硅光子学（SiPh）技术因其与CMOS兼容性和可扩展的制造能力，已成为开发光子集成电路的关键平台。然而，由于硅的间接带隙，将高效的片上光源和内联放大器集成仍然具有挑战性。在这项研究中，我们开发了预制标准化的InAs/GaAs量子点（QD）主动器件，优化用于微转印，并成功地将其集成到SiPh集成电路中。通过将标准化的QD器件转印到SiPh芯片的特定区域，我们实现了O波段半导体光放大器（SOA）、分布反馈（DFB）激光器和广泛可调谐激光器（TL）。SOA在1299 nm时达到了7.5 dB的片上增益，并在宽输入功率范围内保持稳定性能。集成的DFB激光器实现了波导（WG）耦合输出功率最高可达19.7 mW，具有33.3 dB的旁模式抑制比（SMSR），并表现出显著的抗光反馈能力，支持30 Gbps的无错误数据传输速率，无需额外的隔离器。同时，TL的波长调谐范围超过35 nm，WG耦合输出功率大于3 mW。微转印方法有效地将非本地器件的制造与SiPh工艺解耦，允许III-V族器件的后端集成。我们的方法为支持高速、高容量通信的完全集成III-V/SiPh平台提供了一条可行的路径。

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1. 引言

硅光子学（SiPh）技术已成为创建紧凑、成本效益高且具有高度可扩展性的光子电路的领先技术，得益于CMOS技术的进步[1–3]。SiPh平台已达到成熟阶段，使得实现低损耗、高密度的硅（Si）和硅氮（SiN）波导、WDM滤波器以及低损耗边缘耦合器和光栅耦合器成为可能，这些器件有效地将片上波导和片外光纤连接起来[4,5]。在有源器件方面，成熟的平台现在可以支持超过56 Gbps的硅环调制器、马赫-曾德调制器和GeSi电吸收调制器[6]。与此同时，基于硅的高速Ge光探测器已经可以用于光电信号转换[7–9]。在使用成熟工具集将各种有源和被动光子器件集成到硅晶片上的同时，促进了高速光收发器的实现，进一步增强了硅光子学在先进通信系统中的潜力[10–12]。

尽管SiPh平台具有先进的能力，但要实现完全集成和紧凑的光子系统芯片，仍然缺少几个关键的构建模块。硅光子学中最关键的组成部分之一是激光器[13–16]。一个主要的限制是硅是一种间接带隙半导体[17]。由于无法实现高效的光发射，这对于光子系统是一个关键需求。此外，片上内联光放大器是必不可少的，因为每个光子构建模块都会引入插入损耗，导致光信号在穿过芯片上的多个组件后出现显著的信号衰减。在传统的光纤通信中，常用掺铒光纤放大器（EDFA）用于C波段，掺铥光纤放大器（PDFA）用于O波段，以缓解这种损耗[18,19]。然而，将这些放大器微型化以便片上集成仍然是一个挑战，并且仍然需要一个泵浦激光源。此外，必须防止光通过光学组件时产生的反射，因为激光器通常对外部反馈非常敏感。因此，需要片上光隔离器和光环流器[20–22]。然而，硅缺乏磁光效应[23]，这使得在片上制造有效的光隔离器或光环流器成为不可能。

一些有前景的半导体、电光和磁光材料已经在解决硅光子学的这些限制方面展现了潜力。特别是，III-V族半导体如InP、GaAs和GaN，在实现从紫外到红外的广泛光谱范围内的光源方面具有极高的效率[24–28]。此外，像铌酸锂（LN）、钽酸锂（LiTaO3）和钛酸铅（PZT）等材料，由于其非中心对称的晶体结构，非常适合用于高性能电光调制器[29–32]。此外，像掺铈铁镁（Ce:YIG）这样的磁光材料非常适合用于光隔离器[33–35]。

