下IMEC在GeSi电吸收调制器方面的进展。

GeSi电吸收调制器通常分为两种类型，如下图所示，

（图片来自文献1）

两种类型分别对应两种不同的物理效应，即Franz-Keldysh效应(以下简称FK效应)和Quantum confined stark effect(以下简称QCSE效应)。FK效应主要针对体块材料，其能带在外加电场的作用下发生倾斜，导致材料吸收带边的移动，如下图所示。原本无法被吸收的光子，在能带倾斜后，可以被材料吸收。关于FC效应的原理，可以参看这篇笔记GeSi/Ge电吸收调制器。

（图片来自文献2）

基于FC效应的GeSi调制器采用PIN结构，与Ge探测器结构类似。光通过多晶硅耦合到Ge层，Ge波导的尺寸为40u*0.6u，厚度为300-350nm。器件工作在反偏模式下，其3dB带宽可以达到50GHz。需要强调的是，FC效应的工作波长与带隙(Ge, 0.66eV)对应的波长接近，所以常见的FC型电吸收调制器工作波长在C和L波段，这一点限制了其在数据中心的应用。

QCSE效应基于量子阱结构，可以较好地解决O波段工作波长的问题。其工作原理如下图所示。QCSE效应也是能带结构在外加电场的作用下发生倾斜，使得吸收带边发生移动，导致能量小于带隙的光子也可以被材料吸收。与FC效应唯一的区别在于, QCSE效应采用了量子阱(quantum well)结构, 其带隙不受体块材料的限制，更加灵活。因此通过设计量子阱的膜层结构，可以使得GeSi电吸收调制器的工作波长调整到O波段。

(图片来自https://www.photonics.intec.ugent.be/download/phd_presentation_234.pdf)

IMEC在OFC 2021报道的GeSi调制器，正是基于QCSE效应。其截面如下图所示，采用垂直方向的PIN结构，Ge外延层为多层量子阱结构，加工相对比较复杂，要考虑到应力以及带隙的需求。整个调制器的尺寸为2um*40um。

（图片来自文献4）

在SOI层上生长多层量子阱结构，具体的膜层厚度如下表所示，

（表格来自文献1）

GeSi调制器的DC测试结果如下图所示。-1.5V时的暗电流为0.2uA, 1310nm的插损为7.6dB, ER为5.2dB. 插损还是非常大的，有待进一步的优化。

（图片来自文献4）

其高速测试结果如下图所示。3dB带宽为50GHz, 60Gb/s时的ER为2.5dB, 信噪比为3.67。

（图片来自文献4）

文中还罗列了GeSi调制器的已报道结果，如下表所示。

相比于其他研究组的结果，IMEC首次实现了1310nm工作波长下的高速GeSi调制器，但是其插损达到了7.6dB。尽管器件尺寸小（40um*10um），但如此大的插损会限制其在大规模集成光路中的应用。其难点在量子阱结构的加工上，相信IMEC后续会继续优化相关工艺，降低损耗。

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参考文献：

1. A. Rahlm, et.al., "Taking silicon photonics modulators to a higher performance level: state-of-the-art and a review of new technologies", Advanced Photonics 3, 024003 (2021）
2. J. Liu, "Monolithically integrated Ge-on-Si active photonics", Photonics 1, 162 (2014)
3. M. Pantouvaki, et.al., "Active Components for 50 Gb/s NRZ-OOK Optical Interconnects in a Silicon Photonics Platform", Journal of Lightwave Technology, 35, 631(2017）
4. S. Srinivasan, et.al., "60Gb/s waveguide-coupled O-band GeSi quantum-confined Stark effect electro-absorption modulator", OFC 2021