----翻譯自Michael Connelly在2004年的文章

簡介

在過去的25 年里，光纖通信網(wǎng)絡(luò)的部署和容量迅速增長。這種增長是新光電技術(shù)的發(fā)展帶來的，這些技術(shù)充分利用了光纖的巨大帶寬。如今，系統(tǒng)以超過100 Gb/s的比特率運行，光學(xué)技術(shù)已是全球信息的主要載體，它也是未來網(wǎng)絡(luò)的核心。這些功能包括幾乎無限的帶寬，可以承載幾乎任何類型的通信服務(wù)，以及允許終端容量升級和靈活通道路由的完全透明性。光放大器使光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展成為可能。

光放大器可分為兩類：光纖放大器和半導(dǎo)體光放大器SOA。前者主導(dǎo)著傳統(tǒng)的系統(tǒng)應(yīng)用，例如在線放大以補償光鏈路損耗。然而，由于光半導(dǎo)體制造技術(shù)和器件設(shè)計的進步，SOA 在不斷發(fā)展的光通信網(wǎng)絡(luò)中顯示出巨大的前景。它既可以用作通用增益元件，又有許多功能應(yīng)用，包括光開關(guān)和波長轉(zhuǎn)換。這些功能在透明光網(wǎng)絡(luò)中是必需的。

本文我們將回顧SOA基礎(chǔ)知識、技術(shù)（材料和結(jié)構(gòu)）、信號傳輸性能（碼型效應(yīng)、串?dāng)_和超短脈沖放大）以及一些重要的功能應(yīng)用（光開關(guān)和波長轉(zhuǎn)換）。

基本原理

SOA 基于與半導(dǎo)體激光器類似的技術(shù)。光增益是通過對合適的半導(dǎo)體材料進行電泵浦來實現(xiàn)的，這樣在材料導(dǎo)帶和價帶之間發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)產(chǎn)生的受激輻射超過受激吸收和內(nèi)部材料損耗時，入射光子可以被放大。SOA可以設(shè)計為在 1300 nm 或 1550 nm 光通信窗口中運行。具有低殘余反射率(R≈0)的SOA的工作原理如圖1所示。輸入光功率在穿過長度為L的SOA有源波導(dǎo)后，會經(jīng)歷單通增益 G=exp(gL)。凈增益系數(shù)g=Γgm-αint，其中Γ是光限制因子（傳輸光信號功率被限制在SOA波導(dǎo)中的比例），gm是材料增益，αint是光損耗系數(shù)。gm是注入載流子（電子）密度和波長的函數(shù)。單模有源波導(dǎo)可以支持兩種正交偏振模式：橫電（TE） 和橫磁 （TM）。

放大過程還會在輸出信號中增加寬帶噪聲，即放大自發(fā)輻射（ASE）。放大器噪聲系數(shù)（NF）是放大后信號信噪比（SNR）衰減的量度。它定義為當(dāng)輸入噪聲受到散粒噪聲限制時，輸入的SNR與輸出的SNR之比。輸出SNR的表達式通常假設(shè)SOA后跟窄帶濾光片和理想光電探測器，這樣探測器噪聲的主要來源是信號和ASE之間的拍頻噪聲，落在實際帶寬內(nèi)。在這種情況下，SOA噪聲系數(shù)由下式給出

其中額外噪聲因子K由下式給出

其中nsp是有效粒子數(shù)反轉(zhuǎn)參數(shù)。為了實現(xiàn)低NF，內(nèi)部損耗必須很小，并且需要接近 1 的nsp值。通過以高增益運行SOA來實現(xiàn)有利的nsp值。

需要低反射率R以防止SOA在高增益下振蕩，殘余反射率表現(xiàn)為放大器增益譜和ASE光譜中的紋波。

SOA結(jié)構(gòu)

SOA 所需的關(guān)鍵參數(shù)包括：

低反射率（<10-4）以確保低增益紋波（<0.5 dB）

低光損耗系數(shù)，以實現(xiàn)高增益;

高材料增益，允許低驅(qū)動電流運行;

