我們演示了寬可調(diào)諧微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的直接調(diào)制。波長(zhǎng)調(diào)諧是通過(guò)電熱驅(qū)動(dòng)基于SiOx/SiNy的MEMS分布式布拉格反射器（DBR）實(shí)現(xiàn)的涝动。采用表面微加工的方法迈勋，在低溫等離子體增強(qiáng)的半VCSEL化學(xué)氣相沉積室中沉積DBR。實(shí)現(xiàn)了超過(guò)60nm的無(wú)模跳連續(xù)調(diào)諧醋粟，中心波長(zhǎng)為1554nm靡菇。Max 3dB小信號(hào)調(diào)制響應(yīng)（S21）帶寬為7.05GHz。在10Gb/s的調(diào)諧范圍內(nèi)昔穴，展示了背對(duì)背鏈路的準(zhǔn)無(wú)誤差操作镰官，創(chuàng)紀(jì)錄的47nm調(diào)諧范圍，顯示了MEMS可調(diào)諧VCSEL作為接入網(wǎng)絡(luò)和互連中具有成本效益的光源的兼容性吗货。
寬可調(diào)諧1550納米MEMSvcsel的10gb/s直接調(diào)制（4）-動(dòng)態(tài)測(cè)量
1)小信號(hào)調(diào)制響應(yīng)：小信號(hào)調(diào)制響應(yīng)的S21參數(shù)給出了激光動(dòng)態(tài)行為的估計(jì)。在不同的偏置電流和不同的發(fā)射波長(zhǎng)下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)勇垛。散熱器溫度設(shè)置為20℃脖母。該芯片的共面連接由級(jí)聯(lián)地面信號(hào)40GHz探頭直接連接。用接觸針單獨(dú)探測(cè)MEMS進(jìn)行電熱驅(qū)動(dòng)闲孤，如圖7所示谆级。27GHz皮秒脈沖偏置電路將來(lái)自矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（Agilent Technologies E5071C ENA）的高頻信號(hào)與來(lái)自激光二極管控制器的直流偏置相結(jié)合。小信號(hào)功率電平設(shè)置為?7dbm讼积。輸出光與標(biāo)準(zhǔn)單模透鏡光纖對(duì)接耦合肥照。zui后，一個(gè)光電二極管（Anritsu MN4765A勤众，3db帶寬65ghz舆绎，響應(yīng)度0.7a/W，無(wú)放大器）將光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)们颜。MEMS可調(diào)諧VCSEL在1555nm發(fā)射的小信號(hào)調(diào)制響應(yīng)如圖8(a)所示吕朵。在4.9Ith偏置電流下獲得7.05GHz的3db帶寬。
圖7 左圖：MEMSvcsel陣列窥突。右圖：MEMSVCSEL在晶圓上與直接調(diào)制的輔助規(guī)劃器探頭接觸努溃。光輸出與透鏡單模光纖對(duì)接耦合
BCB MEMS VCSEL的實(shí)測(cè)小信號(hào)響應(yīng)根據(jù)用擬合函數(shù)近似表示：
以常數(shù)B為松弛共振頻率fr、固有阻尼γ和寄生滾轉(zhuǎn)頻率fp阻问。根據(jù)VCSELs的速率方程分析茅坛，fr可表示為
D因子量化了諧振頻率隨電流的增加，在圖8(b)中由低自熱狀態(tài)下電流的fr(I)斜率確定则拷。在本例中贡蓖，器件的D因子為1.7GHz/mA1/2，Max 諧振頻率為5.81GHz煌茬。線性擬合曲線的彎曲是由于在19mA偏置電流下發(fā)生的熱阻尼效應(yīng)斥铺。相對(duì)較小的d因子可能是由于并入氣隙導(dǎo)致的大腔長(zhǎng)以及對(duì)MEMSDBR的高穿透深度和大電流孔徑。為了進(jìn)一步提高S21響應(yīng)的3db帶寬坛善，需要更大的d因子晾蜘。采用更短的腔長(zhǎng)設(shè)計(jì)、微調(diào)DBR電介質(zhì)的折射率眠屎、減小孔徑尺寸以及通過(guò)適當(dāng)?shù)碾娀p小光學(xué)損耗等措施可以改善該特性剔交。|H(f)|2的3db角頻率相對(duì)于高于閾值的電流的平方根也繪制在圖8(c)中。該曲線在低電流狀態(tài)下用線性直線方程擬合改衩。斜率表示為調(diào)制電流效率因子（MCEF）岖常，