然而，将这些材料集成到SiPh平台中由于它们与CMOS的不兼容性，仍然面临重大挑战。克服这些限制对于推动完全集成的光子系统至关重要。微转印（μTP）技术，由X-Celeprint公司授权，提供了一个有前景的解决方案，通过解耦非本地器件的制造与SiPh平台，使得在各种材料系统和基底上实现多功能集成成为可能[36–39]。该技术提供了几个关键优势，包括500 nm以内的高对准精度、高吞吐量以及每个掩模可集成数千个器件的能力，使其成为一种适用于中等高产量生产的成本效益解决方案。其他主流的异质集成方法，如晶圆键合、倒装芯片集成和异质外延生长，也具有其优点。关于这些技术的详细比较见参考文献[36]。

在这项研究中，我们在GaAs外延晶片上预制了高密度标准化的InAs/GaAs量子点（QD）有源器件，优化用于微转印。与多量子阱（MQW）结构相比，QD层表现出较低的反射灵敏度，可能避免了额外光隔离器的需求。这些QD器件可以轻松地释放并转印到SiPh芯片的目标区域。这些QD器件随后用于形成片上的DFB激光器、广泛可调谐激光器和SOA，为硅光子学提供光源和放大器，展示了先进器件集成的潜力。

1. 设计与制造

A. GaAs QD有源器件的预制

为了防止非CMOS兼容材料污染SiPh工艺线，我们在GaAs外延晶片上预制了标准化的InAs/GaAs QD有源器件。将这些GaAs QD器件集成到先进SiPh平台（如imec iSiPP50G[6]平台）的整体工艺流程如图1所示。

图 1. 在 SiPh 平台上集成 GaAs QD 有源器件的示意工艺流程。

制造过程从使用感应耦合等离子体（ICP）刻蚀技术定义GaAs光栅开始[图1（a）和1（b）]，然后进行金属沉积。随后，光栅被厚SiNx和SiO2双介质层封装，表面形貌通过厚的苯环丁烯（BCB）层进行平整。制造过程的详细信息可以参考我们的先前工作[40]。为了释放GaAs QD有源器件，样品经历了一个释放刻蚀过程，将其浸入1:1的37%盐酸（HCl）和水溶液中，持续1小时。这一湿法刻蚀步骤选择性地去除AlGaAs牺牲层，保持QD器件完好并悬浮在基底上，同时仍由光刻胶支撑。此时，QD有源器件阵列已经完全制造完成，并准备进行转印。图2（a）展示了在源晶片上经过选择性湿法刻蚀后的QD器件阵列的光学显微镜图像，准备使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）印章进行拾取。

通过光刻技术[图1(c)]制造的光刻胶连接物在释放过程中起到了至关重要的作用，确保了QD器件的稳定性。这些连接物提供了更好的顺应性，有效地最小化了机械应力。连接物的间距设计用以提供足够的支持，防止III-V族样品崩塌，并确保在拾取过程中能够在锚点处轻松脱离。然而，过度密集或过长的连接物可能在断裂后留下残余的连接物碎片，可能导致粘合失败。关于μTP工艺的起源与发展，以及对各种材料和器件的应用，已在我们之前发表的参考文献中进行了详细说明[41–43]。

B. GaAs QD在SiPh放大器上的集成

我们利用IMEC SiPh平台制造了SiPh电路，该平台可以集成低损耗波导、光栅耦合器（GCs）、电气互连等。硅波导电路是在imec的300 mm SiPh平台上实现的，该平台由220 nm厚的晶体硅器件层、160 nm厚的多晶硅覆盖层和包括两个金属互联层及裸露铝键合垫的复杂后端层堆栈组成。2 μm厚的埋氧化物（BOX）层位于硅波导下方，作为绝缘层，确保光模式在硅波导内的适当限制，最大限度地减少损耗。平台上定义了凹槽，以容纳转印后的GaAs QD器件，如图1(e)所示。为了解决过度粗糙度问题（粗糙度可能会影响粘接质量），表面通过填充一层薄的BCB层（数十纳米厚）进行了平整，以维持足够的粘附力，以便后续放置GaAs有源器件。使用X-Celeprint MTP100实验室规模打印机，通过与对应大小的PDMS印章拾取QD器件，如图1(d)所示。然后，将这些器件精确地转印到指定的凹槽中，实现了小于500 nm的位移对准误差。在转印完样品后，BCB层在280°C下完全固化，确保了牢固和耐用的粘接。随后，采用标准化金属化工艺形成电极垫，有效地将GaAs QD器件连接到SiPh芯片的片上电极。

