EML non refroidi dans les modules optiques

NTT étudie depuis un certain temps les lasers modulés par électroabsorption (EML) non refroidis. Le diagramme schématique ci-dessous illustre la fabrication d’un EML InGaAlAs de 1.55 µm. Par rapport à InGaAsP, InGaAlAs présente une meilleure stabilité en température. Le laser à rétroaction distribuée (DFB) et le modulateur d'électro-absorption (EAM) ont des longueurs de 450 µm et 150 µm, respectivement, avec un espace d'isolation de 50 µm. Le processus de joint bout à bout garantit une efficacité de couplage optique calculée d'environ 98 % entre la diode laser (LD) et l'EAM. Notamment, la longueur d’onde du laser est intentionnellement désaccordée par rapport au pic de photoluminescence (PL) pour correspondre au pic PL à 85°C.

Pour obtenir un taux d'extinction élevé à basses températures, la structure EAM Multiple Quantum Well (MQW) intègre 12 MQW contraints. La largeur du guide d'onde EAM est de 1.5 µm pour minimiser la capacité parasite, et la liaison BCB (benzocyclobutène) est utilisée pour supprimer l'inductance parasite en minimisant la longueur du fil. À -15°C, la longueur d'onde du DFB est de 1541.8 80 nm, tandis qu'à 1551.5°C, elle passe à 0.1 10 nm avec une sensibilité à la température de 80 nm/°C. Une puissance de sortie optique de 13.5 mW est obtenue à 100°C. Le rapport signal/extinction (SER) statique dépasse 2.5 dB et, à mesure que la température de fonctionnement augmente, le taux d'extinction s'améliore en raison de la réduction de Δλ. Avec un courant LD de 39 mA et une tension de polarisation (Vb) de -XNUMX V, une bande passante supérieure à XNUMX GHz est réalisée.

La dépendance de Vb à la température est illustrée dans le graphique, où les valeurs de Vb présentent une variation presque linéaire avec la température. À -15°C, 25°C, 45°C et 80°C, les paramètres de chirp mesurés à différents points Vb sont respectivement de 0.61, 0.41, 0.48 et -0.11.

Cette conception EML permet une transmission sans erreur de 40 Gb/s à toutes les températures. En ajustant la tension de polarisation du modulateur EA pour maintenir une oscillation de tension constante, une transmission par fibre monomode (SMF) de 2 km est obtenue avec une perte de puissance inférieure à 2 dB et un ER dynamique dépassant 8.2 dB. Cette réalisation marquait à l'époque la première utilisation des EML pour une transmission de 40 Gb/s sur 2 km sur une large plage de températures.

Les EML non refroidis sont confrontés à des défis liés à la sensibilité à la température du modulateur d'électro-absorption (EAM). NTT a mené une analyse plus approfondie en 2010. Dans la section laser, la couche active DFB utilise également des InGaAlAs. Le graphique ci-dessous compare l'impact du nombre de puits sur la puissance de sortie à différentes températures, révélant que la structure à puits quantiques multiples (MQW) à 6 puits atteint la puissance de sortie la plus élevée. Dans la condition de 6 puits, la variation de la valeur dEc (250, 180 et 125 meV) correspond à des longueurs d’onde de bande interdite de couche barrière de 1.1, 1.2 et 1.3 µm, respectivement. À mesure que dEc augmente, le confinement des porteurs se renforce, supprimant le débordement des porteurs à haute température. Une valeur dEc supérieure à 250 meV convient pour obtenir une puissance de sortie élevée à des températures élevées.

En ce qui concerne la section EAM, l’obtention d’un taux d’extinction élevé et de faibles paramètres de chirp sur une large plage de températures implique principalement de prendre en compte le désaccord de longueur d’onde entre la longueur d’onde du laser DFB et le pic d’absorption EA. Généralement, la sensibilité à la température de la longueur d'onde du laser est de 0.1 nm/°C, tandis que la sensibilité du pic d'absorption est d'environ 0.7 à 0.8 nm/°C, ce qui donne une sensibilité globale d'environ 0.6 nm/°C. Pour permettre un fonctionnement à large température, la longueur d'onde de désaccord de l'EAM est de 60 nm à 100°C et d'environ 140 nm à -25°C. Pour atteindre un taux d'extinction suffisant, la structure EAM MQW est conçue avec 12 paires. Le réglage de dEc autour de 150 meV et l’utilisation d’une longueur d’onde de bande interdite de couche barrière de 1.15 µm garantissent à la fois un taux d’extinction élevé et un chirp minimal. La déformation barrière du puits est respectivement de -0.8 % et 0.1 %.

