Фотонные интегральные схемы на фосфиде индия

В работе представлено доступное решение для прототипирования фотонных интегральных схем (PIC) на открытой технологической платформе из фосфида индия.

Набор средств проектирования технологического процесса (PDK) позволяет объединять на одной пластине пассивные компоненты с низкими оптическими потерями, усилительные секции, модуляторы и фотодетекторы. Одним из ключевых элементов фотонных схем — источников излучения — является высокоскоростной бегущеволновый модулятор Маха–Цендера, работающий со скоростью 80 Гбод.

Авторы демонстрируют возможность электрического тестирования устройств непосредственно на пластине до её разделения на отдельные кристаллы. Для этого модулятор интегрирован на одном чипе с лазером с распределённой обратной связью (DFB) и фотодиодом.

Для демонстрации возможностей платформы рассмотрены три фотонные интегральные схемы: перестраиваемый электрооптический генератор оптической частотной гребёнки с полосой 480 ГГц по уровню −20 дБ; лазер с пассивной синхронизацией мод и низкой частотой повторения импульсов — 670 МГц; монолитный перестраиваемый кольцевой лазер с диапазоном перестройки 40 нм и собственной шириной линии 8,2 кГц.

Эти устройства могут повысить возможности оптических систем передачи данных: за счёт увеличения количества каналов либо повышения скорости передачи символов. Авторы также предлагают решение для корпусирования, позволяющее сократить сроки сборки и испытаний прототипов.

Быстрый рост потребностей центров обработки данных в межсоединениях, развитие когерентных систем дальней связи, а также новые приложения в области сенсорики и СВЧ-фотоники стимулируют спрос на компактные, энергоэффективные и пригодные для массового производства фотонные интегральные схемы.

Среди доступных материальных платформ фосфид индия (InP) занимает особое положение: он позволяет интегрировать усиление света, высокоскоростную модуляцию, фотодетектирование и пассивные волноводы с малыми потерями в диапазоне C — приблизительно от 1530 до 1565 нм. Благодаря этому передатчики, приёмники и сложные оптические источники можно создавать на одном кристалле.

Открытые литейные платформы изменили подход к разработке фотонных интегральных схем. Они предоставляют стандартизированные функциональные блоки и регулярно организуют совместные технологические циклы изготовления нескольких проектов на одной пластине (MPW, multi-project wafer). Такой подход сокращает цикл разработки и снижает стоимость прототипирования.

Платформа включает лазеры, полупроводниковые оптические усилители, электроабсорбционные модуляторы, фотодиоды, элементы управления поляризацией, преобразователи размера оптического пятна и гибридные интерфейсы ввода-вывода.

В настоящей работе авторы рассматривают дальнейшее развитие платформы, в частности внедрение бегущеволновых модуляторов Маха–Цендера. Эти модуляторы используют квантово-размерный эффект Штарка (QCSE), который обеспечивает низкое напряжение управления и широкую полосу пропускания. Для этого в технологический процесс добавлена многоквантовая ямная структура модулятора, а металлизация оптимизирована.

Важнейший аспект массового производства — возможность тестирования устройств непосредственно на пластине. Если усилительные секции интегрированы на том же кристалле, оптический сигнал можно генерировать и обнаруживать без внешних лазеров и детекторов. Это позволяет проверять устройства до разделения пластины на отдельные кристаллы, контролировать выход годных изделий, снижать затраты и ускорять разработку.

Технологический процесс позволяет интегрировать активные и пассивные элементы на полуизолирующей подложке из фосфида индия. Он сочетает усилительные структуры, слои для электроабсорбции и волноводы с низкими оптическими потерями.

Для высокоскоростной фазовой модуляции при небольших дополнительных потерях в структуру вводят дополнительный пакет многоквантовых ям InGaAsP/InP. Его край поглощения подбирают так, чтобы минимизировать потери проходящего света. Кристаллографическую ориентацию подложки оптимизируют для усиления электрооптического эффекта при TE-поляризации.

Активные и пассивные волноводы соединяют методом стыковой регенерации эпитаксиальных слоёв (butt-joint regrowth), уменьшающим потери на отражение. Сухое и жидкостное травление используют для формирования активных областей, волноводов, элементов управления поляризацией и преобразователей размера оптического пятна.