提取的MCEF為2.11.7GHz/mA1/2。不同調(diào)諧波長(zhǎng)下S21調(diào)制響應(yīng)的3db角頻率如圖8(d)所示葫督。在47nm的調(diào)諧范圍內(nèi)獲得了3db小信號(hào)調(diào)制帶寬>4.63GHz竭鞍。
圖8 (a)在閾值電流Ith=5.8mA以上，14μm BTJ直徑的MEMS VCSEL在不同偏置點(diǎn)下的小信號(hào)調(diào)制響應(yīng)的S21參數(shù)
(b)共振頻率fR對(duì)高于閾值(I-Ith)1/2的偏置電流的平方根
(c)3db調(diào)制帶寬f3dBvs(I-Ith)1/2
(d)不同調(diào)諧波長(zhǎng)的小信號(hào)3db帶寬
所有測(cè)量都在20°C下進(jìn)行橄镜。
2)大信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸：大信號(hào)域的調(diào)制分析對(duì)于評(píng)估實(shí)際數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的性能通常是必不可少的偎快，因?yàn)樾⌒盘?hào)帶寬并不能直接轉(zhuǎn)化為這種系統(tǒng)的性能。用于大信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)裝置如圖9所示洽胶。PRBS為221-1的非歸零（NRZ）位模式由Advantest脈沖模式發(fā)生器（型號(hào)D3186晒夹，帶寬12.5Gb/s）產(chǎn)生。將峰值電壓為850mV的調(diào)制信號(hào)應(yīng)用于直流偏置MEMSVCSEL姊氓。通過(guò)改變MEMS電流來(lái)調(diào)整諧振波長(zhǎng)丐怯，從而設(shè)置偏置電流。輸出光與標(biāo)準(zhǔn)單模透鏡光纖對(duì)接他膳。通過(guò)光學(xué)耦合器响逢，1%的光被送入光譜分析儀，99%的光被引導(dǎo)到可變光衰減器棕孙，從那里舔亭，光再次通過(guò)校準(zhǔn)的光功率計(jì)（1%）和基于p-i-n光電二極管的光波轉(zhuǎn)換器（99%）進(jìn)行耦合。zui后蟀俊，光波轉(zhuǎn)換器的調(diào)制電輸出通過(guò)寬帶低噪聲放大器和電低通濾波器交替連接到采樣示波器或誤差檢測(cè)器钦铺。實(shí)驗(yàn)是針對(duì)BTB鏈路進(jìn)行的。消光比從不同調(diào)諧波長(zhǎng)下的光學(xué)眼圖中提取肢预，如圖10所示矛洞，消光比定義為線性尺度下1級(jí)與0級(jí)的功率比。在調(diào)諧包絡(luò)線的兩個(gè)邊緣對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)無(wú)差錯(cuò)傳輸眼也顯示在插圖中。
在1555nm處獲得的z佳消光比為7.1dB沼本。
圖9 大信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)裝置噩峦。SG：信號(hào)發(fā)生器，PPG：脈沖圖發(fā)生器抽兆，SMF：?jiǎn)文９饫w识补，OSA：光譜分析儀，α：可變光衰減器辫红，A：電放大器凭涂，LPF：電低通濾波器，BERT：誤碼率測(cè)試儀贴妻，SO：采樣示波器
圖10 不同調(diào)諧波長(zhǎng)下10Gb/s光學(xué)眼圖的消光比
