我們(men) 演示了寬可調諧微機電係統（MEMS）垂直腔麵發射激光器（VCSEL）的直接調製。波長調諧是通過電熱驅動基於(yu) SiOx/SiNy的MEMS分布式布拉格反射器（DBR）實現的。采用表麵微加工的方法，在低溫等離子體(ti) 增強的半VCSEL化學氣相沉積室中沉積DBR。實現了超過60nm的無模跳連續調諧，中心波長為(wei) 1554nm。Max 3dB小信號調製響應（S21）帶寬為(wei) 7.05GHz。在10Gb/s的調諧範圍內(nei) ，展示了背對背鏈路的準無誤差操作，創紀錄的47nm調諧範圍，顯示了MEMS可調諧VCSEL作為(wei) 接入網絡和互連中具有成本效益的光源的兼容性。
寬可調諧1550納米MEMSvcsel的10gb/s直接調製（4）-動態測量
1)小信號調製響應：小信號調製響應的S21參數給出了激光動態行為(wei) 的估計。在不同的偏置電流和不同的發射波長下進行了實驗。散熱器溫度設置為(wei) 20℃。該芯片的共麵連接由級聯地麵信號40GHz探頭直接連接。用接觸針單獨探測MEMS進行電熱驅動，如圖7所示。27GHz皮秒脈衝(chong) 偏置電路將來自矢量網絡分析儀(yi) （Agilent Technologies E5071C ENA）的高頻信號與(yu) 來自激光二極管控製器的直流偏置相結合。小信號功率電平設置為(wei) −7dbm。輸出光與(yu) 標準單模透鏡光纖對接耦合。zui後，一個(ge) 光電二極管（Anritsu MN4765A，3db帶寬65ghz，響應度0.7a/W，無放大器）將光轉換為(wei) 電信號。MEMS可調諧VCSEL在1555nm發射的小信號調製響應如圖8(a)所示。在4.9Ith偏置電流下獲得7.05GHz的3db帶寬。
圖7 左圖：MEMSvcsel陣列。右圖：MEMSVCSEL在晶圓上與(yu) 直接調製的輔助規劃器探頭接觸。光輸出與(yu) 透鏡單模光纖對接耦合
BCB MEMS VCSEL的實測小信號響應根據用擬合函數近似表示：
以常數B為(wei) 鬆弛共振頻率fr、固有阻尼γ和寄生滾轉頻率fp。根據VCSELs的速率方程分析，fr可表示為(wei)
D因子量化了諧振頻率隨電流的增加，在圖8(b)中由低自熱狀態下電流的fr(I)斜率確定。在本例中，器件的D因子為(wei) 1.7GHz/mA1/2，Max 諧振頻率為(wei) 5.81GHz。線性擬合曲線的彎曲是由於(yu) 在19mA偏置電流下發生的熱阻尼效應。相對較小的d因子可能是由於(yu) 並入氣隙導致的大腔長以及對MEMSDBR的高穿透深度和大電流孔徑。為(wei) 了進一步提高S21響應的3db帶寬，需要更大的d因子。采用更短的腔長設計、微調DBR電介質的折射率、減小孔徑尺寸以及通過適當的電弧減小光學損耗等措施可以改善該特性。|H(f)|2的3db角頻率相對於(yu) 高於(yu) 閾值的電流的平方根也繪製在圖8(c)中。該曲線在低電流狀態下用線性直線方程擬合。斜率表示為(wei) 調製電流效率因子（MCEF），
提取的MCEF為(wei) 2.11.7GHz/mA1/2。不同調諧波長下S21調製響應的3db角頻率如圖8(d)所示。在47nm的調諧範圍內(nei) 獲得了3db小信號調製帶寬>4.63GHz。
圖8 (a)在閾值電流Ith=5.8mA以上，14μm BTJ直徑的MEMS VCSEL在不同偏置點下的小信號調製響應的S21參數
(b)共振頻率fR對高於(yu) 閾值(I-Ith)1/2的偏置電流的平方根
(c)3db調製帶寬f3dBvs(I-Ith)1/2
(d)不同調諧波長的小信號3db帶寬
所有測量都在20°C下進行。
