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本文的主要作者为Yu Han、Qi Tian、Qiaomu Hu、Ruigang Zhang、Qingyun Xian、Deming Liu、Shuang Zheng以及Minming Zhang，他们均来自华中科技大学光学与电子信息学院（School of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology）。该研究发表于《IEEE Photonics Technology Letters》第35卷第23期，出版日期为2023年12月1日。研究的通讯作者为Minming Zhang和Shuang Zheng。该工作得到了国家重点研发计划（National Key Research and Development Program of China）项目2022YFB2802600的资助。

在学术背景方面，本文属于光电子器件与高速光通信领域，具体聚焦于电吸收调制激光器（Electro-Absorption Modulated Laser, EML）的芯片载体（Chip-on-Carrier, COC）子模块的带宽扩展问题。随着数据流量的快速增长，高速光发射机的研究与开发愈发迫切。相比于其他类型的激光器，EML具有调制速率高、驱动电压低、功耗低以及稳定性好等优势。一个EML芯片由分布反馈激光器（Distributed Feedback Laser, DFB）和电吸收调制器（Electro-Absorption Modulator, EAM）组成。DFB在正向偏置电流注入下提供稳定的激光光源，而EAM工作在反向偏置电压下，利用量子限制斯塔克效应（Quantum Confinement Stark Effect, QCSE）实现对激光强度的调制。由于EAM在工作时处于反向偏置截止状态，呈现高阻特性，因此其射频（Radio-Frequency, RF）调制电路的匹配相对复杂。扩展EML调制带宽的方法主要有两种：一是减小EAM的本征电容，二是改善EAM电极及封装电路的射频传输质量。在集总电极（lumped electrode）的情况下，由EAM结电容和键合线（bonding wire）电感产生的LC谐振可以用来提高EML子模块的调制带宽。然而，理论计算与实际最优键合线电感值之间往往存在偏差，这增加了封装优化的工作量。已有研究报道通过集成集总元件阻抗匹配网络或倒装芯片（flip-chip）互连来改善射频传输质量，但这些方法未能解决如何精确、快速地确定最优键合线长度的问题。同时，影响EML调制带宽的芯片参数如结电容、寄生电容、光生等效电阻等与芯片的外延和波导结构密切相关，但直接表征这些参数仍然具有挑战性。因此，本研究旨在提出一种高效的方法，通过将EML芯片的等效电路模型与芯片载体的射频响应特性相结合，以精确提取芯片本征参数并快速确定最优键合线长度，从而实现EML COC子模块带宽的有效扩展。

