摘要

我們介紹了一種具有高增益（> 40 dB）和高飽和功率（> 21 dBm）的半導體光學放大器（SOA）芯片，其驅(qū)動電流適中（1.3 A）。本文提出了一個用于優(yōu)化新型雙段SOA概念的設(shè)計模型。該模型的預(yù)測結(jié)果與制造的芯片上的測量結(jié)果非常一致。以增益和飽和輸出功率乘積作為性能指標，它展示了迄今為止最佳報道。然而，由于噪聲系數(shù)略有下降，我們引入了一種先進的設(shè)計，使得能夠優(yōu)化噪聲系數(shù)。

I. 引言

為了滿足光通信系統(tǒng)對更大容量的日益增長的需求，城域網(wǎng)和長途網(wǎng)系統(tǒng)正在考慮將光帶寬擴展到L波段和S波段。因此，半導體光放大器（SOA）非常具有吸引力，因為它們可以被設(shè)計成在不同的帶寬下工作，并具有可變的增益。此外，與摻鉺光纖放大器（EDFA）相比，SOA的封裝尺寸更小，并且可以以相對較低的成本提供更低的功耗。然而，在波分復用（WDM）長途系統(tǒng)的在線放大中，需要較高的輸出功率水平。因此，需要SOA具有較高的飽和功率水平，以避免增益飽和狀態(tài)下出現(xiàn)的信噪比降低。到目前為止，所報道的基于磷化銦（InP）的設(shè)計雖然具有較大的輸出功率（> 20 dBm），但卻以犧牲增益（< 20 dB）和/或功耗為代價。事實上，由于這些設(shè)計基于量子阱中的低光學限制，因此增益、飽和功率和功率效率之間的權(quán)衡是不可避免的。

為了緩解單一SOA結(jié)構(gòu)中的權(quán)衡問題，文獻[9],[10]提出了一種具有可變限制因子的SOA。然而，目前尚未報道實驗結(jié)果和理論驗證。最近，我們介紹了一種由兩個部分組成的新型SOA設(shè)計，旨在以適中的偏置電流滿足大增益（> 35 dB）和高飽和輸出功率要求（> 22 dBm）。這是通過優(yōu)化一個部分以滿足高增益要求，而另一個部分滿足高飽和輸出功率要求來實現(xiàn)的。特別是，通過在芯片的一部分上引入上包層錐度來獲得大增益。然而，這導致噪聲系數(shù)略有下降。

本文首先揭示了基于增益和飽和輸出功率關(guān)鍵因素的SOA設(shè)計和優(yōu)化的模型。接下來，我們通過測量制造芯片的性能指標（增益、噪聲系數(shù)和飽和功率），并將其與最先進的SOA進行比較，來展示該模型的驗證結(jié)果。最后，我們介紹了一種先進的SOA設(shè)計，該設(shè)計實現(xiàn)了更小的噪聲系數(shù)，同時不影響大增益和高飽和輸出功率水平。

II. 雙段SOA設(shè)計與模型

A. 緩解增益與飽和輸出功率之間的權(quán)衡

如已報道所示，增益與飽和輸出功率之間的權(quán)衡是由于它們隨光學限制因子(Г)的變化趨勢相反所導致的。實際上，如近似方程（1）和（2）所述，SOA的小信號增益（G0）隨限制因子的增加而指數(shù)增長，而飽和光功率（Psat）——即放大器增益為其小信號增益G0一半時的輸出光功率——與限制因子成反比：

其中(Г)表示有源區(qū)域的光學限制，(gmat)表示材料增益，(α)表示每厘米的傳播損耗，(L)表示芯片長度；這里忽略了傳播損耗、空間燒孔效應(yīng)和放大的自發(fā)輻射。

其中，(A)表示有源區(qū)域的橫截面積，(a1)表示材料的微分增益，(τc)表示與非受激復合相關(guān)的載流子壽命。

因此，通過在單個芯片上結(jié)合兩個區(qū)域——一個具有大限制因子，另一個具有小限制因子——可以同時實現(xiàn)大增益和高飽和輸出功率，而只需適中的偏置電流和芯片長度。

然而，為了根據(jù)方程（2）和最后一個區(qū)域的參數(shù)預(yù)測放大器的飽和輸出功率，必須仔細選擇這兩個區(qū)域的長度。

請注意，飽和輸出功率還與微分增益a1成反比（見方程（2））。因此，通過減小SOA的體積，也可以實現(xiàn)更高的飽和輸出功率。

B. 雙區(qū)SOA設(shè)計描述

該SOA（半導體光放大器）設(shè)計基于InP材料，并在有源區(qū)域采用了InGaAsP多量子阱（MQW）結(jié)構(gòu)。它包含了5個厚度均勻的量子阱，每個量子阱的厚度為11 nm。

