摘要
我們介紹了一種具有高增益(>40dB)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(1.3A)。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(>20dBm),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11nm。
為了將增益帶寬覆蓋到C波段和L波段(1525-1625nm),光致發(fā)光峰值波長被設(shè)定在1640nm。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3dB。
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(>25dB),應大幅減少耦合的向后光反射,以避免產(chǎn)生大于0.2dB的較大紋波,這種紋波會導致信號失真。因此,應實現(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4μm)的情況,在高達40dB的增益下,紋波小于0.2dB??紤]到制造公差,輸出STD區(qū)段的條紋寬度設(shè)置為5μm,導致Г約為3.1%。
此外,為了確保基模在UC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1.3A偏置電流和1600nm輸入信號下,4mm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4mm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>
--未完待續(xù)--
注:本文由天津見合八方光電科技有限公司挑選并翻譯,旨在推廣和分享相關(guān)半導體光放大器如1550nm、1310nm等全波段SOA基礎(chǔ)知識,助力SOA技術(shù)的發(fā)展和應用。特此告知,本文系經(jīng)過人工翻譯而成,雖本公司盡最大努力保證翻譯準確性,但不排除存在誤差、遺漏或語義解讀導致的不完全準確性,建議讀者閱讀原文或?qū)φ臻喿x,也歡迎指出錯誤,共同進步。
天津見合八方光電科技有限公司,是一家專注半導體光放大器SOA研發(fā)和生產(chǎn)的高科技企業(yè),目前已推出多款半導體光放大器SOA產(chǎn)品(1060nm, 1310nm, 1550nm),公司已建立了萬級超凈間實驗室,擁有較為全面的光芯片的生產(chǎn)加工、測試和封裝設(shè)備,并具有光芯片的混合集成微封裝能力。目前公司正在進行小型SOA器件、DFB+SOA的混合集成器件、可見光波長SOA器件、大功率SOA器件的研發(fā)工作,并可對外承接各種光電器件測試、封裝和加工服務(wù)。
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原文標題:具有大增益、小噪聲、高飽和輸出功率的新型SOA設(shè)計(一)
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