微波互作用测量与等效电路模型构建

电子科学与技术学报20（2022）100179集成分布反馈半导体激光器与电吸收调制器微波互作用的测量与表征Fei Yuan，Chao Jing，Meng-Ke Wang，Shang-Jian Zhang*，Zhi-Yao Zhang，Yong Liu电子科技大学光电科学与工程学院，成都，611731A R T I C L EI N FO出版编辑：何保留字：分布反馈半导体激光器电吸收调制器等效电路模型微波相互作用散射参数A B S T R A C T集成电吸收调制分布反馈半导体激光器（EML）由于具有结构紧凑、功耗低、调制速度快等在集成EML中，分布反馈半导体激光器（DFB-LD）与电吸收调制器（EAM）之间的微波相互作用对调制性能有不可忽视的影响，特别是在高频区。本文将集成电磁激光器看作是一个具有两个电输入和一个光输出的三端口网络，从理论上推导了集成器件的散射矩阵，并进行了实验测量。基于理论模型和实测数据，建立了该集成器件的微波等效电路模型，成功地提取了DFB-LD与EAM之间的微波相互作用结果表明，集成EML中的微波相互作用既有电隔离又有光耦合。该器件的电隔离是双向的，而光耦合是定向的，这使得微波互作用的方向从DFB-LD到EAM。1. 介绍高密度和成本效益的光子集成电路（PIC）被认为是未来高性能计算机和微处理器的有希望的候选者[1，2]。集成电吸收调制分布反馈激光二极管（EML）被认为是这些应用中的可靠光源，因为它们具有许多优点，例如结构紧凑，功耗低，以及高速调制能力[3，4]。在过去的几十年中，大多数有源光子器件都是在III-V单片集成平台上制造的[3]。最近，硅光子集成技术已被证明具有可扩展性，可扩展到大衬底（今天高达450 mm），并与互补金属氧化物半导体（CMOS）制造兼容[5]。特别是，异质III-V族硅集成允许通过将不同的III-V族材料集成到单个硅衬底上来实现芯片级分布式反馈激光二极管（DFB-LD）、电吸收调制器（EAM）和正-本征-负（PIN）光电二极管的解决方案，这使得在一个晶片上实现用于不同应用的多功能组件[6- 8 ]。在集成EML中，正向偏置DFB-LD和反向偏置EAM之间的适当隔离是必不可少的[4，9，10]。低的电隔离度会导致阈值电流的增加和输出功率的降低，* 通讯作者。电子邮件地址：yuanfei_1988@163.com（F. Yuan），jing_chao_wy@163.com（C. Jing），mkwanguestc@163.com（M.- K. Wang），sjzhang@uestc. edu.cn（S.- J. Zhang），zhangzhiyao@uestc.edu.cn（Z.- Y. 张），yongliu@uestc.edu.cn（Y. Liu）.https://doi.org/10.1016/j.jnlest.2022.100179接收日期：2021年2月17日;接收日期：2021年3月2日;接受日期：2022年11月28日2022年12月5日在线发布1674- 862 X/©2022电子科技大学。Elsevier B. V.代表KeAi Communications Co. Ltd.提供的出版服务。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表电子科学与技术学报期刊主页：www.keaipublishing.com/en/journals/journal-of-electronic-science-and-technologyF. Yuan等人电子科学与技术学报20（2022）10017922SSS2SSS¼64SSSI76½S11M21¼p0mejα的03035 42275光的反射和耦合将影响激光特性[9此外，小的隔离电阻可能会导致DFB-LD在高频区域的相对较大的不必要的附加调制[11- 13 ]。因此，建立一个综合性的集成EML模型，有利于设计高性能的集成EML。本文提出了一种表征集成EML的模型，并进行了实验验证。 集成EML是一种具有两个电输入端口和一个光输出端口的电-电-光集成器件，并根据DFB-LD和EAM之间的电-光和电-电散射矩阵进行了表征。 基于所提出的理论模型和实测数据，建立了集成EML的高频等效电路模型，该模型可用于精确提取DFB-LD与EAM之间的微波相互作用。2. 方法图图1（a）和（b）分别显示了EAM和集成EML的示意图。从调制的角度来看，EAM有两个端口，包括电输入端口和光输出端口。对于集成EML，有三个端口，即， 两个电输入端口和单个光输出端口。如图在图1（a）中，EAM在其输入端口（端口1）处使用电信号来线性调制输入光波的强度（功率）。光端口（端口2）处的瞬时输出光功率可以写为[14]。0.1mR e.ejωtα（1）其中p0是平均光功率，m是调制指数，α是调制包络的相位，ω是微波信号的角频率，t是调制时间根据光端口处的光功率p（t）以及电端口处的入射波a和反射波b，EAM的散射矩阵可以表示为[14]。