Начальная эпитаксиальная структура включает волноводный слой, легированный n-типа буфер и активные слои из восьми напряжённо-компенсированных многоквантовых ям InGaAsP, настроенных приблизительно на длину волны 1540 нм.

Решётки DFB-лазеров и распределённых брэгговских отражателей (DBR) формируют электронно-лучевой литографией с последующим реактивным ионным травлением. Минимальный размер элементов, достижимый с помощью электронной литографии, составляет 90 нм. Эпитаксиальные слои выращивают методом металлоорганической газофазной эпитаксии (MOVPE) в промышленном реакторе.

Монолитная интеграция также упрощает тепловое управление: компоненты располагаются на одной подложке, что улучшает температурную однородность и помогает стабилизировать длины волн. В экспериментальной установке чип закрепляли на медном теплоотводе с термоэлектрическим охлаждением и ПИД-регулятором, поддерживавшим температуру с точностью ±0,01 °C относительно заданного значения, обычно 20 °C.

В этой схеме DFB-лазер, модулятор Маха–Цендера (MZM) и фотодиод находятся на одном чипе. Поэтому оптический сигнал можно сформировать, модулировать и обнаружить, не используя отдельные внешние лазер и фотодетектор для выполнения основного электрического теста.

Во время измерений DFB-лазер работал при токе около 100 мА. Напряжение на верхнем и нижнем электродах модулятора изменяли от 0 до −12 В, а фотодиод смещали напряжением −2 В.

Для модулятора длиной 3 мм при смещении −8 В авторы определили напряжение полуволнового сдвига фазы Vπ = 2,33 В. Произведение напряжения на длину составляет VπL = 0,7 В·см. Максимальное отношение экстинкции превышало 24 дБ. Внешнее измерение с одномодовым оптическим волокном и отдельным фотодиодом позволяло получить значение до 31 дБ.

Для оценки частотного отклика измеряли параметры S11 и S21. Параметр S11 оставался ниже −10 дБ вплоть до 67 ГГц, что указывает на хорошее согласование с импедансом 50 Ом. Эффективная электрооптическая полоса по уровню −6 дБ для каскада из 3-миллиметрового MZM и высокоскоростного фотодиода составила 40 ГГц.

Такой тест позволяет быстро оценивать производительность готовых устройств, автоматизировать измерения по всей пластине и уменьшать затраты на тестирование. Однако тест возможен только после металлизации, измеряются совместные характеристики компонентов, а качество сколотых торцов кристалла он не оценивает. Поэтому для полной квалификации требуются дополнительные визуальные и оптические проверки.

На рисунке приведены глазковые диаграммы для трёх режимов передачи: NRZ со скоростью 64 Гбит/с; NRZ со скоростью 80 Гбит/с; PAM4 со скоростью 24 Гбод. Измеренные отношения экстинкции составили 9,3 дБ, 8 дБ и 5,5 дБ соответственно. Коррекция искажений и последующая цифровая обработка сигнала не применялись.

Глазковая диаграмма помогает оценить качество передачи: ширина открытой области связана с запасом по времени и амплитуде, а её закрытие указывает на межсимвольные искажения, шум или ограничения полосы пропускания.

Первая демонстрационная фотонная схема — генератор оптической частотной гребёнки (OFCG). Он формирует множество оптических линий с регулярным частотным интервалом. Такие источники полезны в многоканальной оптической связи, СВЧ-фотонике и спектроскопии.

В устройстве последовательно соединены два высокоскоростных фазовых модулятора длиной 4,5 и 2,25 мм и встроенный полупроводниковый оптический усилитель длиной 600 мкм. Размер чипа составляет приблизительно 12 × 0,6 мм.

При несущей длине волны 1531 нм и интервале между линиями 20 ГГц генератор обеспечивает полосу частотной гребёнки 480 ГГц по уровню −20 дБ. Оптическое отношение сигнал/шум превышает 25 дБ, а средняя мощность одной линии составляет −11 дБм.

Устройство также позволяет перестраивать центральную длину волны в диапазоне 35 нм. Это важно для гибких оптических систем, в которых требуется менять как положение спектра, так и расстояние между каналами.


