EML não resfriado em módulos ópticos

A NTT vem pesquisando Lasers Modulados por Eletroabsorção (EMLs) não resfriados há algum tempo. O diagrama esquemático abaixo ilustra a fabricação de um EML InGaAlAs de 1.55 µm. Comparado ao InGaAsP, o InGaAlAs apresenta melhor estabilidade de temperatura. O laser de feedback distribuído (DFB) e o modulador de eletroabsorção (EAM) têm comprimentos de 450 µm e 150 µm, respectivamente, com um intervalo de isolamento de 50 µm. O processo de junta de topo garante uma eficiência de acoplamento óptico calculada de aproximadamente 98% entre o diodo laser (LD) e o EAM. Notavelmente, o comprimento de onda do laser é intencionalmente desafinado do pico de fotoluminescência (PL) para corresponder ao pico de PL a 85°C.

Para alcançar uma alta taxa de extinção em baixas temperaturas, a estrutura EAM Multiple Quantum Well (MQW) incorpora 12 MQWs tensos. A largura do guia de ondas EAM é de 1.5 µm para minimizar a capacitância parasita, e a ligação BCB (benzo ciclo buteno) é usada para suprimir a indutância parasita, minimizando o comprimento do fio. A -15°C, o comprimento de onda DFB é 1541.8 nm, enquanto a 80°C, muda para 1551.5 nm com uma sensibilidade à temperatura de 0.1 nm/°C. Uma potência de saída óptica de 10 mW é alcançada a 80°C. A relação sinal-extinção (SER) estática excede 13.5 dB e, à medida que a temperatura operacional aumenta, a relação de extinção melhora devido ao Δλ reduzido. Com uma corrente LD de 100 mA e uma tensão de polarização (Vb) de -2.5 V, é obtida uma largura de banda superior a 39 GHz.

A dependência de Vb com a temperatura é mostrada no gráfico, onde os valores de Vb exibem variação quase linear com a temperatura. A -15°C, 25°C, 45°C e 80°C, os parâmetros de chirp medidos em vários pontos Vb são 0.61, 0.41, 0.48 e -0.11, respectivamente.

Esse design EML permite transmissão de 40 Gb/s sem erros em todas as temperaturas. Ao ajustar a tensão de polarização do modulador EA para manter uma oscilação de tensão constante, uma transmissão de fibra monomodo (SMF) de 2 km é alcançada com perda de potência abaixo de 2 dB e ER dinâmico superior a 8.2 dB. Essa conquista marcou a primeira utilização de EMLs para transmissão de 40 Gb/s e 2 km em uma ampla faixa de temperatura na época.

EMLs não resfriados enfrentam desafios relacionados à sensibilidade à temperatura do Modulador de Eletroabsorção (EAM). A NTT conduziu análises adicionais em 2010. Na seção de laser, a camada ativa DFB também utiliza InGaAlAs. O gráfico abaixo compara o impacto da contagem de poços na potência de saída em diferentes temperaturas, revelando que a estrutura de Poços Quânticos Múltiplos (MQW) de 6 poços atinge a maior potência de saída. Sob a condição de 6 poços, a variação do valor dEc (250, 180 e 125 meV) corresponde a comprimentos de onda de banda proibida da camada de barreira de 1.1, 1.2 e 1.3 μm, respectivamente. À medida que o dEc aumenta, o confinamento do transportador se fortalece, suprimindo o transbordamento do transportador em altas temperaturas. Um valor dEc superior a 250 meV é adequado para alcançar alta potência de saída em temperaturas elevadas.

Em relação à seção EAM, alcançar alta taxa de extinção e baixos parâmetros de chirp em uma ampla faixa de temperatura envolve principalmente considerar a dessintonização do comprimento de onda entre o comprimento de onda do laser DFB e o pico de absorção EA. Normalmente, a sensibilidade à temperatura do comprimento de onda do laser é de 0.1 nm/°C, enquanto a sensibilidade do pico de absorção é de aproximadamente 0.7–0.8 nm/°C, resultando em uma sensibilidade geral de cerca de 0.6 nm/°C. Para permitir a operação em ampla temperatura, o comprimento de onda de desafinação do EAM é de 60 nm a 100°C e aproximadamente 140 nm a -25°C. Para atingir uma taxa de extinção suficiente, a estrutura EAM MQW é projetada com 12 pares. Definir dEc em torno de 150 meV e usar um comprimento de onda de banda proibida de camada de barreira de 1.15 µm garante alta taxa de extinção e chirp mínimo. A cepa da barreira do poço é de -0.8% e 0.1%, respectivamente.