图2. (a) 在源晶片上制造的GaAs QD器件阵列的光学显微镜图像；(b) 微转印的GaAs QD-on-Si SOA在SiPh芯片上的图像；(c) 锥形区域的横截面SEM图像。

图2(b)显示了QD器件在SiPh晶片上金属化后的位置光学显微镜图像。

图3. (a) GaAs QD器件转印到SiPh平台后的顶视示意图；(b) 沿y方向的GaAs QD-on-Si器件的横截面示意图；(c) 沿x方向的布拉格光栅上的QD器件的横截面示意图；(d) 通过锥形结构耦合时的光模式场分布；(e) 锥形耦合效率（|S21|²）与错位的关系。

图3(a)和3(b)展示了集成在SiPh波导电路上的GaAs QD半导体光放大器（SOA）器件示意图。光信号从晶体硅（c-Si）波导高效耦合到多晶硅（p-Si）/晶体硅波导，然后最终通过绝热锥形耦合到GaAs QD有源层[40]，该设计提供了1 μm的对准容差。图3(d)和3(e)展示了锥形耦合的仿真耦合效率（|S21|²）与错位的关系，展示了1 μm错位下的99.1%的传输效率。反馈水平在锥形尖端界面处低于-40 dB。图2(c)展示了锥形尖端的横截面SEM图像。

C. GaAs QD在SiPh DFB激光器上的集成

为了在SiPh平台上集成GaAs QD激光器，SiPh目标芯片由imec使用193 nm浸没深紫外（DUV）光刻技术制造。被动SiPh芯片由c-Si层和p-Si层组成，位于2 μm的BOX层上。通过刻蚀c-Si层定义波导结构和二阶布拉格光栅（光栅周期390 nm，光栅长度1.4 mm，c-Si全刻透过），并进行四分之一波长（λ/4）相位移[40,44,45]。

在后端制造和腔体定义后，施加一层厚度为数十纳米的薄BCB层，以促进QD器件的转印和粘附，类似于SOA的处理。转印后，QD器件作为SiPh上的DFB激光器的增益介质。c-Si层中的DFB光栅选择性地反射布拉格波长的光，并通过只允许所需波长共振来强制单模操作。图3(c)显示了QD器件在布拉格光栅上的横截面示意图。该工艺导致发射具有明确波长和高光谱纯度的相干激光束，这正是SiPh上的DFB激光器的特征。

D. GaAs QD在SiPh广泛可调谐激光器上的集成

图4. (a) 广泛可调激光器的SiPh电路示意图；(b) 完全制造的可调激光器在SiPh芯片上的显微镜图像。

为了将GaAs QD广泛可调谐激光器集成到SiPh平台上，图4(a)展示了SiPh电路的示意布局，说明了关键组件。芯片包括用于集成GaAs QD SOA的增益区域、Vernier滤波器、可调Sagnac环镜、相位调制器和基于马赫-曾德干涉仪（MZI）的开关。

Vernier滤波器由两个热可调微环共振器（MRRs）组成，具有略微不同的直径（60和63 μm），对应的自由光谱范围（FSR）分别为2.34和2.23 nm，位于1310 nm波长附近。该配置使得滤波器能够选择比单个共振器更广的调谐范围[46–48]。热光相位调制器用于调谐激光器的腔模。热可调反射器作为外耦合镜实现，用于控制镜面的反射率，以优化外耦合效率。如图4(a)所示，芯片上为集成GaAs QD器件以放大来自可调反射镜的光输出预留了额外区域（尽管当前芯片在该区域未转印QD样品）。基于MZI的开关用于将输出功率导向测试端口（光栅耦合器）或其他片上组件以进一步处理。

