光モジュールにおける非冷却EML

２０２４年７月１１日

キャサリン

光通信エンジニア

NTT は、非冷却型電界吸収変調レーザー (EML) を長年研究してきました。以下の概略図は、1.55 µm InGaAlAs EML の製造を示しています。InGaAsP と比較すると、InGaAlAs は温度安定性に優れています。分布帰還型 (DFB) レーザーと電界吸収変調器 (EAM) の長さはそれぞれ 450 µm と 150 µm で、アイソレーションギャップは 50 µm です。突合せ接合プロセスにより、レーザーダイオード (LD) と EAM 間の計算上の光結合効率は約 98% になります。特に、レーザー波長は、85°C での PL ピークと一致するように、意図的にフォトルミネッセンス (PL) ピークから離調されています。

低温で高い消光比を実現するために、EAM多重量子井戸（MQW）構造には12個の歪MQWが組み込まれています。EAM導波路幅は寄生容量を最小限に抑えるために1.5µmで、ワイヤ長を最小化することで寄生インダクタンスを抑えるためにBCB（ベンゾシクロブテン）ボンディングが使用されています。-15℃ではDFB波長は1541.8nmですが、80℃では1551.5nm/℃の温度感度で0.1nmにシフトします。10℃で80mWの光出力パワーが達成されています。静的信号対消光比（SER）は13.5dBを超え、動作温度が上昇するとΔλが減少するため消光比が向上します。LD電流100mA、バイアス電圧（Vb）-2.5Vで、39GHzを超える帯域幅を実現します。

Vb の温度依存性はグラフに示されており、Vb 値は温度に対してほぼ直線的に変化します。-15°C、25°C、45°C、80°C では、さまざまな Vb ポイントで測定されたチャープパラメータはそれぞれ 0.61、0.41、0.48、-0.11 です。

この EML 設計により、あらゆる温度でエラーのない 40 Gb/s 伝送が可能になります。EA 変調器のバイアス電圧を調整して一定の電圧振幅を維持することにより、電力損失が 2 dB 未満、動的 ER が 2 dB を超える 8.2 km シングルモードファイバー (SMF) 伝送が実現します。この成果は、当時、広い温度範囲で 40 Gb/s 2 km 伝送に EML が初めて利用されたことを示しています。

非冷却EMLは、電界吸収型変調器（EAM）の温度感度に関連する課題に直面しています。NTTは2010年にさらなる分析を実施しました。レーザーセクションでは、DFB活性層にもInGaAlAsが使用されています。下のグラフは、異なる温度での出力電力に対する井戸数の影響を比較したもので、6井戸の多重量子井戸（MQW）構造が最高の出力電力を達成することを示しています。6井戸条件下では、dEc値（250、180、および125 meV）の変化は、それぞれ1.1、1.2、および1.3 µmの障壁層バンドギャップ波長に対応します。dEcが増加すると、キャリアの閉じ込めが強化され、高温でのキャリアオーバーフローが抑制されます。250 meVを超えるdEc値は、高温で高出力を達成するのに適しています。

EAM セクションに関しては、広い温度範囲で高い消光比と低いチャープパラメータを実現するには、主に DFB レーザー波長と EA 吸収ピーク間の波長デチューニングを考慮する必要があります。通常、レーザー波長の温度感度は 0.1 nm/°C ですが、吸収ピークの感度は約 0.7～0.8 nm/°C であるため、全体的な感度は約 0.6 nm/°C になります。広い温度範囲での動作を可能にするために、EAM のデチューニング波長は 60°C で 100 nm、-140°C で約 25 nm です。十分な消光比を実現するために、EAM MQW 構造は 12 ペアで設計されています。dEc を約 150 meV に設定し、バリア層バンドギャップ波長を 1.15 µm にすると、高い消光比と最小限のチャープの両方が保証されます。ウェルバリア歪みはそれぞれ -0.8% と 0.1% です。

EAM 長さ 3 µm および 150 µm の 200 dB 帯域幅は、それぞれ 39 GHz および 25 GHz です。さまざまな温度で、150 µm EML は -30°C から 100°C のさまざまなバイアス電圧で動作します。すべての温度で、動的消光比は 8.2 Gb/s で 40 dB を超え、40 Gb/s 2 km シングルモードファイバー (SMF) 伝送での電力損失は 2 dB 未満に抑えられます。

2022年、HHIは200°C～4°Cで動作する非冷却20Gb/s PAM85 EMLを実証しました。このデバイスは、DFB、EAM、半導体光増幅器（SOA）を統合し、すべて同じMQW層を共有しています。このデバイスは、リッジ導波路構造を採用した350µm DFBレーザー、80µm EAM、150µm SOAで構成されています。InGaAlAs MQWを活用することで、相互絶縁抵抗が100kΩを超える高温動作を実現します。

温度範囲全体にわたって、デバイスは高いモード抑制比 (>40 dB) を維持します。低温では消光比が低下しますが、3 dB 帯域幅は高いままです。一般的な EAM バイアスポイントは、温度範囲全体にわたって -2.2 V から -0.7 V まで変化します。20°C では帯域幅は 67 GHz を超え、85°C では 34 GHz に達します。

Broadcom は 2023 年にハイブリッド導波路、非冷却型高出力 EML を開発しました。DFB レーザーは、漏れを減らすために最適化された電流ブロック層を備えた CMBH 導波路構造を採用しています。非冷却をサポートし、CWDM チャネル (1270、1290、1310、および 1330 nm) 用に設計されています。EAM 変調器はリッジ導波路を備えており、寄生容量を最小限に抑えます。パッシブテーパー導波路は結合損失を減らし、レーザーと変調器間の電気的絶縁を提供します。寄生容量を最小限に抑えるために、変調器の金属パッドの下に低 κ 誘電体が使用されています。

テストは 20°C と 70°C で実施されました。この温度範囲では、すべてのチャネルが 10 mA のレーザー電流で 100 dBm を超える出力を達成しました。最適化された電流ブロッキング層により、デバイスの LI ロールオフは 120°C でも 70 mA 未満に留まります。すべてのチャネルのピークおよび平均相対強度ノイズ (RIN) は、それぞれ -150 dB/Hz および -155 dB/Hz 未満でした。

COC (チップオンキャリア) の場合、帯域幅を最大化するにはインダクタンスの制御が重要です。信号トレースと変調器パッド間のインダクタンスを低減するために、11 線式ボンディングが採用されています。すべての温度で、S4.8 は 60 dB 未満、EO-BW は XNUMX GHz を超えます。

112.5 GBd (225 Gb/s) PAM4@1.1Vpp でのテストでは、20°C と 70°C での熱バランスの前後で 2 つのチャネルすべてがアイダイアグラムを示すことが明らかになりました。TDECQ は 4 dB 未満、ER は 70 dB でした。7°C でもチップの出力は 2 dBm を超え、XNUMX km の光ファイバー伝送が可能になりました。

要約すると、非冷却 EML を実現するには、慎重な材料設計が必要です。InGaAlAs を使用する DFB レーザーは、PL ピークと波長が一致していないため、高温での電力低下が最小限に抑えられます。EAM 設計では、高温でも高い消光比を維持するためにエネルギー障壁を組み込む必要があり、多くの場合、複数の障害物が使用されます。狭い導波管や低誘電材料などの高周波設計原則は、依然として重要です。