Основные ограничения — напряжение управления и полоса пропускания модуляторов. Дальнейшая оптимизация конструкции и металлизации должна увеличить полосу, улучшить равномерность спектральных линий и уменьшить энергопотребление.

График показывает фазовый шум для различных частот управления. Для СВЧ-фотоники низкий фазовый шум особенно важен: он влияет на стабильность сигналов, качество синтезируемых частот и точность измерений.

Вторая демонстрационная схема — монолитный лазер с удлинённым резонатором и пассивной синхронизацией мод. Его частота повторения импульсов составляет приблизительно 672 МГц — ниже, чем у многих других интегральных лазеров с синхронизацией мод.

Устройство использует длинный пассивный волновод с малыми потерями и оптимизированные переходы между активными и пассивными областями. Благодаря этому можно создать длинный резонатор непосредственно на InP-чипе без громоздкого внешнего волоконного резонатора.

Измерения показали:

• частоту повторения около 672 МГц;
• ширину радиочастотной линии около 500 Гц;
• отношение сигнал/шум более 40 дБ;
• оптическую полосу около 6,5 нм по уровню −10 дБ;
• примерно 1150 спектральных линий в оптической гребёнке.

Эти характеристики перспективны для двухгребёночной спектроскопии, где одновременно нужны широкий оптический спектр и очень стабильный частотный интервал между линиями. Ограничениями текущей реализации остаются выходная мощность, связанная с оптическим волокном, и фиксированный режим пассивной синхронизации мод.

Третья схема — монолитный перестраиваемый лазер на кольцевых резонаторах. Он предназначен для высокоскоростной когерентной оптической связи, где важны узкая спектральная линия и возможность выбирать рабочую длину волны.

Два термически перестраиваемых кольцевых резонатора работают совместно, используя эффект Вернье: совпадение их резонансных частот меняется при перестройке, благодаря чему можно выбирать широкий диапазон длин волн. В схеме также используются пассивные волноводы с низкими потерями, усилительная секция SOA и фазовая секция для точной настройки.

По данным статьи, устройство обеспечивает диапазон перестройки в одномодовом режиме около 40 нм и собственную ширину линии 8,2 кГц.

Узкая линия уменьшает фазовые ошибки при передаче когерентных сигналов, а широкий диапазон настройки позволяет гибко назначать оптические каналы. Это важно в сетях, где требуется повышать спектральную эффективность и использовать сложные форматы модуляции.

Последняя часть работы посвящена не только оптическим характеристикам, но и переходу от лабораторного прототипа к воспроизводимому процессу изготовления и тестирования.

Авторы представляют модульные интерфейсы RFconnect, RF Evaluation Board и PIConnect, предназначенные для подключения радиочастотных, электрических и оптических сигналов. Стандартизированные посадочные места и испытательные платы позволяют сократить время сборки, повторно использовать тестовую инфраструктуру и уменьшить число индивидуальных операций при проверке прототипов.

Для масштабирования производства важны управление тепловыделением, равномерность параметров по площади кристалла и контроль качества изготовления. При росте плотности интеграции возрастают требования к отводу тепла и точности технологического процесса.

В статье представлено развитие открытой технологической платформы для изготовления фотонных интегральных схем на фосфиде индия. Платформа объединяет высокопроизводительные активные и пассивные элементы и поддерживает переход от прототипов, изготовленных в совместных MPW-циклах, к специализированным модулям и серийному производству.

Продемонстрированы модуляторы Маха–Цендера, работающие при скорости 80 Гбод и низком напряжении управления; монолитный перестраиваемый кольцевой лазер с диапазоном настройки более 40 нм и собственной шириной линии 8,2 кГц; лазер с синхронизацией мод и частотой повторения 672 МГц; а также перестраиваемый электрооптический генератор частотной гребёнки с регулируемым интервалом от 5 до 20 ГГц.

Полностью электрическое тестирование непосредственно на пластине создаёт основу для проверки устройств до разделения на отдельные кристаллы. Такой подход помогает контролировать выход годных изделий и уменьшать стоимость разработки.

В дальнейшем предполагается повысить полосу пропускания модуляторов, уменьшить напряжение управления, увеличить выходную мощность отдельных спектральных линий и улучшить параметры лазеров. Совместно с улучшенным корпусированием это позволит повысить производительность оптических источников и сделать их более удобными для массового применения.