Les bandes passantes de 3 dB pour les longueurs EAM de 150 µm et 200 µm sont respectivement de 39 GHz et 25 GHz. À différentes températures, l'EML de 150 µm fonctionne avec des tensions de polarisation variables de -30°C à 100°C. À toutes les températures, le taux d'extinction dynamique dépasse 8.2 dB pour 40 Gb/s, et la perte de puissance lors d'une transmission par fibre monomode (SMF) à 40 Gb/s sur 2 km reste inférieure à 2 dB.

En 2022, HHI a démontré un PAM200 EML non refroidi de 4 Gb/s fonctionnant de 20°C à 85°C. Cet appareil intègre DFB, EAM et Semiconductor Optical Amplifier (SOA), tous partageant la même couche MQW. Le dispositif comprend un laser DFB de 350 µm, un EAM de 80 µm et un SOA de 150 µm, tous utilisant des structures de guide d'ondes à crête. Tirant parti des MQW InGaAlAs, il permet un fonctionnement à haute température avec une résistance d'isolation mutuelle supérieure à 100 kΩ.

Sur toute la plage de température, l'appareil maintient un taux de suppression modale élevé (>40 dB). Même si le taux d'extinction diminue à basse température, la bande passante de 3 dB reste élevée. Le point de polarisation typique de l'EAM varie de -2.2 V à -0.7 V sur toute la plage de température. À 20°C, la bande passante dépasse 67 GHz, tandis qu'à 85°C, elle atteint 34 GHz.

Broadcom a développé un guide d'ondes hybride EML haute puissance non refroidi en 2023. Le laser DFB utilise une structure de guide d'ondes CMBH avec une couche de blocage de courant optimisée pour réduire les fuites. Il prend en charge le non-refroidissement et est conçu pour les canaux CWDM (1270 1290, 1310 1330, XNUMX XNUMX et XNUMX XNUMX nm). Le modulateur EAM est doté d'un guide d'ondes à crête pour minimiser la capacité parasite. Les guides d'ondes coniques passifs réduisent les pertes de couplage et assurent une isolation électrique entre le laser et le modulateur. Un diélectrique à faible κ est utilisé sous le plot métallique du modulateur pour minimiser la capacité parasite.

Les tests ont été réalisés à 20°C et 70°C. Sur cette plage de températures, tous les canaux ont atteint une puissance de sortie supérieure à 10 dBm avec un courant laser de 100 mA. Grâce à des couches de blocage de courant optimisées, la réduction de l'intensité lumineuse du dispositif reste inférieure à 120 mA, même à 70°C. Le bruit d'intensité relative (RIN) de pointe et moyen pour tous les canaux était respectivement inférieur à -150 dB/Hz et -155 dB/Hz.

Pour les COC (chip-on-carrier), le contrôle de l'inductance est crucial pour maximiser la bande passante. Une liaison à deux fils est utilisée pour réduire l'inductance entre les traces de signal et le plot modulateur. À toutes les températures, S11 < 4.8 dB et EO-BW dépasse 60 GHz.

Les tests à 112.5 God (225 Gb/s) PAM4@1.1Vpp ont révélé que les quatre canaux présentaient des diagrammes oculaires avant et après l'équilibre thermique à 20°C et 70°C. TDECQ était inférieur à 2 dB et ER était de 4 dB. Même à 70°C, la puissance de sortie de la puce dépassait 7 dBm, permettant une transmission par fibre optique sur 2 km.

En résumé, réaliser un EML non refroidi nécessite une conception matérielle réfléchie. Les lasers DFB utilisant InGaAlAs doivent avoir une longueur d'onde incompatible avec le pic PL, garantissant une dégradation de puissance minimale à haute température. La conception de l'EAM doit intégrer des barrières énergétiques pour maintenir un taux d'extinction élevé même à des températures élevées, en utilisant souvent plusieurs obstacles. Les principes de conception haute fréquence, tels que les guides d’ondes étroits et les matériaux à faible diélectrique, restent pertinents.