在将2.2 mm长的GaAs QD有源器件转印到芯片的增益区域后，随后的加工步骤与制造GaAs QD DFB激光器时相同。选择较长的SOA样品以增强光增益并减少电阻。这一设计还缓解了自加热问题。图4(b)展示了完全制造的可调激光器在SiPh芯片上的显微镜图像。

性能表征与讨论
A. 集成GaAs QD-on-Si放大器的性能
O波段GaAs QD-on-Si SOA被放置在温控台上进行所有测量。测试中的器件通过光纤舞台上的裂解标准单模光纤进行光学探测。GaAs QD SOA通过探针针头进行电接触。使用Keithley 2400 SourceMeter驱动有源器件并获得其IV特性。

图5. (a) 在不同温度下GaAs QD-on-Si SOA的电流-电压（IV）特性和差分电阻；(b) 不同温度下GaAs QD-on-Si SOA的片上增益光谱与波长的关系，插图显示单一光栅耦合器损耗与波长和温度的关系；(c) 不同偏置电流下片上输出功率与波导（WG）耦合输入功率的关系；(d) 不同偏置电流下片上增益与波导耦合输入功率的关系。

从图5(a)可以看出，当温度从20°C升高到50°C时，SOA的差分电阻范围从3.89 Ω降到3.73 Ω，表面面积为5520 μm²。差分电阻是在注入电流密度为2.5 kA/cm²时确定的。放大器具有良好的电气特性，能够进行高电流注入并最大程度地减少自加热，这对于高功率操作至关重要。

为了准确表征SOA的片上增益，使用了一台稳定的连续波（CW）可调激光器（Santec TSL-510），并连接到偏振控制器以优化与片上光栅耦合器的耦合效率。调整光纤支架的角度，使最大传输波长与SOA的增益峰值对齐。SOA的输出功率通过光谱分析仪（OSA，Agilent 86140B）进行测量，设置分辨带宽（RBW）为0.1 nm。这个狭窄的带宽对于确保测量输出功率不受放大自发辐射（ASE）的影响至关重要，从而提供了一个准确的放大器性能评估。

此外，为了校准片上增益测量，需要准确量化光栅耦合器随波长变化的损耗[图5(b)插图]。为此，集成了短直线参考被动硅波导，每个波导上有两个光栅耦合器，并将其战略性地放置在靠近放大器的位置。这样安排确保了参考波导经历与SOA内被动波导和耦合器相同的制造工艺。光栅耦合器的损耗使用与SOA相同的测量设置来确定，确保实验条件的一致性，并为校准放大器增益提供可靠数据。

图5(b)展示了不同温度下，在校准后的输入波长与相应增益之间的关系（1.66 mm长的SOA）。结果显示，当器件保持在20°C时，SOA在1299 nm波长处实现最大增益7.51 dB。随着测量台温度的升高，SOA的增益从7.51 dB降低到4.03 dB。同时，增益峰值波长发生红移，从20°C时的1299 nm移动到50°C时的1314 nm。随着温度升高观察到的红移可以归因于有源区材料带隙能量的温度依赖性。具体而言，QD有源区的带隙随着温度的升高大约线性减小[49–51]。随着带隙的缩小，电子跃迁所需的能量降低，导致增益的最佳波长向更长波长方向偏移，从而出现红移。此外，在较高温度下，非辐射复合过程，如奥热复合和缺陷相关复合，变得更加显著[52–54]。这些过程导致可供受激发射的自由载流子数量减少，从而降低了光学放大的必要人口反转。因此，SOA的增益随着温度的升高而下降。在未来的工作中，将进一步探索器件结构的优化。将热通孔引入基板将实现更低的热阻，进一步减少自加热，提高器件的高温性能。

