惠普实验室的DWDM硅光平台

这篇笔记介绍下惠普实验室的硅光平台，方便大家参考。

惠普实验室(Hewlett Packard Labs, 以下简称HPL)的硅光平台，主要特色是异质集成了InAs/GaAs材料，既实现了片上的量子点频率梳激光器，也实现了MOSCAP型调制器，其主要工艺步骤如下图所示，

（图片来自文献1）

首先(a)在SOI晶圆上部分区域进行重掺杂，用于后续调制器和探测器的金属接触。接着(b)外延生长本征Si和Ge，用于形成SiGe-APD。进而进行硅波导的刻蚀，形成所需的无源光器件(c)。接着将III-V材料通过晶圆键合(wafer-bonding)的方式贴到SOI晶圆上(d)，并对III-V层的台面进行刻蚀(e和f)，形成所需的量子点结构和MOSCAP结构，最后进行金属层的加工(g)。

该硅光平台主要涉及以下几个核心光器件，

1) 多波长量子点激光器

相较于传统异质集成的III-V量子阱(QW)激光器，量子点激光器具有较好的高温稳定性、低阈值电流密度、较小的表面复合速度和较高的增益带宽积，非常适合作为光频梳的光源。HPL采用了外腔激光器的方式，在Si上刻蚀光栅结构用于形成FP腔的反射镜，增益材料为GaAs，器件结构如下图所示，

（图片来自文献2）

量子点激光器由两段微腔构成，第一个微腔由基于MMI的反射镜和SOA构成，第二个微腔由光栅耦合器、MMI反射镜构成。饱和吸收体SA的长度为180um，在此处发生四波混频。该量子点激光器的光谱如下图所示，

（图片来自文献1）

该激光器可输出22个通道，每个波长的功率在-9~-6dBm，波长间隔为62GHz。阈值电流为24.7mA, 阈值电流密度为165A/cm^2, wall-plug效率在7.5%左右。

2）MOSCAP型微环调制器

MOSCAP结构类似一个三明治结构，最底层为p掺杂的Si，中间为一层较薄的Al2O3, 最上层为n掺杂的GaAs, 如下图所示，

（图片来自文献1）

施加正偏电压后，电子空穴汇聚在GaAs/Al2O3/Si的界面处，引起硅波导中载流子浓度的变化，进而引起其折射率的变化。由于III-V材料中电子的有效质量较小、迁移率较大，因此该MOSCAP调制器的调制效率比传统的poly-Si/Ox/Si的效率高得多。HPL实际加工的MOSCAP微环调制器，Al2O3的厚度为20nm，导致调制效率不是特别高，VpiL为1V*cm，EO的3dB带宽为13-15GHz。实验结果如下图所示，半径为10um时，其带宽略高。

（图片来自文献1）

3) 无热调的DeMux

HPL采用MOSCAP相移器，对级联MZI构成的DeMux进行相位调节，MOSCAP相移器的主要优势是没有静态功耗，没有热串扰，解决了传统热调方案的功耗与热串扰的难题。具体的测试结果如下图所示，对比MOSCAP相移器工作前后的光谱，可以看出ER和相邻通道的串扰得到明显改善。唯一的缺点是插损从0.4dB增大到1dB。

（图片来自文献1）

4）GaAs量子点雪崩探测器

采用与量子点激光器类似的结构与加工流程，HPL研制了GaAs的量子点雪崩探测器，其结构如下图所示，

（图片来自文献3）

由于量子点是三维受限结构，其暗电流非常小，其-1V时的暗电流为12pA, 比传统Ge探测器的暗电流小了三个数量级，增益带宽积达到585GHz, 3dB带宽为20GHz。

5) GeSi雪崩探测器

除了量子点雪崩探测器，HPL也开发了基于GeSi的雪崩探测器。其结构如下图所示，采用vertical型的pin结构， 在n+掺杂的Si上首先生长100nm厚的本征硅，接着生长50nm厚的p- Si, 最后生长400nm的p掺杂Ge。

（图片来自文献4）

通过使用反射型的loop结构，未被完全吸收的光可以重新进入吸收区，进而提高探测器的响应率。C波段的响应率提高了1.5倍，达到1.12A/W，3dB带宽可以达到25GHz, 增益带宽积为296GHz。HPL还对这两种类型的APD在高温下的鲁棒性进行了表征。

以上述光器件为基础，HPL进一步演示了DWDM的光学link。实验是通过分立的光器件相连，而不是单颗光芯片，链路如下图所示，

（图片来自文献1）

链路中主要涉及量子点频率梳光源、MOSCAP调制器。采用253mA的注入电流，光源共产生10个DWDM波长，不同波长的功率变化为4dB, 边模抑制比为40dB。每个波长都可以得到25Gbps的眼图，典型的BER值为1e-10。光源的功率为317.2mW(只考虑一半的波长), 对应的能耗比为2.1pJ/bit。

HPL还进一步评估了整个链路的link budget与能耗比，如下表所示

从表中可以看出，采用片内的集成光源，整个链路的损耗为12.1dB，能耗比为109 fJ/bit。基于传统微环的link，其能耗比一般在5pJ/bit左右(包含电路)。

以上是对惠普实验室异质集成硅光平台的简单介绍，其主要特色是异质集成了GaAs材料，并基于此研发了量子点频率梳光源、量子点雪崩探测器和MOSCAP型调制器。MOSCAP相移器无静态功耗，可以在Mux/DeMux等器件中调节相位，取代传统的热调方式，也可以用于对光功率的监控(基于载流子浓度变化)。目前行业内并没有成熟的O波段DWDM光源，量子点频率梳光源非常适合作为DWDM系统的光源，但是还存在很多工程问题有待解决，工艺还需要进一步优化。HPL的硅光平台代表了硅光与III-V集成未来的发展方向，由于硅光链路存在较大的插损，如果可以片上集成光源与SOA, 集成光路的规模可以大幅提高。

参考文献：

1. D. Liang, et.al., "An Energy-Efficient and Bandwidth-Scalable DWDM Heterogeneous Silicon Photonics Integration Platform", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 28, 6100819(2022)
2. G. Kurczveil, et.al., "On-chip Hybrid Silicon Quantum Dot Comb Laser With 14 Error-Free Channels", in Proc. ISLC, Santa Fe, NM, USA, 2018
3. B. Tossoun, et.al., "1310 nm quantum dot waveguide avalanche photodiode heterogeneously integrated on silicon"
4. Y. Yuan, et.al, "High Responsivity Si-Ge Waveguide Avalanche Photodiodes Enhanced by Loop Reflector", IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron. 28, 3800508(2022)