Ungekühlte EML in optischen Modulen

NTT erforscht seit einiger Zeit ungekühlte elektroabsorptionsmodulierte Laser (EMLs). Das folgende schematische Diagramm zeigt die Herstellung eines 1.55 µm InGaAlAs EML. Im Vergleich zu InGaAsP weist InGaAlAs eine bessere Temperaturstabilität auf. Der Distributed Feedback (DFB)-Laser und der Elektroabsorptionsmodulator (EAM) haben Längen von 450 µm bzw. 150 µm mit einem Isolationsabstand von 50 µm. Das Stoßverbindungsverfahren gewährleistet eine berechnete optische Kopplungseffizienz von ungefähr 98 % zwischen der Laserdiode (LD) und dem EAM. Insbesondere wird die Laserwellenlänge absichtlich vom Photolumineszenz-(PL)-Peak abgeglichen, um dem PL-Peak bei 85 °C zu entsprechen.

Um bei niedrigen Temperaturen ein hohes Extinktionsverhältnis zu erreichen, enthält die EAM Multiple Quantum Well (MQW)-Struktur 12 gespannte MQWs. Die EAM-Wellenleiterbreite beträgt 1.5 µm, um die parasitäre Kapazität zu minimieren, und BCB-Bindungen (Benzocyclobuten) werden verwendet, um die parasitäre Induktivität durch Minimierung der Drahtlänge zu unterdrücken. Bei -15 °C beträgt die DFB-Wellenlänge 1541.8 nm, während sie sich bei 80 °C auf 1551.5 nm verschiebt, mit einer Temperaturempfindlichkeit von 0.1 nm/°C. Bei 10 °C wird eine optische Ausgangsleistung von 80 mW erreicht. Das statische Signal-Extinktions-Verhältnis (SER) übersteigt 13.5 dB, und mit steigender Betriebstemperatur verbessert sich das Extinktionsverhältnis aufgrund des reduzierten Δλ. Mit einem LD-Strom von 100 mA und einer Vorspannung (Vb) von -2.5 V wird eine Bandbreite von über 39 GHz realisiert.

Die Temperaturabhängigkeit von Vb ist in der Grafik dargestellt, in der die Vb-Werte eine nahezu lineare Veränderung mit der Temperatur aufweisen. Bei -15 °C, 25 °C, 45 °C und 80 °C betragen die gemessenen Chirp-Parameter an verschiedenen Vb-Punkten 0.61, 0.41, 0.48 bzw. -0.11.

Dieses EML-Design ermöglicht eine fehlerfreie 40-Gb/s-Übertragung bei allen Temperaturen. Durch Anpassen der Vorspannung des EA-Modulators zur Aufrechterhaltung einer konstanten Spannungsschwankung wird eine 2 km lange Singlemode-Glasfaserübertragung (SMF) mit Leistungsverlusten unter 2 dB und einem dynamischen ER von über 8.2 dB erreicht. Diese Leistung markierte damals den ersten Einsatz von EMLs für eine 40 km lange 2-Gb/s-Übertragung über einen weiten Temperaturbereich.

Ungekühlte EMLs stehen vor Herausforderungen im Zusammenhang mit der Temperaturempfindlichkeit des Elektroabsorptionsmodulators (EAM). NTT führte 2010 weitere Analysen durch. Im Laserbereich verwendet die aktive DFB-Schicht ebenfalls InGaAlAs. Die folgende Grafik vergleicht die Auswirkungen der Anzahl der Vertiefungen auf die Ausgangsleistung bei unterschiedlichen Temperaturen und zeigt, dass die 6-Vertiefungs-Mehrfachquantenquellenstruktur (MQW) die höchste Ausgangsleistung erzielt. Unter den 6-Vertiefungs-Bedingungen entspricht eine Variation des dEc-Werts (250, 180 und 125 meV) jeweils Bandlückenwellenlängen der Sperrschicht von 1.1, 1.2 und 1.3 µm. Mit zunehmendem dEc wird die Trägereingrenzung stärker, wodurch ein Trägerüberlauf bei hohen Temperaturen unterdrückt wird. Ein dEc-Wert über 250 meV ist geeignet, um bei erhöhten Temperaturen eine hohe Ausgangsleistung zu erzielen.

Beim EAM-Abschnitt muss zum Erreichen eines hohen Extinktionsverhältnisses und niedriger Chirp-Parameter über einen weiten Temperaturbereich vor allem die Wellenlängenverstimmung zwischen der DFB-Laserwellenlänge und dem EA-Absorptionspeak berücksichtigt werden. Typischerweise beträgt die Temperatursensitivität der Laserwellenlänge 0.1 nm/°C, während die Empfindlichkeit des Absorptionspeaks ca. 0.7–0.8 nm/°C beträgt, was zu einer Gesamtsensitivität von ca. 0.6 nm/°C führt. Um einen Betrieb bei einem breiten Temperaturbereich zu ermöglichen, beträgt die Verstimmungswellenlänge des EAM 60 nm bei 100 °C und ca. 140 nm bei -25 °C. Um ein ausreichendes Extinktionsverhältnis zu erreichen, ist die EAM-MQW-Struktur mit 12 Paaren ausgelegt. Durch Festlegen von dEc um 150 meV und Verwenden einer Bandlückenwellenlänge der Barriereschicht von 1.15 µm werden sowohl ein hohes Extinktionsverhältnis als auch minimales Chirp gewährleistet. Die Well-Barriere-Dehnung beträgt -0.8 % bzw. 0.1 %.