图5(c)和5(d)展示了SOA的片上输出功率和相应增益与输入功率的关系。通过改变可调激光器（波长为1300 nm）的输入功率进行该表征。片上输入功率在-20 dBm和-1 dBm之间调整，同时使用OSA监测SOA的输出功率。SOA的偏置电流范围为80至180 mA。结果表明，当输入功率低于-5 dBm时，波导耦合输入功率与片上输出功率之间呈线性关系。在不同驱动电流下校准增益后，发现当输入功率低于-5 dBm时，增益保持稳定。为了实现最佳性能，耦合区域中的模式场设计必须平衡饱和输出功率和增益之间的权衡。这种平衡直接影响SOA设计的效率和效果。

B. 集成GaAs QD-on-Si DFB激光器的性能
GaAs QD-on-Si DFB激光器的测试设置与上述SOA测试设置相同。光功率通过功率计（HP 8163A）进行测量。图6(a)展示了DFB激光器在不同台温下的光电流电压（LIV）曲线。如图所示，当驱动电流超过70 mA时，DFB激光器开始激光发射。随着驱动电流的进一步增加，波导耦合输出功率逐渐上升，在20°C的测量温度下，最大值为19.7 mW，在230 mA时达到。波导耦合输出功率代表了片上硅波导中的光功率，已进行校准以排除从光纤到光栅耦合器接口和其他系统损耗的影响。

当台温升高到40°C时，峰值光功率的变化出现在216 mA，峰值功率下降到14.1 mW，之后随着驱动电流的继续增加，光功率开始下降。这一行为可归因于激光二极管在高温下将电能转换为光能的效率降低。此外，当驱动电流超过某个阈值时，额外的热量会加剧这些效应，导致输出功率下降。这解释了40°C时LIV曲线中的早期峰值和随后回落的现象。LIV曲线中的拐点归因于用来表征这些器件的光栅耦合器的反射。

图6. (a) 在不同温度下GaAs QD-on-Si DFB激光器的电流-电压（IV）特性和波导（WG）耦合输出功率；(b) 在不同驱动电流下GaAs QD-on-Si DFB激光器的光谱；(c) 在不同驱动电流下GaAs QD-on-Si DFB激光器的频率噪声谱，显示线宽值从2.05 MHz到803.6 kHz。

图6(b)展示了20°C时输出功率的光谱。较低驱动电流下，DFB激光器表现出模式竞争。然而，随着驱动电流的增加，主激光模式稳定下来，达到了最大旁模抑制比（SMSR）为33 dB。

图6(c)展示了DFB激光器的频率噪声谱和瞬时线宽（LW），这些数据由OE4000激光相位噪声分析仪系统获得。数据显示，当偏置电流增加时，器件的线宽从2.05 MHz降低到803.6 kHz，因为更高比例的受激发射导致相位噪声减少，从而使发射光子的相位与腔内的光场更加同步[55]。这种减少的相位噪声缩小了激光器的光谱线宽。

此外，在DFB激光器的操作过程中，载流子和光子的复合与生成会导致光子密度的瞬时波动。这些波动导致输出功率的变化，称为激光的相对强度噪声（RIN）[56–58]。高RIN水平可能通过引起信号幅度的随机波动，增加光通信系统中的比特错误率（BER），从而导致接收端错误的数据解读[59–61]。因此，对于高速应用，使用低RIN的DFB激光器至关重要。在设计通信系统时，所需的BER设定了激光允许的最大RIN。单位带宽内的RIN可以使用公式[62]进行计算。

其中，hδP2i表示均方噪声波动（假设遵循高斯分布），P0表示激光器的平均光功率输出，Δf是测量设备的滤波带宽。对于一个以30 Gbps速率运行并要求BER为10−9的数字链路，假设所需带宽是链路比特率的0.75 [63]，则RIN应低于−125.0 dB/Hz。这确保了可靠的数据传输，且信号衰减最小。

