我们演示了宽可调谐微机电系统（MEMS）垂直腔面发射激光器（VCSEL）的直接调制。波长调谐是通过电热驱动基于SiOx/SiNy的MEMS分布式布拉格反射器（DBR）实现的。采用表面微加工的方法，在低温等离子体增强的半VCSEL化学气相沉积室中沉积DBR。实现了超过60nm的无模跳连续调谐，中心波长为1554nm。Max 3dB小信号调制响应（S21）带宽为7.05GHz。在10Gb/s的调谐范围内，展示了背对背链路的准无误差操作，创纪录的47nm调谐范围，显示了MEMS可调谐VCSEL作为接入网络和互连中具有成本效益的光源的兼容性。
宽可调谐1550纳米MEMSvcsel的10gb/s直接调制（4）-动态测量
1)小信号调制响应：小信号调制响应的S21参数给出了激光动态行为的估计。在不同的偏置电流和不同的发射波长下进行了实验。散热器温度设置为20℃。该芯片的共面连接由级联地面信号40GHz探头直接连接。用接触针单独探测MEMS进行电热驱动，如图7所示。27GHz皮秒脉冲偏置电路将来自矢量网络分析仪（Agilent Technologies E5071C ENA）的高频信号与来自激光二极管控制器的直流偏置相结合。小信号功率电平设置为−7dbm。输出光与标准单模透镜光纤对接耦合。zui后，一个光电二极管（Anritsu MN4765A，3db带宽65ghz，响应度0.7a/W，无放大器）将光转换为电信号。MEMS可调谐VCSEL在1555nm发射的小信号调制响应如图8(a)所示。在4.9Ith偏置电流下获得7.05GHz的3db带宽。
图7 左图：MEMSvcsel阵列。右图：MEMSVCSEL在晶圆上与直接调制的辅助规划器探头接触。光输出与透镜单模光纤对接耦合
BCB MEMS VCSEL的实测小信号响应根据用拟合函数近似表示：
以常数B为松弛共振频率fr、固有阻尼γ和寄生滚转频率fp。根据VCSELs的速率方程分析，fr可表示为
D因子量化了谐振频率随电流的增加，在图8(b)中由低自热状态下电流的fr(I)斜率确定。在本例中，器件的D因子为1.7GHz/mA1/2，Max 谐振频率为5.81GHz。线性拟合曲线的弯曲是由于在19mA偏置电流下发生的热阻尼效应。相对较小的d因子可能是由于并入气隙导致的大腔长以及对MEMSDBR的高穿透深度和大电流孔径。为了进一步提高S21响应的3db带宽，需要更大的d因子。采用更短的腔长设计、微调DBR电介质的折射率、减小孔径尺寸以及通过适当的电弧减小光学损耗等措施可以改善该特性。|H(f)|2的3db角频率相对于高于阈值的电流的平方根也绘制在图8(c)中。该曲线在低电流状态下用线性直线方程拟合。斜率表示为调制电流效率因子（MCEF），
提取的MCEF为2.11.7GHz/mA1/2。不同调谐波长下S21调制响应的3db角频率如图8(d)所示。在47nm的调谐范围内获得了3db小信号调制带宽>4.63GHz。
图8 (a)在阈值电流Ith=5.8mA以上，14μm BTJ直径的MEMS VCSEL在不同偏置点下的小信号调制响应的S21参数
(b)共振频率fR对高于阈值(I-Ith)1/2的偏置电流的平方根
(c)3db调制带宽f3dBvs(I-Ith)1/2
(d)不同调谐波长的小信号3db带宽
所有测量都在20°C下进行。
2)大信号数据传输：大信号域的调制分析对于评估实际数字数据传输系统的性能通常是必不可少的，因为小信号带宽并不能直接转化为这种系统的性能。用于大信号数据传输的实验装置如图9所示。PRBS为221-1的非归零（NRZ）位模式由Advantest脉冲模式发生器（型号D3186，带宽12.5Gb/s）产生。将峰值电压为850mV的调制信号应用于直流偏置MEMSVCSEL。通过改变MEMS电流来调整谐振波长，从而设置偏置电流。输出光与标准单模透镜光纤对接。通过光学耦合器，1%的光被送入光谱分析仪，99%的光被引导到可变光衰减器，从那里，光再次通过校准的光功率计（1%）和基于p-i-n光电二极管的光波转换器（99%）进行耦合。zui后，光波转换器的调制电输出通过宽带低噪声放大器和电低通滤波器交替连接到采样示波器或误差检测器。实验是针对BTB链路进行的。消光比从不同调谐波长下的光学眼图中提取，如图10所示，消光比定义为线性尺度下1级与0级的功率比。在调谐包络线的两个边缘对应的准无差错传输眼也显示在插图中。