在研究的详细工作流程方面，该研究主要包括理论建模、仿真计算、参数提取与实验验证几个环节。首先，研究者建立了EML COC子模块的等效电路模型。该模型包含DFB、EAM、载体（carrier）以及三根键合线L1、L2和L3。其中L1用于将调制信号传输至EAM，L2连接匹配电阻（match resistor），与EAM的高阻态并联实现与驱动源的50欧姆阻抗匹配，L3连接匹配电阻与地（GND）。由于匹配电阻与地之间无高度差，L3的长度固定在100微米以内。在等效电路中，蓝色框内代表DFB的等效电路，红色框内代表EAM的等效电路，s21carrier代表载体的射频传输特性，其余部分代表驱动源和封装电路。模型中与驱动源和封装相关的参数标记为“m”，可通过直接测量获得；与EML芯片相关的参数标记为“f”，需要通过将模型与实测频率响应进行拟合来提取。总调制频率响应s21total可表示为s21eam与s21carrier的乘积，其中s21eam表示veam与vsource之比的对数。具体公式涉及阻抗z1、zdfb、zeam以及键合线阻抗zw1(2,3)等的计算。其次，研究者使用Ansys HFSS软件对芯片载体的射频响应特性进行了仿真。所建立的载体模型为氮化铝（aluminum nitride）材料的三层复合基板，尺寸为1.3毫米（长）×1.3毫米（宽）×0.5毫米（高），表面层和中间层沉积有合金导电材料。仿真中设置载体的介电常数为8.8，介电损耗在1 MHz下为0.0003。仿真结果显示，为高带宽优化的EML载体可以在低于1 dB的射频传输损耗水平下支持EML子模块达到55 GHz。然后，研究者利用Matlab软件中的非线性回归拟合函数，将模型与实验测得的子模块频率响应进行拟合，从而提取EML芯片的本征参数。对于每个待拟合参数，根据其物理意义设定相应数量级的计算边界。基于提取的精确参数，研究者理论计算了不同键合线L1、L2和L3电感对3 dB带宽的影响，并绘制了等高线图。结果表明，随着键合线L1电感的减小，子模块的3 dB带宽增加。受物理限制，L1的最短长度为200微米，对应电感为0.1 nH。在固定L1长度为200微米的条件下，计算了不同L2+L3总长度对应的子模块射频响应。理论分析表明，L2+L3的电感与EAM的寄生电容之间会产生LC谐振，增加L2的电感可以增强LC谐振峰值效应，从而在一定程度上提高子模块的射频响应。仿真结果显示，在不产生过冲的前提下，实现最大带宽的最优键合条件为L1=200微米，L2+L3=450微米。最后，为了验证所提方法，研究者制作了高速EML芯片及相应的COC子模块封装。该高速1310 nm EML芯片采用八对张应变AlGaInAs多量子阱和2微米宽脊波导结构，EAM中采用深刻蚀脊波导和苯并环丁烯（Benzo-Cyclobutene, BCB）平坦化以增加本征调制带宽，EAM长度设置为100微米。实验中使用了两种封装方案：方案A中L1和L2均为200微米，为最短键合线长度；方案B中L1为200微米，L2为400微米，接近仿真确定的最优键合条件。两种方案中L3的长度始终固定在100微米以内。实验使用Keysight光波分量分析仪N4373C测量了EML COC子模块的射频响应。首先对键合线长度L2=200微米的子模块的实测调制响应曲线进行模型拟合，分别采用考虑载体射频响应和不考虑载体射频响应的模型，得到两组拟合参数。然后根据拟合参数，计算当键合线总长度L2+L3增加到450微米时的调制响应结果，同样分别采用两种模型。最后制作L2=400微米的EML子模块并测量其实际调制响应。

研究的主要结果显示，不考虑载体射频响应的仿真结果（图7中红色虚线）与实测结果（图7中红色实线）相差甚远，无法为EML COC子模块提供准确的最优键合线长度。而考虑载体射频响应的模型仿真结果（图7中红色点线）则更接近实测结果。表II列出了分别采用考虑和不考虑载体射频响应特性的拟合模型提取的EML参数以及实测结果。通过测试EAM在不同电压下的光电流和电容值，得到了光生等效电阻的实测结果。在1.5 V反向偏置电压下EAM的总电容（结电容与焊盘电容之和）也进行了测试。结果显示，由所提模型提取的参数结果与实测结果一致，而由传统模型提取的参数结果则与实际情形相差较大。与封装方案A的结果相比，由于最优封装条件下LC谐振峰值效应的作用，EML COC子模块的3 dB调制带宽从43.5 GHz提高到53.4 GHz。此外，优化后的子模块在53 Gbaud PAM-4信号下的传输性能也进行了评估，获得了清晰的眼图（图8）。

本研究的结论是，提出了一种高效的方法来确定实现最大调制带宽的最优键合线长度，并精确提取EML芯片的本征参数。通过将EML COC等效电路模型与载体射频响应特性的仿真相结合，可以获得与实验测得的EML COC子模块频率响应的良好拟合。与传统模型相比，所提方法能够更准确地预测键合线长度对调制带宽的影响，从而提高EML COC子模块实验优化的效率。利用LC谐振峰值效应，EML COC子模块的3 dB调制带宽扩展到53.4 GHz，并获得了53 Gbaud PAM-4信号的清晰眼图。该方法还有助于减少子模块封装优化的工作量以及高速EML芯片的评估工作。

本研究的亮点在于：其一，首次将芯片载体的射频响应特性与EML芯片等效电路模型相结合，建立了更接近实际情况的COC子模块等效模型；其二，通过非线性拟合实现了对EML芯片本征参数的精确提取，解决了直接表征这些参数的难题；其三，实验验证了所提模型在预测最优键合线长度方面的准确性，将3 dB带宽从43.5 GHz显著提升至53.4 GHz；其四，该方法可推广用于其他高速光电子芯片的封装优化与参数评估，具有较高的实用价值。