Die 3-dB-Bandbreiten für EAM-Längen von 150 µm und 200 µm betragen 39 GHz bzw. 25 GHz. Bei verschiedenen Temperaturen arbeitet die 150-µm-EML mit unterschiedlichen Vorspannungen von -30 °C bis 100 °C. Über alle Temperaturen hinweg übersteigt das dynamische Extinktionsverhältnis 8.2 dB für 40 Gb/s, und der Leistungsverlust bei der 40 km langen Singlemode-Glasfaserübertragung (SMF) mit 2 Gb/s bleibt unter 2 dB.

Im Jahr 2022 demonstrierte HHI einen ungekühlten 200 Gb/s PAM4 EML, der bei 20 °C bis 85 °C betrieben wird. Dieses Gerät integriert DFB, EAM und einen optischen Halbleiterverstärker (SOA), die sich alle dieselbe MQW-Schicht teilen. Das Gerät besteht aus einem 350 µm DFB-Laser, einem 80 µm EAM und einem 150 µm SOA, die alle Rippenwellenleiterstrukturen verwenden. Durch die Nutzung von InGaAlAs MQWs erreicht es einen Hochtemperaturbetrieb mit einem gegenseitigen Isolationswiderstand von über 100 kΩ.

Über den gesamten Temperaturbereich hinweg behält das Gerät ein hohes modales Unterdrückungsverhältnis (>40 dB) bei. Während das Auslöschungsverhältnis bei niedrigen Temperaturen abnimmt, bleibt die 3-dB-Bandbreite hoch. Der typische EAM-Bias-Punkt variiert über den gesamten Temperaturbereich von -2.2 V bis -0.7 V. Bei 20 °C übersteigt die Bandbreite 67 GHz, während sie bei 85 °C 34 GHz erreicht.

Broadcom entwickelte 2023 einen hybriden Wellenleiter, einen ungekühlten Hochleistungs-EML. Der DFB-Laser verwendet eine CMBH-Wellenleiterstruktur mit einer optimierten Stromsperrschicht zur Reduzierung von Leckagen. Er unterstützt Nichtkühlung und ist für CWDM-Kanäle (1270, 1290, 1310 und 1330 nm) ausgelegt. Der EAM-Modulator verfügt über einen gerippten Wellenleiter zur Minimierung der parasitären Kapazität. Passive konische Wellenleiter reduzieren Kopplungsverluste und sorgen für eine elektrische Isolierung zwischen Laser und Modulator. Unter dem Metallpad des Modulators wird ein Low-κ-Dielektrikum verwendet, um die parasitäre Kapazität zu minimieren.

Die Tests wurden bei 20 °C und 70 °C durchgeführt. In diesem Temperaturbereich erreichten alle Kanäle eine Ausgangsleistung von über 10 dBm bei einem Laserstrom von 100 mA. Dank optimierter Stromsperrschichten bleibt der LI-Rolloff des Geräts selbst bei 120 °C unter 70 mA. Das Spitzen- und Durchschnitts-Relative-Intensity-Rauschen (RIN) lag für alle Kanäle unter -150 dB/Hz bzw. -155 dB/Hz.

Bei COCs (Chip-on-Carrier) ist die Kontrolle der Induktivität entscheidend für die Maximierung der Bandbreite. Zweidrahtbonding wird eingesetzt, um die Induktivität zwischen Signalspuren und dem Modulatorpad zu reduzieren. Bei allen Temperaturen ist S11 < 4.8 dB und EO-BW übersteigt 60 GHz.

Tests mit 112.5 GBd (225 Gb/s) PAM4@1.1 Vpp ergaben, dass alle vier Kanäle vor und nach dem thermischen Ausgleich bei 20 °C und 70 °C Augendiagramme zeigten. TDECQ lag unter 2 dB und ER bei 4 dB. Selbst bei 70 °C überschritt die Ausgangsleistung des Chips 7 dBm und ermöglichte eine 2 km lange Glasfaserübertragung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Erzielung einer ungekühlten EML ein durchdachtes Materialdesign erfordert. DFB-Laser mit InGaAlAs sollten wellenlängenmäßig nicht mit dem PL-Peak übereinstimmen, um eine minimale Leistungsminderung bei hohen Temperaturen sicherzustellen. Das EAM-Design sollte Energiebarrieren enthalten, um auch bei erhöhten Temperaturen ein hohes Extinktionsverhältnis aufrechtzuerhalten, wobei häufig mehrere Hindernisse zum Einsatz kommen. Hochfrequenz-Designprinzipien wie schmale Wellenleiter und Materialien mit geringer Dielektrizität bleiben weiterhin relevant.