低偏振靈敏度（0.5 dB），因為來自鏈路中光信號的偏振態(tài)通常是隨機的;

高飽和輸出功率（Psat），定義為增益降低3dB 時的輸出光功率;

低光纖到芯片耦合損耗（每端面<3dB）。(譯者注：現(xiàn)在封裝工藝多數(shù)已遠低于這個值)

商用SOA芯片的示意圖如圖2所示。有源波導(dǎo)由一個0.2um厚的InGaAsP體有源層組成，夾在0.1um厚的InGaAsP分離限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)（SCH）層之間。有源波導(dǎo)的中心部分長 600um，恒定寬度為1.4um。模式擴展有源波導(dǎo)錐度長150um，尖端寬度從 1.4um 到 0.4um 線性變化。錐度允許光耦合到底層無源波導(dǎo)，從而實現(xiàn)與輸入和輸出光纖的高效耦合。由于增益部分中各層之間的折射率不匹配，該結(jié)構(gòu)提供了高限制因子。由p-InP和n-InP層形成的p-n結(jié)充當(dāng)電流塊，從而為注入的載流子提供從驅(qū)動電流到有源層的良好限制。通過將掩埋窗口與抗反射涂層傾斜端面（7°傾斜角）相結(jié)合，獲得非常低的反射率（10-6）。

由于有源波導(dǎo)不對稱，TE限制因子大于TM限制因子。gm在體材料中是各向同性的。由于有源層和分離限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)SCH層之間的晶格失配，拉伸應(yīng)變的引入導(dǎo)致塊狀材料帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使得TM材料增益大于TE材料增益。引入適當(dāng)?shù)睦鞈?yīng)變可補償TE和TM限制因子的差異，實現(xiàn)低偏振相關(guān)性。

其他可以實現(xiàn)低偏振相關(guān)的SOA結(jié)構(gòu)包括基于具有近正方對稱橫截面的有源波導(dǎo)(具有幾乎相同的TE和TM限制因子)，或者壓縮應(yīng)變量子阱（更高的TE增益）和拉伸應(yīng)變量子阱（更高的TM增益）的組合。

商業(yè)SOA 的典型指標如表1和圖3所示。

如圖3 所示，傳統(tǒng) SOA 中的增益飽和表現(xiàn)在輸出信號功率遠低于 Psat時。由于SOA 中的增益恢復(fù)時間（載流子壽命）很快（通常為0.1-1ns），這可能導(dǎo)致單通道系統(tǒng)中的碼型效應(yīng)和波分復(fù)用 （WDM） 系統(tǒng)中的嚴重串?dāng)_。通過使用增益鉗位SOA（GC-SOA），可以大大減少這個問題。在GC-SOA 中，通過在遠離工作波長范圍的位置產(chǎn)生激光，引入波長特定反饋。一旦激光開始，SOA有源層中的載流子密度就會被鉗位在一個固定值。輸入信號功率的變化會導(dǎo)致激光模式功率的相反變化。這具有保持載流子密度固定（即箝位）的效果，從而使信號增益對總輸入功率的變化相對不敏感。提供此反饋的常用方法是使用分布式布拉格反饋器（DBR），如圖4所示。典型的GC-SOA增益對輸出功率特性如圖5所示。

SOA 在光通信系統(tǒng)中的基本應(yīng)用

SOA 在光通信系統(tǒng)中的三種基本應(yīng)用是：功率放大器、線路放大器和前置放大器。表 2 列出了 SOA 對此類應(yīng)用程序的主要要求。

表2 SOA基礎(chǔ)應(yīng)用需求

功率放大器用于增加高功率信號的功率，提高光發(fā)射機中的激光功率可用于克服外部調(diào)制器損耗，補償光分配網(wǎng)絡(luò)中的分路和分光損耗，增加光鏈路的功率預(yù)算。功率放大器最重要的要求是高Psat，以獲得高輸出信號功率并最大限度地減少碼型效應(yīng)。Psat超過10dBm的SOA現(xiàn)已商用。