為了將增益帶寬覆蓋到C波段和L波段（1525-1625 nm），光致發(fā)光峰值波長被設(shè)定在1640 nm。SOA被優(yōu)化為使用橫向電場（TE）極化信號進行操作，因為通過采用極化分集方案的SOA模塊封裝可以實現(xiàn)極化不敏感性。該方案涉及使用兩個單極化SOA，它們以并行架構(gòu)排列，每個SOA負責處理一種光極化。此外，這種模塊方案還能使Psat（飽和輸出功率）提高3 dB。

我們的雙區(qū)SOA由一個旨在通過在有源區(qū)域?qū)崿F(xiàn)大光學限制來獲得足夠增益的區(qū)段，以及另一個旨在通過低光學限制來獲得大Psat的區(qū)段組成。

通過在有源層和SOA堆疊的n型摻雜InP之間插入一個厚的下包層或平板層，可以實現(xiàn)具有大Psat的區(qū)段的小光學限制。實際上，當下包層的折射率大于n型摻雜InP的折射率時，光學模式會從有源區(qū)域被拉下，導致量子阱中的光學限制因子變小。

此后，該區(qū)段被稱為標準區(qū)段或STD區(qū)段。同樣地，僅包含標準區(qū)段的SOA被稱為STD SOA。

而通過在有源層和SOA堆疊的p型摻雜InP之間插入一個額外的上包層（UC）層，可以實現(xiàn)具有大增益的區(qū)段的大光學限制。當上包層的折射率大于p型摻雜InP層的折射率時，光學模式會被拉上，并且來自平板的牽引力因此減小，從而在量子阱中產(chǎn)生大的限制因子。

此后，該區(qū)段被稱為UC（上包層）區(qū)段。

SOA的制造過程包括在InP襯底上外延生長下包層（n型摻雜）的InGaAsP平板、有源區(qū)域（InGaAsP多量子阱）和p型摻雜的上包層。然后，對于UC區(qū)段和標準（STD）區(qū)段，上包層被選擇性蝕刻。在兩個區(qū)段之間，上包層被部分蝕刻以在器件的兩個區(qū)段之間的界面上形成錐度，如圖2所示。波導以相對于解理方向7°的傾斜角度蝕刻到平板中，以減少光反饋。之后，在波導的側(cè)面外延再生長一層InP絕緣層，然后再生長一層p型摻雜層。這被稱為半絕緣掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)（SIBH）工藝，它通過將波導掩埋在絕緣且導熱的材料中來實現(xiàn)良好的散熱和圓形模式。

對于大增益（> 25 dB），應(yīng)大幅減少耦合的向后光反射，以避免產(chǎn)生大于0.2 dB的較大紋波，這種紋波會導致信號失真。因此，應(yīng)實現(xiàn)低輸出端面反射率。這取決于抗反射（AR）涂層的質(zhì)量以及波導設(shè)計——傾斜角度和寬度。

因此，對于7°傾斜的波導和典型的AR涂層系數(shù)4×10-3處的直徑）的變化，以確定STD區(qū)段的條紋寬度。結(jié)果如圖1所示。對于FWHM發(fā)散小于20°（光模式半徑大于4 μm）的情況，在高達40 dB的增益下，紋波小于0.2 dB。考慮到制造公差，輸出STD區(qū)段的條紋寬度設(shè)置為5 μm，導致Г約為3.1%。

此外，為了確?；Ｔ赨C區(qū)段波導中傳播，UC區(qū)段的條紋寬度被設(shè)定為3μm，這略小于STD區(qū)段的條紋寬度，導致Г約為5.4%。因此，設(shè)計了一個錐度，以確保兩個區(qū)段之間的模式傳播能夠平滑且無損地過渡。SOA的俯視圖、側(cè)視圖以及橫截面圖如圖2所示。這三個橫截面分別對應(yīng)UC區(qū)段、過渡錐度和STD區(qū)段。UC區(qū)段和STD區(qū)段的模擬光模式分別如圖3（a）和（b）所示。

利用這個公式，我們可以比較UC-SOA（超緊湊半導體光放大器）和STD-SOA（標準半導體光放大器）的噪聲系數(shù)（NF）。第一項取決于耦合效率C。通過測量，我們發(fā)現(xiàn)UC-SOA和STD-SOA的耦合效率相似，分別為85%和80%。第二項被稱為損耗項，它取決于波長和載流子密度。盡管UC區(qū)段和STD區(qū)段的限制因子和傳播損耗不同，但它們的值幾乎總是以大致相同的比例變化。根據(jù)我們的計算，在整個C波段和L波段波長范圍內(nèi)，它們之間的差異不超過0.1dB。最后一項是反轉(zhuǎn)因子項，與波長和ΔEF（準費米能級差）有關(guān)。ΔEF受載流子密度影響，對應(yīng)于吸收和受激輻射概率相同的能量。由于UC區(qū)段和STD區(qū)段的有源材料結(jié)構(gòu)相同，因此它們的反轉(zhuǎn)因子項也相同。因此，UC-SOA的噪聲系數(shù)應(yīng)與STD-SOA的噪聲系數(shù)相似。