“SM0#b1=a，10S0其中下标1和2分别表示电端口和光在集成EML中，DFB-LD通常被偏置在正向电流并保持在连续波工作，EAM被偏置在反向电压并由高频微波信号调制此外，集成器件还可以在DFB-LD部分直接调制下工作因此，集成EML可以看作是一个具有两个电输入端口和一个光输出端口的电-电-光三端口网络，如图1所示。 1（b）. 类似于上述推导，积分EML可以由散射矩阵X描述为我我我11 12 13SS我我11 12S我我我2122我我3132我我232133（3）第一章我32其中S11和S31分别主要来自EAM的反射系数和调制响应;同样，S22和S32来自DFB-LD;S12和S21表示两个电端口的传输系数，代表DFB-LD和EAM之间的微波3. 实验描述图图2示出了测试中的集成EML芯片，其安装在具有三个共面电极的AlN基板上。其中一个电极直接与集成芯片的底部接触连接，另外两个电极通过键合线连接到DFB-LD和EAM的顶部信号电极EAM部分的共面电极与50 Ω薄膜电阻器相连，以实现阻抗匹配。在测量中，矢量网络分析仪（HP 8720D）在同轴环境下通过使用HP85052D 3.5 mm校准标准[15，16]的短路开路负载通过（SOLT）校准技术进行校准。样品的测试端口是非同轴的，不能用校准的网络分析仪直接测量因此，测试固定用于调整同轴Fig. 1. （a）EAM和（b）综合EML示意图。SS31S0公司简介（二）我F. Yuan等人电子科学与技术学报20（2022）1001793图二. 受试集成EML的配置。连接器连接到共面电极。测量了DFB LD在70 mA偏置时EAM的散射参数S11和S31在这种情况下，使用晶片上共面微波探针（来自Cascade Microtech Inc.的ACP 40-GS-200）和45 GHz光电二极管模块（New Focus Model 1014）分别用作测试固定器和光接收器。探头可以通过使用扩展的开路短路负载（OSL）方法和级联103-736校准套件进行校准接收器在频率测量范围内具有较低的频率响应，其误差因子可以忽略不计[16]。分别在0 V和1 V的偏置电压下进行测量为了测量DFB-LD，使用ACP 40-SG-200微波探头接收器和以前一样实验过程类似于测量EAM的过程。唯一的区别是没有电压施加到EAM。在70 mA的偏置电流下测量了DFB-LD S22和S32的散射参数。至于散射参数S12和S21，由于两个电端口，光接收器是不必要的相反，一对共面探针（即，ACP 40-GS-200和ACP 40-SG-200）。在这种情况下，网络分析仪可以直接校准在共面环境下使用SOLT校准技术与级联103-736校准套件。校准后，当DFB-LD偏置为70 mA时，得到了反向电压为0 V和1V时的S12和S21。4. 建模与讨论为了研究DFB LD与EAM之间的微波互作用，建立了集成EML的等效电路模型。由于热沉和键合线会带来寄生效应，在对DFB-LD和EAM的高频特性进行建模时，必须考虑外部寄生网络的寄生网络通常由封装寄生电路和芯片寄生电路组成 封装寄生电路涉及基板和键合线，其由焊盘电容、串联电感及其电阻表示。 芯片寄生电路与光电芯片的接触电容和电阻相关[17]。DFB-LD和EAM都可以看作是由寄生网络和本征器件组成的级联网络本征DFB-LD通常由并联电阻-电感-电容（RLC）电路建模，如图所示。3 [16，17]. 弛豫振荡是总电容Ct和电感Lx之间的谐振，代表载流子和光子之间的能量交换。共振阻尼由电阻R1和R2决定。同时，本征EAM是一个典型的并联阻容（RC）电路，如图所示。其中R o和C J分别是器件结电阻和电容。电阻器Rs是器件的串联电阻，包括电极处的欧姆接触电阻和掺杂半导体层中的体电阻[18]。本征DFB-LD具有非常小的输入阻抗，在高于阈值的偏置条件下可以被认为是短路[19]。因此，根据测量的反射系数S22可以提取DFB-LD的寄生网络。在确定了寄生网络后，通过将DFB-LD模型与实测的S32拟合，可以方便地依次得到DFB-LD的本征电路元件。对于EAM，由于其高阻抗特性，必须同时提取所有元素值这样，DFB-LD和EAM的行为被独立地描述将DFB-LD与EAM电路相结合，得到了集成EML的基本模型然而，该模型是不完美的，因为代表DFB-LD和EAM之间的微波相互作用的电路没有被考虑。通常，在器件的制造和封装过程中必须保持适当的电绝缘。电隔离可以是图三. 建立了集成EML的等效电路模型，其中受控电流源和Rm与Cm并联表示微波相互作用。F. Yuan等人电子科学与技术学报20（2022）1001794见图4。 测量（标记）和模拟（线）S11和S22。由电阻和电容的并联表示这两个元素可以从测量的S12中获得。在确定电隔离之后，对于互易网络，模拟的S21和S12是相同的然而，在实验中并非如此，这表明除了电相互作用之外，还可能存在光学相互作用。 从DFB-LD到EAM的光耦合吸收来自激光器的调制光功率，并在调制器的电端口处产生附加调制。在该模型中，光耦合由与偏置电流和电压相关的受控电流源表示，并且受控电流源的参数从测量的S21提取。