在1547nm發(fā)射波長(zhǎng)處切油，消光比相對(duì)較低。這是由于較高的0電平功率（可從相應(yīng)的光學(xué)眼圖測(cè)量）表明沒(méi)有設(shè)置z佳偏置條件名惩。圖11顯示了不同波長(zhǎng)下直接開(kāi)關(guān)鍵（OOK）調(diào)制MEMS VCSEL的測(cè)量誤碼率（BER）性能澎胡。無(wú)誤差（誤碼率<10?9）的傳輸速率為10G/s，傳輸速率為20℃绢片，可實(shí)現(xiàn)47nm連續(xù)調(diào)諧范圍（1530至1577nm）滤馍。在整個(gè)調(diào)諧范圍內(nèi)具有10Gb/sNRZ大信號(hào)操作，MEMSVCSEL預(yù)計(jì)具有7GHz（70%大信號(hào)調(diào)制頻率）的S213-dB帶寬底循。然而巢株，如圖8(a)所示，該器件在調(diào)諧范圍的下邊緣（即1530nm處）具有4.63GHz的Min3db帶寬熙涤。這種現(xiàn)象可以解釋如下阁苞。這些基于inp的vcsel在很大程度上仍然受到熱限制。因此祠挫，調(diào)制響應(yīng)是過(guò)阻尼的那槽，并且具有有利于更高數(shù)據(jù)速率的平滑形狀。
此外等舔，通過(guò)在連續(xù)波熱滾轉(zhuǎn)周?chē)枚O管骚灸，實(shí)現(xiàn)了VCSEL的10Gb/s大信號(hào)調(diào)制性能。當(dāng)器件以50%占空比脈沖驅(qū)動(dòng)時(shí)慌植，熱翻轉(zhuǎn)發(fā)生在較高的泵電流下甚牲。如果只考慮小信號(hào)分析，這些BCB VCSEL的性能可能會(huì)被一般的經(jīng)驗(yàn)法則低估蝶柿。為了研究接收機(jī)的靈敏度丈钙，用MZM對(duì)MEMS可調(diào)諧VCSEL進(jìn)行外部調(diào)制。
功率懲罰因發(fā)射波長(zhǎng)不同而不同（參見(jiàn)圖11）交汤。在固定值log10(BER)=100?9時(shí)雏赦，參考MZM的Max和Min功率損失分別為調(diào)諧包絡(luò)線下緣8.9dB和中心4.1dB。較大的懲罰歸因于較低的消光比和超調(diào)失真。
此外星岗，調(diào)諧范圍的中心波長(zhǎng)與邊緣波長(zhǎng)相比具有更低的功率懲罰（參見(jiàn)圖11中1527和1582nm的BER曲線）填大，這符合器件的小信號(hào)調(diào)制響應(yīng)趨勢(shì)（中心波長(zhǎng)具有更大的3dB帶寬S21）。
圖11 BTB 10Gb/s OOK直接調(diào)制的誤碼率性能與接收光功率的函數(shù)關(guān)系
為了獲得1550nm電信波長(zhǎng)附近的可調(diào)諧發(fā)射伍茄，通過(guò)表面微加工將基于SiNx/SiOy的寬帶反射率MEMS DBR集成到BCB封裝的高速半VCSEL中栋盹。本文介紹了PECVD生長(zhǎng)MEMS的制備方法。通過(guò)電熱驅(qū)動(dòng)MEMS電極敷矫，實(shí)現(xiàn)了60nm的寬調(diào)諧，中心波長(zhǎng)為1554nm汉额。在1550nm處曹仗，MEMS VCSEL的光纖耦合Max 輸出功率為1.42mW。
半VCSEL結(jié)構(gòu)在高速運(yùn)行中得到了很好的優(yōu)化蠕搜。在47nm連續(xù)調(diào)諧時(shí)怎茫，小信號(hào)調(diào)制響應(yīng)的3db Max 帶寬超過(guò)4.63GHz，而在1555nm時(shí)妓灌，Max帶寬可達(dá)7.05GHz轨蛤。MEMS VCSEL采用NRZ直接調(diào)制，在10Gb/s數(shù)據(jù)速率下無(wú)錯(cuò)誤傳輸虫埂，PRBS為223-1祥山，首次報(bào)道了47nm的寬調(diào)諧范圍。
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