为了评估QD-on-Si DFB激光器的RIN，构建了如图7(a)所示的测量设置。激光器在不同的电流下驱动，发射的光被耦合到光纤中。然后，使用带有跨阻放大器（TIA）的高速光电探测器（PD）（Discovery DSCR409）将光信号转换为电信号。随后，这个电信号通过直流阻塞器进行滤波，以去除直流分量，只允许射频信号通过。射频信号通过射频放大器（SHF S804B）放大，然后由电气谱分析仪（ESA，Keysight N9010A）分析，以确定激光器的RIN。需要注意的是，测量的噪声包括来自激光器RIN、PD的光子噪声以及射频放大器和TIA的热噪声。因此，进行了校准过程，以将激光器的RIN与其他噪声源隔离开来。

图7(b)展示了激光器在不同驱动电流下的RIN结果。数据表明，随着驱动电流从120 mA增加到220 mA，RIN从−137.9 dB/Hz降低到−149.6 dB/Hz（在20°C时）。随着电流的增加，RIN的降低可以通过由于自发辐射导致的相对光子数波动的减少来解释，这在较高电流下变得相对于总光子数更小。此外，模式竞争减少，最大限度地减少了不同模式之间的功率波动，从而降低了RIN。

图7. (a) 用于测量QD-on-Si DFB激光器RIN的设置示意图；(b) 在恒温20°C下，随着驱动电流变化，DFB激光器的RIN光谱测量结果；(c) 在固定驱动电流220 mA下，分别在不同温度下测量的RIN光谱。

图7(c)展示了在20°C到40°C温度范围内，固定驱动电流为220 mA时的RIN结果。观察到RIN从−149.6 dB/Hz略微增加到−147.6 dB/Hz，表明激光输出的噪声波动在高温环境下增加。

尽管如此，激光器仍保持相对较低的RIN，这对于高速通信应用至关重要。为了进一步验证GaAs QD-on-Si激光器在高速通信应用中的适用性，我们使用图8(a)所示的设置进行了高速传输测试。在该设置中，来自片上光栅耦合器的激光发射光信号被传输到光调制器，驱动信号源为任意波形发生器（AWG，Agilent Keysight），使用伪随机二进制序列（PRBS）模式为27−1，并采用非归零（NRZ）编码方案。调制后的光信号通过PDFA、可调光滤波器和可变光衰减器（VOA）来控制信号功率。生成的光信号被高速光电探测器（PD）与TIA（Discovery DSCR409）转换为电信号，并通过实时示波器（RTO，LabMaster 10-Zi-A）进行分析，以捕捉眼图。信号还被送往SHF比特错误率测试仪（BERT），以计算比特错误率（BER）。

图8. (a) 用于GaAs QD-on-Si DFB激光器高速传输测试的实验设置示意图；(b) 在30 Gbps速率下，比特错误率与接收光功率的关系；插图显示了对应不同接收功率的眼图。

如图8(b)所示，DFB激光器展示了强大的性能，支持30 Gbps数字链路，并具有高保真度。当光电探测器接收功率超过−11 dBm时，BER低于10−12，低于BERT的阈值，表明信号完整性极好。

C. 集成GaAs QD-on-Si广泛可调激光器的性能
O波段QD-on-Si广泛可调激光器的性能在温控台上进行评估。为确保测试过程中电气连接稳定可靠，器件通过线焊接到印刷电路板（PCB）上。该设置使用PyMeasure3库实现，能够高效控制SourceMeter进行热调谐，同时使用HP功率计和OSA监控输出，增强了测量精度和可重复性。激光器的阈值电流为80 mA，如图9(a)中的LIV特性所示。差分电阻小于3 Ω。1295.8 nm处的波导输出功率在20°C时达到3.6 mW。

激光器的调谐机制基于Vernier滤波器，采用两个热可调的微环共振器，具有略微不同的直径，以实现广泛的调谐。此外，采用了热可调的Sagnac环镜和相位调制器，以优化外耦合镜的反射率，并提高调谐精度和输出功率。调谐原理可以参考文献[64]。激光器的波长调谐范围从1280.6 nm到1315.7 nm，超过35 nm，如图9(b)所示。