所有测得的散射参数如图1和2所示。图4至图6示出了根据本发明的实施例的系统，其中对应的模拟结果被示出为：实线。为方便起见，电路元件的值在表1中列出。利用先进的设计系统Keysight ADS进行仿真，通过迭代得到参数值值得注意的是，DFB-LD和EAM的一些元件，这是以前确定的，需要进行调整和优化时，应用最终模拟集成EML与不可忽略的如图如图5和图6所示，由于电吸收效率不同，EAM的反射系数和透射系数随反向偏压而变化，导致电路模型中不同偏压下的Ro不同。从图1中的模拟和测量结果来看， 6，可以看出，在微波相互作用中包括光耦合是必要的。此外，还发现DFB-LD和EAM之间的电隔离是双向的，而DFB-LD和EAM之间的光耦合是定向的，这使得S12和S21不同。在低频调制时，由于DFB-LD的高调制效率，S12的幅度高于S21的幅度。随着调制频率的增加，S12和S21逐渐接近 这是因为DFB-LD的调制效率在谐振频率之后迅速下降。在这种情况下，电隔离成为微波相互作用的主要贡献。表1参数列表。参数值DFB-LDCP28.5 fFLp0.34 nHRp0.87ΩCs0.55 pF俄.西3.48ΩCt52.5 pFR10.74ΩLx7 PHR217mΩEAMRa50ΩCa0.2 PFLb0.19 nHRb0.45ΩRc13.6ΩCJ0.72 pFRo@0 V110ΩRo@1 V81.5Ω微波相互作用Rm15.6 kΩCm38.4 fFK@0 VK@1 V2.6 ×107.6 ×10F. Yuan等人电子科学与技术学报20（2022）1001795图五. 测量（标记）和模拟（线）S31和S32。见图6。 测量（标记）和模拟（线）S12和S21。5. 结论综合分析，将集成EML描述为一个电-电-光三端口网络，通过测量其散射矩阵来提取DFB-LD与EAM之间的微波相互作用 信息散射矩阵使我们能够建立一个紧凑的电路模型的集成EML。与分立调制器模型相比，本文提出的集成电路模型不仅可以描述EAM的高频特性，而且可以考虑DFB-LD的影响因此，DFB-LD和EAM之间的微波相互作用可以很容易地提取和表征。模拟和测量结果表明，微波相互作用不仅包括电隔离，而且还包括光耦合。 电隔离是双向的，而光耦合只是从DFB-LD到EAM工作。我们相信，对集成DFB-LD和EAM之间微波相互作用的表征有利于改进器件设计，并将这些器件实现为高性能的数据中心间和数据中心内链路。资金国家自然科学基金项目：61927821;国家重点研究发展计划，批准号：2019YFB22003500; Grnat No.ZYGX 2019 Z011。竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。引用[1] Y. Arakawa，T.中村湾，澳-地乌里诺，T.藤田，下一代系统集成平台的硅光子学，IEEE Commun。Mag.51（3）（2013年3月）72- 77。[2] Y. 张，毫米波光纤无线电技术的发展，J。电子学。Sci. Technol. 9（1）（Mar.2011）58- 66。[3] T. Ido，S.田中，M。铃木，M。Koizumi，H. Sano，H.高晓松，超高速多量子阱电吸收光调制器的研究，北京大学出版社。光波技术14（9）（Sept. 2026- 2034年。[4] A.阿巴西湖，澳-地希拉明湾Moeneclaey等人，III-V硅基C波段高速电吸收调制DFB激光器，J. Lightwave Technol. 36（2）（Jan. 2018）252[5] C.R. Doerr，Silicon photonic integration in telecommunications，Frontiers in Physics 3（2015年8月），37：1-16。[6] T. Komljenovic，M. Davenport，J. 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S。和史密斯2000年和2003年在电子科技大学获得光电信息科学与工程专业学位，并获得博士学位。2006年毕业于北京中国科学院半导体研究所。他目前是电子科技大学的教授他的研究兴趣包括光通信、集成光学、光纤传感、微波光子学和光电测量张志尧，1983年出生于乐山。他得到了B. S。和博士分别于2005年和2010年获得UESTC学位。他目前是电子科技大学的副教授。他的研究兴趣包括光通信、集成光学、光纤传感、微波光子学和光电测量刘勇，1970年出生于内江。他获得了MS。1994年获得电子科技大学博士学位2004年毕业于埃因霍温理工大学。1994年至2000年，他在电子科技大学工作。2000年4月，他加入了埃因霍温理工大学COBRA研究所。自2007年以来，他一直是电子科技大学的教授。他与人合著了200多篇期刊和会议论文。2009年获国家自然科学基金杰出青年基金资助，2013年获长江学者。主要研究方向为光学非线性及其应用、光学信号处理和光纤技术