2)大信號數據傳(chuan) 輸：大信號域的調製分析對於(yu) 評估實際數字數據傳(chuan) 輸係統的性能通常是必不可少的，因為(wei) 小信號帶寬並不能直接轉化為(wei) 這種係統的性能。用於(yu) 大信號數據傳(chuan) 輸的實驗裝置如圖9所示。PRBS為(wei) 221-1的非歸零（NRZ）位模式由Advantest脈衝(chong) 模式發生器（型號D3186，帶寬12.5Gb/s）產(chan) 生。將峰值電壓為(wei) 850mV的調製信號国产成人在线观看免费网站於(yu) 直流偏置MEMSVCSEL。通過改變MEMS電流來調整諧振波長，從(cong) 而設置偏置電流。輸出光與(yu) 標準單模透鏡光纖對接。通過光學耦合器，1%的光被送入光譜分析儀(yi) ，99%的光被引導到可變光衰減器，從(cong) 那裏，光再次通過校準的光功率計（1%）和基於(yu) p-i-n光電二極管的光波轉換器（99%）進行耦合。zui後，光波轉換器的調製電輸出通過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器。實驗是針對BTB鏈路進行的。消光比從(cong) 不同調諧波長下的光學眼圖中提取，如圖10所示，消光比定義(yi) 為(wei) 線性尺度下1級與(yu) 0級的功率比。在調諧包絡線的兩(liang) 個(ge) 邊緣對應的準無差錯傳(chuan) 輸眼也顯示在插圖中。
在1555nm處獲得的z佳消光比為(wei) 7.1dB。
圖9 大信號數據傳(chuan) 輸實驗裝置。SG：信號發生器，PPG：脈衝(chong) 圖發生器，SMF：單模光纖，OSA：光譜分析儀(yi) ，α：可變光衰減器，A：電放大器，LPF：電低通濾波器，BERT：誤碼率測試儀(yi) ，SO：采樣示波器
圖10 不同調諧波長下10Gb/s光學眼圖的消光比
在1547nm發射波長處，消光比相對較低。這是由於(yu) 較高的0電平功率（可從(cong) 相應的光學眼圖測量）表明沒有設置z佳偏置條件。圖11顯示了不同波長下直接開關(guan) 鍵（OOK）調製MEMS VCSEL的測量誤碼率（BER）性能。無誤差（誤碼率<10−9）的傳(chuan) 輸速率為(wei) 10G/s，傳(chuan) 輸速率為(wei) 20℃，可實現47nm連續調諧範圍（1530至1577nm）。在整個(ge) 調諧範圍內(nei) 具有10Gb/sNRZ大信號操作，MEMSVCSEL預計具有7GHz（70%大信號調製頻率）的S213-dB帶寬。然而，如圖8(a)所示，該器件在調諧範圍的下邊緣（即1530nm處）具有4.63GHz的Min3db帶寬。這種現象可以解釋如下。這些基於(yu) inp的vcsel在很大程度上仍然受到熱限製。因此，調製響應是過阻尼的，並且具有有利於(yu) 更高數據速率的平滑形狀。
此外，通過在連續波熱滾轉周圍偏置二極管，實現了VCSEL的10Gb/s大信號調製性能。當器件以50%占空比脈衝(chong) 驅動時，熱翻轉發生在較高的泵電流下。如果隻考慮小信號分析，這些BCB VCSEL的性能可能會(hui) 被一般的經驗法則低估。為(wei) 了研究接收機的靈敏度，用MZM對MEMS可調諧VCSEL進行外部調製。
功率懲罰因發射波長不同而不同（參見圖11）。在固定值log10(BER)=100−9時，參考MZM的Max和Min功率損失分別為(wei) 調諧包絡線下緣8.9dB和中心4.1dB。較大的懲罰歸因於(yu) 較低的消光比和超調失真。
此外，調諧範圍的中心波長與(yu) 邊緣波長相比具有更低的功率懲罰（參見圖11中1527和1582nm的BER曲線），這符合器件的小信號調製響應趨勢（中心波長具有更大的3dB帶寬S21）。
圖11 BTB 10Gb/s OOK直接調製的誤碼率性能與(yu) 接收光功率的函數關(guan) 係
為(wei) 了獲得1550nm電信波長附近的可調諧發射，通過表麵微加工將基於(yu) SiNx/SiOy的寬帶反射率MEMS DBR集成到BCB封裝的高速半VCSEL中。本文介紹了PECVD生長MEMS的製備方法。通過電熱驅動MEMS電極，實現了60nm的寬調諧，中心波長為(wei) 1554nm。在1550nm處，MEMS VCSEL的光纖耦合Max 輸出功率為(wei) 1.42mW。
半VCSEL結構在高速運行中得到了很好的優(you) 化。在47nm連續調諧時，小信號調製響應的3db Max 帶寬超過4.63GHz，而在1555nm時，Max帶寬可達7.05GHz。MEMS VCSEL采用NRZ直接調製，在10Gb/s數據速率下無錯誤傳(chuan) 輸，PRBS為(wei) 223-1，首次報道了47nm的寬調諧範圍。
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