图9. (a) GaAs QD-on-Si广泛可调激光器的IV特性和波导（WG）耦合输出功率，谐振波长调谐至1295.8 nm；(b) 可调激光器的光谱。

激光器在整个调谐范围内维持了约40 dB的高SMSR，确保了稳定的单模操作，且模式竞争最小。

结果证实了这些GaAs QD-on-Si广泛可调激光器在SiPh系统中的潜力，提供了广泛的波长调谐能力、良好的输出功率和光谱纯度，使其在集成到先进的SiPh平台中具有重要意义。这些能力为未来在高速、高容量光通信系统及其他需要紧凑、高效和高度可调光子器件的应用中带来了创新的机会。

D. DFB激光器在光反馈下的动态响应
在通信系统中，激光发射的光通过各种光学组件，导致在每个接口处不可避免地产生一定程度的反射。这些反射可能对激光器的性能产生不利影响[65–67]。当外部光反馈的强度达到某一阈值时，它会导致所谓的相干崩溃现象[68–70]。即使是极少量的反馈，也可能对激光器的线宽和噪声特性产生显著影响，尤其是对于单频量子阱激光器。实际上，0.4%（−24 dB）的反馈就被认为是显著的[62]。在光纤通信系统中，通常在激光器前放置隔离器，以防止外部光反馈降低激光器的光学质量[71]。对于片上SiPh系统，最近的研究探索了使用磁光非互易材料，如Ce:YIG或铋掺杂YIG（Bi:YIG），制造隔离器，以防止光子集成电路（PIC）中的反射重新进入激光腔并影响其性能[72–75]。然而，将此类隔离器集成到PIC中需要复杂的电路设计，增加了额外的制造步骤，并提高了器件的总体成本。

为了实现高质量的片上激光源，我们选择了量子点作为GaAs有源器件的有源层。先前的研究表明，QD有源层相比于量子阱，表现出对光反馈的较低敏感性[76,77]。这主要是因为QD有源层通常具有较低的线宽增强因子（αH），该因子量化了激光中相位噪声与强度噪声之间的耦合关系，并且具有较高的阻尼率。较小的αH表示增益变化与折射率变化之间的耦合较弱。因此，当低αH的激光器受到光反馈信号干扰时，增益和相位的变化不太可能相互影响，从而导致激光输出更稳定，并减少对反馈的敏感性。

此外，在QD激光器中，非共振能态显著影响激光动态。根据偏置条件，QD激光器可以在三种不同的激光发射状态下工作：（i）基态（GS）激光发射，（ii）第一激发态（ES）激光发射，以及（iii）基态和激发态同时工作的双态激光发射[78]。关于GaAs QD激光器的研究表明，那些仅从基态跃迁激光发射的器件在外部光反馈下比在双态或仅ES激光发射状态下工作的器件更稳定[77,79]。近期研究进一步表明，对于能够在GS和ES之间切换的GaAs QD激光器，引起不稳定的反馈水平很大程度上取决于ES和GS之间的阈值差[78]。如果激光器从GS切换到ES的速度较快，它在光反馈下更容易变得不稳定。

为了评估GaAs QD-on-Si DFB激光器对外部光反馈的敏感性，并验证其在高速片上光通信中的鲁棒性，我们设计了一个测量设置来检查光反馈对DFB激光器RIN的影响。实验设置如图10所示，激光发射通过光栅耦合器结构后，输出被分成两条路径，使用一个3 dB分路器。在第一条路径中，激光信号被引导进入光环流器，输出端口（端口3）连接回输入端口（端口1）以创建反馈回路。在端口1和端口3之间，引入可变光衰减器（VOA）和带可调滤波器的SOA，精确控制反馈级别。当反馈级别超过−25 dB时，SOA将在回路内放大激光信号，增加反馈强度，指向激光器。第二条路径将激光输出引导到RIN测量系统，如图7(a)所示，以评估不同光反馈级别对DFB激光器噪声特性的影响。