傳統(tǒng)光接收器的靈敏度受熱噪聲限制。靈敏度是接收器輸入端達到所需誤碼率（通常為10-9）所需的最小信號功率。光前置放大器可用于在檢測和解調(diào)之前提高光數(shù)據(jù)信號的功率水平，從而提高靈敏度。前置放大光接收器的性能取決于探測器信噪比，SNR=isig2/inoise2。信號光電流isig與放大的信號功率成正比。均方噪聲電流inoise2包括電路噪聲（熱噪聲和探測器暗電流噪聲）、信號散粒噪聲、自發(fā)輻射散粒噪聲、信號自發(fā)輻射拍頻噪聲以及自發(fā)輻射的光譜分量之間的拍頻噪聲。當(dāng)SOA在信號自發(fā)輻射拍頻噪聲限制下運行時，SNR獲得最佳改善。在這種狀態(tài)下，信號功率足夠大，以至于主要的接收器噪聲是落在信號帶寬內(nèi)的信號自發(fā)拍頻噪聲。這通常需要使用窄帶光濾波器來減少SOA 的自發(fā)輻射。噪聲系數(shù)是此應(yīng)用中的一個關(guān)鍵參數(shù)，應(yīng)盡可能低。

在長距離光傳輸系統(tǒng)中，在線光放大器可用于補償鏈路損耗，從而增加光再生器之間的距離。在線SOA的主要優(yōu)點是數(shù)據(jù)速率和調(diào)制格式（非飽和狀態(tài)運行）的透明性、雙向性、WDM 能力、簡單的操作模式、低功耗和緊湊性，后兩個優(yōu)點對于位于遠端的光元件很重要。為避免鏈路中噪聲積累，有必要在每個SOA后面增加窄帶光濾波器，但這可能會影響WDM系統(tǒng)容量。

圖6 顯示了使用功率放大器、直列和前置放大器 SOA 的單通道光傳輸系統(tǒng)的示例。發(fā)射器采用 1309nm 增益開關(guān)半導(dǎo)體激光器，10GHz 正弦波直調(diào)，以10 GHz的重頻產(chǎn)生 40ps寬脈沖序列。在 1309 nm處光纖色散很小，最大傳輸距離主要受鏈路損耗的限制。激光輸出連接到外部調(diào)制器，由231-1偽隨機位序列（PRBS）驅(qū)動，以產(chǎn)生消光比為13dB的光數(shù)據(jù)流。使用功率放大器SOA將平均發(fā)射功率提高到0到2dBm 之間（7-9 dBm峰值功率）。傳輸光纖長度為420km，采用12線路放大器SOA，用于補償光纖損耗，間隔38 km。在接收器處，信號通過1nm帶通濾波器，以減少累積的自發(fā)輻射，由SOA 前置放大器放大并由 1nm 帶通濾波器過濾。然后通過一個p-i-n光電二極管檢測信號，然后是時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路。SOA 前置放大器和濾波器將接收器靈敏度BER=10-10從-14dBm 提高到-31dBm，420 km后的接收器功率代價5dB。在這個實驗中，傳輸距離的主要限制是光濾波器帶寬內(nèi)自發(fā)輻射的積累。

碼型效應(yīng)和串?dāng)_

當(dāng)SOA 在不飽和狀態(tài)下運行時，放大器增益與輸入信號數(shù)量和信號數(shù)據(jù)速率無關(guān)。在此范圍之外，SOA將帶來失真，因為在高輸入功率下，增益會飽和并壓縮。動態(tài)增益飽和與增益恢復(fù)時間發(fā)生在同一時間尺度上。這會導(dǎo)致碼型效應(yīng)，當(dāng)前數(shù)據(jù)位功率會影響后續(xù)數(shù)據(jù)位的增益。當(dāng)比特率與增益恢復(fù)時間的倒數(shù)相同時，這一點尤其重要，如圖7所示。在WDM系統(tǒng)中，通道之間的交叉增益調(diào)制XGM會導(dǎo)致嚴重的通道間串?dāng)_。