為了實現(xiàn)大增益和高飽和輸出功率（Psat），應(yīng)妥善確定每個區(qū)段的長度，以確保大增益區(qū)段（UC區(qū)段）中的光功率始終低于其飽和水平。

實際上，光功率應(yīng)僅在SOA的STD區(qū)段輸出附近接近飽和輸出功率。只有這樣，才能通過公式（2）以及輸出區(qū)段的A和Г參數(shù)正確推導出芯片的飽和輸出功率（Psat）。否則，如果UC區(qū)段過長，飽和輸出功率將會降低。因此，為了獲得STD區(qū)段和UC區(qū)段的最優(yōu)長度分配，我們建立了一個簡單的模型來模擬增益和飽和輸出功率性能。

C. 雙區(qū)段SOA模型

假設(shè)SOA中的載流子密度是均勻的，且載流子壽命是一個恒定值，那么在給定載流子密度下，SOA中傳播的光功率可以通過考慮長度為dz的小傳播步長來計算，如下所示：

其中，（Г）表示有源區(qū)域中的光限制因子，（gmat）表示材料增益，（α）表示每厘米的傳播損耗，（Ps）表示增益介質(zhì)的飽和功率。

通過求解方程（3），可以計算出每個區(qū)段輸出處的傳播功率以及芯片增益，從而優(yōu)化各個區(qū)段的長度。

因此，方程（3）的參數(shù)是從光學模式求解器和具有相同多量子阱（MQW）設(shè)計芯片的測量中提取的。例如，使用模式求解器計算了MQW和包層中的光限制因子，從而可以推導出n型和p型摻雜區(qū)域的光損耗，而材料增益隨載流子密度的變化以及增益介質(zhì)的飽和功率則是分別使用方程（1）和（2）從現(xiàn)有SOA STD芯片的增益和飽和輸出功率測量中提取的。然后，對方程（3）在UC區(qū)段、錐度區(qū)段和STD區(qū)段進行了數(shù)值求解，從而提取了芯片增益。此外，通過使用循環(huán)函數(shù)并掃描從-25 dBm到5 dBm的輸入功率，計算了器件的飽和輸出功率。流程圖如圖4所示。

芯片長度確定為4毫米，以便為STD SOA提供適中的增益。在圖5中，展示了在1.3 A偏置電流下，對于不同輸入1600 nm信號功率的情況，一個4毫米長芯片上沿其長度的光功率值，其中40%的長度由UC區(qū)段組成。所使用的參數(shù)列在表I中。1.3 A電流是我們在測量中通常能夠達到的最大電流，并確保沒有過載操作。光從UC區(qū)段傳播到芯片的STD區(qū)段。

在圖5中，對應(yīng)于小信號情況（橙色曲線）的曲線，輸入功率被設(shè)置為-35 dBm。而對于對應(yīng)于飽和情況（綠色曲線）的曲線，輸入功率被調(diào)整到與輸入飽和功率（-13.8 dBm）相匹配。這兩條曲線的差值就得到了增益壓縮因子，該因子繪制在次垂直軸上（紅色曲線）。它顯示了增益飽和在芯片上的哪個位置發(fā)生。特別是，對于這種雙區(qū)段設(shè)計，飽和發(fā)生在SOA STD區(qū)段的輸出處。此外，還展示了每個區(qū)段以及整個芯片的材料飽和功率（藍色曲線）。

因此，我們進一步研究了UC比例（即UC區(qū)段長度與總長度（UC + STD）的比例）的影響。在圖6中，展示了在1.3 A偏置電流和1600 nm輸入信號下，4 mm芯片上芯片增益隨UC區(qū)段比例和輸出功率的變化情況。UC區(qū)段比例以10%的步長從0%變化到100%。特別地，在0% UC的情況下，SOA僅由STD區(qū)段組成；而在100% UC的情況下，SOA則僅由UC區(qū)段組成。每條曲線上星號標記對應(yīng)的橫坐標表示每個UC比例下的芯片飽和功率Psat。隨著UC比例的增加，增益總是增加，這是UC區(qū)段中更大的光限制因子的直接結(jié)果。然而，飽和輸出功率首先隨著UC比例的增加而增加，直到60%，然后減少。其最初增加的原因是由于UC區(qū)段的波導比STD區(qū)段更窄，導致有源體積減小。實際上，這導致在相同偏置電流下電流密度增加，進而降低了微分增益a1（見方程（3））。然而，當UC區(qū)段過長（在此情況下超過60%）時，飽和功率會下降，因為光信號會在到達芯片輸出之前先在UC區(qū)段中飽和。

因此，對于這個4 mm長的雙區(qū)段SOA設(shè)計，UC區(qū)段的最優(yōu)長度比例約為60%。

為了驗證這個模型，我們制造了具有相同多量子阱（MQW）結(jié)構(gòu)但UC區(qū)段比例不同的芯片，并隨后對它們進行了適當?shù)谋碚鳌?/p>

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審核編輯 黃宇