图10. 在230 mA驱动电流下，具有不同反馈级别的DFB激光器的RIN光谱测量结果（插图为带光反馈的激光RIN测量设置）。

图10展示了在不同光反馈级别下GaAs QD-on-Si DFB激光器的RIN结果，激光器的驱动电流为230 mA。数据表明，在高频率（>1 GHz）下，激光器的RIN在不同反馈级别下保持相对不变，RIN值几乎保持恒定。这是因为在RIN谱的高频区域，量子噪声（主要是由于自发辐射引起的光子噪声）是主要的噪声源[62]。这种噪声通常是白噪声，对光反馈不敏感。然而，在较低频率下，RIN发生了明显的变化，这是由于与弛豫振荡的相互作用。在这些较低频率下，激光器对外部光反馈变得更加敏感，这会引起光功率波动，从而增加RIN。值得注意的是，即使是强外部光反馈级别（例如−16.5 dB），低频处的RIN峰值仍然保持在−125.0 dB/Hz以下。这个值非常关键，因为它足以支持30 Gbps光通信链路，如前文所述。

图11. (a) 有无光反馈时，比特错误率（BER）与接收功率的关系；(b) 比特错误率（BER）与不同光反馈级别的关系；插图显示了对应不同反馈级别的眼图。

为了进一步验证GaAs QD-on-Si DFB激光器在光反馈下的鲁棒性，我们将光反馈路径集成到30 Gbps高速传输测试设置中。如图11(a)所示，即使引入高达−24.3 dB的光反馈级别（这在设计良好的光学系统中被认为是合理的），BER与接收功率之间的关系仍然类似，表明高反馈级别对GaAs QD-on-Si DFB激光器的性能没有显著影响。具体来说，在接收功率为−11 dBm时，无反馈情况下的BER为4.44 × 10−12，而在−24.3 dB反馈下，BER略微增加至2.56 × 10−11。此外，有无光反馈的眼图显示没有明显的衰减，保持清晰开放，证明在高反馈条件下信号质量稳定。图11(b)展示了不同反馈级别下的BER结果及相应的眼图，表明BER保持低且稳定，一直维持在10−10左右。

结论
在本研究中，我们成功展示了使用μTP技术将预制标准化的InAs/GaAs QD有源器件集成到SiPh平台上。通过将这些QD器件战略性地放置在SiPh芯片的指定区域，我们直接在芯片上制造了O波段光放大器、无隔离器的DFB激光器和广泛可调激光器，实现了高效的信号放大和激光输出。集成的SOA在片上实现了最大7.5 dB的增益，而DFB激光器在室温下提供了高达19.7 mW的波导输出功率，支持在外部调制下30 Gbps的无错误数据传输。广泛可调激光器展示了超过35 nm的波长调谐范围，波导输出功率超过3 mW。由于有源层的量子点结构，激光器在外部光反馈下表现出较强的鲁棒性，表现在相对强度噪声的最小退化和在高速操作下的稳定比特错误率。这些结果凸显了μTP技术在开发完全集成O波段SiPh芯片中的潜力，为实现紧凑、高性能的光子电路提供了可行的路径，能够支持高速、高容量的光通信。

作者：YANG LIU, †,JING ZHANG, †LAURENS BOGAERT,EMADREZA SOLTANIAN,EVANGELIA DELLI,KONSTANTIN MOROZOV,SERGEY MIKHRIN,JOHANNA RIMBÖCK,GUY LEPAGE,PETER VERHEYEN,JORIS VAN CAMPENHOUT,PETER OSSIEUR,GEERT MORTHIER,AND GUNTHER ROELKENS

单位：

1. Photonics Research Group, INTEC, Ghent University - imec, 9052 Ghent, Belgium

2. Innolume GmbH, 44263 Dortmund, Germany

3. EV Group E.Thallner GmbH, 4782 St. Florian am Inn, Austria

4. IMEC, 3001 Heverlee, Belgium

5. IDLab, INTEC, Ghent University - imec, 9052 Ghent, Belgium

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