在使用SOA的WDM系統(tǒng)中，另一個復(fù)雜因素是由四波混頻FWM引起的通道間串?dāng)_。FWM是在SOA內(nèi)的兩個光場之間相干非線性過程，導(dǎo)致場之間的拍頻進行增益調(diào)制，并在此過程中產(chǎn)生新的邊帶。在等間隔波長的WDM系統(tǒng)中，F(xiàn)WM 效應(yīng)會對業(yè)務(wù)信號產(chǎn)生干擾。盡管串?dāng)_的功率相對較低，但由于相干拍頻噪聲現(xiàn)象，它可能會產(chǎn)生顯著的功率損失。FWM 串?dāng)_的水平隨著通道間隔的減小和通道輸出功率的增加而增加。FWM 串?dāng)_在通道間間隔小于 100 GHz 的密集 WDM 系統(tǒng)中尤為重要。圖 8 顯示了具有 FWM 生成的串?dāng)_信號的 8 通道多路復(fù)用的典型 SOA 輸出頻譜。

超短脈沖放大

光時分復(fù)用是提高光傳輸系統(tǒng)比特率的有效方法，這需要對短光脈沖進行時間間插。傳輸距離受光纖群速度色散的限制，該色散與脈沖譜寬度成正比。當(dāng)光脈沖在光纖中傳播時保持形狀不變時，形成了光孤子傳輸。

由于SOA具有非常大的帶寬（通常為5THz），因此它能夠放大短至100fs的脈沖。如果脈沖能量遠小于SOA的飽和能量 Esat，則可以放大輸入脈沖而不會發(fā)生明顯失真。典型的SOA飽和能量大約為幾皮焦耳。當(dāng)脈沖能量接近Esat時，會導(dǎo)致相當(dāng)大的頻譜展寬和失真。對于10–100ps量級的輸入脈沖寬度tp（半高全寬），頻譜展寬主要是由于自相位調(diào)制（SPM）。SPM是由增益飽和引起的，這會導(dǎo)致SOA有源層折射率響應(yīng)載流子密度變化而發(fā)生強度依賴性變化。頻譜展寬和失真的程度還取決于輸入脈沖形狀。如tp遠小于載流子壽命，則輸出脈沖功率Pout(t)和相位Φout(t)近似由下式給出

其中Pin(t)和Φin(t)是輸入脈沖光功率和相位。G0和α分別是光放大器未飽和增益和線寬增強因子。α取決于放大器有源區(qū)材料和操作條件，典型值在2–10 范圍內(nèi)。輸出脈沖頻譜可由下式獲得：

其中ν0=ω0/2π是脈沖頻率。輸出脈沖啁啾（頻率變化）由下式給出

其中Δνin(t)是輸入脈沖啁啾。利用上述理論，一個放大的零啁啾（變換受限）高斯脈沖的輸入功率的形狀、啁啾和光譜參照下式：

如圖9 所示。Ein是脈沖能量，τp=1.665τ0。放大的脈沖是不對稱的，因為脈沖的前緣比后緣具有更大的增益。放大的脈沖頻譜比輸入脈沖更寬，并產(chǎn)生了多峰結(jié)構(gòu)。這是由于SPM帶來的頻率啁啾在脈沖通過放大器時被施加在脈沖上。在這種情況下，啁啾是線性的，可以通過具有異常群速度色散的光纖傳輸脈沖來補償。在實踐中，光脈沖可能不是高斯分布，也可能具有初始啁啾。在這種情況下，感應(yīng)啁啾和產(chǎn)生的脈沖頻譜可能更復(fù)雜，更難補償。

當(dāng)輸入脈沖寬度小于~10ps時，上述理論不再適用，必須考慮 SOA 中的其他非線性效應(yīng)，例如載波加熱和光譜空穴燃燒。SOA對此類脈沖產(chǎn)生的脈沖功率和頻譜失真可能非常復(fù)雜。