在1555nm处获得的z佳消光比为7.1dB。
图9 大信号数据传输实验装置。SG：信号发生器，PPG：脉冲图发生器，SMF：单模光纤，OSA：光谱分析仪，α：可变光衰减器，A：电放大器，LPF：电低通滤波器，BERT：误码率测试仪，SO：采样示波器
图10 不同调谐波长下10Gb/s光学眼图的消光比
在1547nm发射波长处，消光比相对较低。这是由于较高的0电平功率（可从相应的光学眼图测量）表明没有设置z佳偏置条件。图11显示了不同波长下直接开关键（OOK）调制MEMS VCSEL的测量误码率（BER）性能。无误差（误码率<10−9）的传输速率为10G/s，传输速率为20℃，可实现47nm连续调谐范围（1530至1577nm）。在整个调谐范围内具有10Gb/sNRZ大信号操作，MEMSVCSEL预计具有7GHz（70%大信号调制频率）的S213-dB带宽。然而，如图8(a)所示，该器件在调谐范围的下边缘（即1530nm处）具有4.63GHz的Min3db带宽。这种现象可以解释如下。这些基于inp的vcsel在很大程度上仍然受到热限制。因此，调制响应是过阻尼的，并且具有有利于更高数据速率的平滑形状。
此外，通过在连续波热滚转周围偏置二极管，实现了VCSEL的10Gb/s大信号调制性能。当器件以50%占空比脉冲驱动时，热翻转发生在较高的泵电流下。如果只考虑小信号分析，这些BCB VCSEL的性能可能会被一般的经验法则低估。为了研究接收机的灵敏度，用MZM对MEMS可调谐VCSEL进行外部调制。
功率惩罚因发射波长不同而不同（参见图11）。在固定值log10(BER)=100−9时，参考MZM的Max和Min功率损失分别为调谐包络线下缘8.9dB和中心4.1dB。较大的惩罚归因于较低的消光比和超调失真。
此外，调谐范围的中心波长与边缘波长相比具有更低的功率惩罚（参见图11中1527和1582nm的BER曲线），这符合器件的小信号调制响应趋势（中心波长具有更大的3dB带宽S21）。
图11 BTB 10Gb/s OOK直接调制的误码率性能与接收光功率的函数关系
为了获得1550nm电信波长附近的可调谐发射，通过表面微加工将基于SiNx/SiOy的宽带反射率MEMS DBR集成到BCB封装的高速半VCSEL中。本文介绍了PECVD生长MEMS的制备方法。通过电热驱动MEMS电极，实现了60nm的宽调谐，中心波长为1554nm。在1550nm处，MEMS VCSEL的光纤耦合Max 输出功率为1.42mW。
半VCSEL结构在高速运行中得到了很好的优化。在47nm连续调谐时，小信号调制响应的3db Max 带宽超过4.63GHz，而在1555nm时，Max带宽可达7.05GHz。MEMS VCSEL采用NRZ直接调制，在10Gb/s数据速率下无错误传输，PRBS为223-1，首次报道了47nm的宽调谐范围。
关于昊量光电：
上海昊量光电设备有限公司是光电产品专业代理商，产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、光学元件等，涉及应用涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防、量子光学、生物显微、物联传感、激光制造等；可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等服务。
您可以通过我们昊量光电的官方网站www.auniontech.com了解更多的产品信息，或直接来电咨询4006-888-532。