As larguras de banda de 3 dB para comprimentos EAM de 150 µm e 200 µm são 39 GHz e 25 GHz, respectivamente. Em diferentes temperaturas, o EML de 150 µm opera com tensões de polarização variadas de -30°C a 100°C. Em todas as temperaturas, a taxa de extinção dinâmica excede 8.2 dB para 40 Gb/s, e a perda de energia na transmissão de fibra monomodo (SMF) de 40 Gb/s e 2 km permanece abaixo de 2 dB.

Em 2022, a HHI demonstrou um PAM200 EML de 4 Gb/s não resfriado operando de 20°C a 85°C. Este dispositivo integra DFB, EAM e Amplificador Óptico Semicondutor (SOA), todos compartilhando a mesma camada MQW. O dispositivo compreende um laser DFB de 350 µm, um EAM de 80 µm e um SOA de 150 µm, todos utilizando estruturas de guia de ondas de crista. Aproveitando os MQWs InGaAlAs, ele alcança operação em alta temperatura com resistência de isolamento mútuo superior a 100 kΩ.

Em toda a faixa de temperatura, o dispositivo mantém uma alta taxa de supressão modal (>40 dB). Embora a taxa de extinção diminua em baixas temperaturas, a largura de banda de 3 dB permanece alta. O ponto de polarização EAM típico varia de -2.2 V a -0.7 V em toda a faixa de temperatura. A 20°C, a largura de banda ultrapassa 67 GHz, enquanto a 85°C, chega a 34 GHz.

A Broadcom desenvolveu um guia de ondas híbrido e EML de alta potência não resfriado em 2023. O laser DFB utiliza uma estrutura de guia de ondas CMBH com uma camada de bloqueio de corrente otimizada para reduzir vazamentos. Ele suporta não resfriamento e foi projetado para canais CWDM (1270, 1290, 1310 e 1330 nm). O modulador EAM possui um guia de ondas para minimizar a capacitância parasita. Guias de onda cônicos passivos reduzem as perdas de acoplamento e fornecem isolamento elétrico entre o laser e o modulador. Um dielétrico de baixo κ é usado abaixo da almofada de metal do modulador para minimizar a capacitância parasita.

Os testes foram conduzidos a 20°C e 70°C. Em toda essa faixa de temperatura, todos os canais atingiram potência de saída maior que 10 dBm com uma corrente de laser de 100 mA. Devido às camadas de bloqueio de corrente otimizadas, o rolloff de LI do dispositivo permanece abaixo de 120 mA mesmo a 70°C. O pico e o ruído de intensidade relativa média (RIN) para todos os canais ficaram abaixo de -150 dB/Hz e -155 dB/Hz, respectivamente.

Para COCs (chip-on-carrier), controlar a indutância é crucial para maximizar a largura de banda. A ligação de dois fios é empregada para reduzir a indutância entre os traços de sinal e o bloco modulador. Em todas as temperaturas, S11 < 4.8 dB e EO-BW excede 60 GHz.

Testando a 112.5 GBd (225 Gb/s) PAM4@1.1Vpp revelou que todos os quatro canais exibiram diagramas oculares antes e depois do equilíbrio térmico a 20°C e 70°C. TDECQ estava abaixo de 2 dB e ER estava 4 dB. Mesmo a 70°C, a potência de saída do chip excedeu 7 dBm, permitindo uma transmissão de fibra de 2 km.

Em resumo, obter EML não resfriado requer um design de material bem pensado. Os lasers DFB usando InGaAlAs devem ter comprimento de onda incompatível com o pico PL, garantindo degradação mínima de energia em altas temperaturas. O projeto EAM deve incorporar barreiras energéticas para manter uma alta taxa de extinção mesmo em temperaturas elevadas, muitas vezes utilizando múltiplos obstáculos. Os princípios de projeto de alta frequência, como guias de onda estreitos e materiais de baixo dielétrico, permanecem relevantes.