功能應(yīng)用

SOA在光透明傳輸網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮特殊功能，光子集成電路和光電子器件封裝技術(shù)的發(fā)展使SOA 功能元件的部署更加可行。SOA 的兩個最重要的應(yīng)用是光交叉和波長轉(zhuǎn)換。

圖10 顯示了用于光路由的2*2 SOA光交叉模塊的示例?？梢允褂么嘶驹?gòu)造更大的光交叉矩陣，該模塊由四個集成的SOA 組成，安裝在硅基板上上。SOA 陣列通過 V 形槽對準嵌入與輸入和輸出聚合物波導(dǎo)對齊。通過打開對應(yīng)的SOA將傳入數(shù)據(jù)包路由到任何輸出端口。開關(guān)時間可達1ns。

通過將SOA集成到非線性環(huán)形鏡結(jié)構(gòu)中，如圖11中所示的太赫茲光學(xué)非對稱解復(fù)用器（TOAD），可以實現(xiàn)超快切換（<100 fs）。切換是通過在光纖環(huán)鏡中心放置 SOA 偏移并通過 50：50 耦合器將數(shù)據(jù)注入環(huán)路來實現(xiàn)的。兩個計數(shù)器傳播的數(shù)據(jù)脈沖流異步到達 SOA。開關(guān)脈沖定時在一個數(shù)據(jù)脈沖之后到達，但恰好在其副本之前到達。調(diào)整開關(guān)脈沖功率以將π的相位變化施加到副本上，因此當(dāng)兩個反向傳播元件在返回耦合器時發(fā)生干擾時，數(shù)據(jù)脈沖被切換出去。TOAD 還可用于對高速時分多路復(fù)用脈沖流進行解復(fù)用。

全光波長轉(zhuǎn)換器將在寬帶光網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用，它們主要是為了避免WDM 網(wǎng)絡(luò)中的光交叉連接中的波長阻塞。波長轉(zhuǎn)換器使用一組固定的波長來提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和容量，并可用于集中網(wǎng)絡(luò)管理。在分組交換網(wǎng)絡(luò)中，可調(diào)波長轉(zhuǎn)換器可用于解決數(shù)據(jù)包沖突并降低光緩存要求。

SOA中的波長轉(zhuǎn)換可以使用交叉增益調(diào)制XGM、交叉相位調(diào)制XPM或四波混頻FWM來實現(xiàn)?；赬PM的SOA波長轉(zhuǎn)換器的設(shè)計要求將一個或多個SOA集成到干涉儀中，圖 12所示的馬赫-曾德爾干涉儀MZI就是一個例子。波長λ1的輸入數(shù)據(jù)信號用于調(diào)制上面的SOA折射率，該折射率控制干涉儀臂之一中λ2 處的第二個未調(diào)制輸入信號所經(jīng)歷的相移。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)信號為低電平（邏輯0）時，臂同相，λ2 信號出現(xiàn)在頂部輸出處。當(dāng)輸入泵浦信號為高電平（邏輯1）時，它會在兩個臂之間產(chǎn)生額外的π相移，導(dǎo)致它們完全反相，λ2信號在底部輸出。兩個輸出都包含調(diào)制到新波長上的原始數(shù)據(jù)信號的副本。向上和向下轉(zhuǎn)換是可能的。下部的SOA用于均衡每個臂中λ2信號所經(jīng)歷的增益。輸出端需要一個濾光片來去除λ1。這種波長轉(zhuǎn)換器可以在非常高的比特率（>10 Gb/s）下運行。MZI結(jié)構(gòu)的一個重要優(yōu)點是，它還通過波長轉(zhuǎn)換提供輸入數(shù)據(jù)信號的2R再生（再放大和再整形）。這是因為與輸入數(shù)據(jù)相比，干涉儀非線性響應(yīng)增加了轉(zhuǎn)換信號的消光比。全光3R（2R+再定時）再生器可在未來的光通信網(wǎng)絡(luò)中用于恢復(fù)劣化的傳輸信號。基于SOA 的干涉結(jié)構(gòu)可用于>80Gb/s的數(shù)據(jù)速率實現(xiàn)3R（2R+再定時）再生。