什么是光譜紋波

我們在SOA/RSOA/SLD的ASE（放大的自發(fā)輻射）光譜測試中，經(jīng)常會觀察到光譜中有周期性的變化，通常我們稱之為紋波。在實際應(yīng)用中，我們大多不希望這些紋波的存在。

圖1某款SOA的ASE譜紋波示例

ASE光譜紋波與增益紋波的區(qū)別

在SOA/RSOA的使用時，ASE光譜比較容易測量，增益譜測量則比較復(fù)雜。圖2是我們對同一個SOA器件做的ASE譜和增益譜的對比測試（注：增益譜中的快速變化是測量誤差），可以看到增益譜的紋波與ASE譜的紋波波形和周期一致，但增益譜紋波明顯小于ASE譜紋波，圖2中ASE紋波約為2dB，增益譜紋波0.2dB。盡管幅度差異較大，但由于ASE光譜測量的簡便性，我們?nèi)钥梢允褂肁SE譜紋波來快速評估增益譜紋波。

圖2某款SOA的ASE譜紋波和增益譜紋波對比示例

紋波產(chǎn)生

紋波與端面反射率及增益直接相關(guān)。激光振蕩條件為（GsR）2=1，其中Gs為單程增益，R代表端面反射率，為了避免激光振蕩，應(yīng)盡可能減少光反射回有源區(qū)域，如果反射率不夠低，則在增益譜中會觀察到紋波。

如上面公式，紋波深度m是前后端面反射率R1,R2和單程增益Gs的函數(shù)。例如，當R1和R2為10-4，Gs為20dB時，m=0.09dB。根據(jù)公式，減小紋波的方法就是減少增益和端面反射率。使用SOA時則可通過減小偏置電流方式來減小增益，但通常的應(yīng)用中，我們需要較高的增益，因此在實際設(shè)計中，就只有一個方式就是盡可能減少端面反射率，通常需要<10-4。

除了芯片本身的端面發(fā)射外，芯片的封裝，以及SOA的使用不當也會帶來紋波或激射。

紋波抑制方法

1.芯片設(shè)計

SOA設(shè)計中一定要盡量減少光反射到有源區(qū)域，通常應(yīng)<10-5。如果反射率不夠低，則在增益譜中會觀察到紋波。當紋波深度大于3dB時，此時通常被稱為FP光放大器。盡管腔諧振可以增強小信號增益，但端面反射通常會影響SOA的性能。諧振波長的波動導(dǎo)致信號增益的變化。此外，過大的端面反射率會降低載流子密度、增益帶寬和輸出飽和功率，并提高噪聲系數(shù)。

有多種芯片設(shè)計方法可以減少腔體諧振，這些方法相互組合可以實現(xiàn)更低反射率。

有多種芯片設(shè)計方法可以減少腔體諧振，這些方法相互組合可以實現(xiàn)更低反射率。

在芯片端面上使用抗反射涂層ARC，當具有適當厚度和折射率的介電材料層沉積到器件面上時，會形成濾光，適當設(shè)計的多層AR涂層可以在較寬的帶寬上產(chǎn)生低至10-3的反射率。ARC涂層同樣可以降低耦合輸入損耗，并改善噪聲系數(shù)。

傾斜有源波導(dǎo)，使得光被反射遠離有源區(qū)。Zah等人在1987年首次采用了斜波導(dǎo)，角度通常在5°到10°之間，與偏振無關(guān)，可以在大波長范圍內(nèi)將反射率降低10-4以下。隨著傾角的增加，遠場不對稱性開始降低與光纖的耦合效率。因此，最佳傾斜角度在7-10度之間。

使用錐形波導(dǎo)變細或使用窗口區(qū)域（即在端面之前終止波導(dǎo)），以便使模式輪廓擴展。以這種方式，僅光場的少部分被反射回有源區(qū)域。

在商用品中，通常采用斜波導(dǎo)和AR涂層組合的方式，這既降低了涂層公差要求，又確保了10-5量級的低反射率，以確保增益波紋保持在1dB以下。

2.封裝設(shè)計

封裝中避免光路中的反射可減少封裝帶來的紋波效應(yīng)，耦合時注意避免在芯片、透鏡、準直器、隔離器、光纖端面上形成FP腔，芯片和透鏡等應(yīng)鍍有對應(yīng)波長的增透膜。

3.SOA的使用

在SOA使用的光路搭建中，通常增加光隔離器或濾波器來避免反射，如下圖所示。

一個紋波問題分析實例

（摘自華萊光電公眾號）

從下圖實測的VCSEL光譜圖來看，主峰包絡(luò)上出現(xiàn)了明顯的周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)（干涉條紋樣的波動），這是典型的干涉條紋疊加現(xiàn)象。

【觀察特征】

測量范圍為 1.0 nm（從 1541.726 nm到 1542.726 nm）?

中心波長約 1542.2 nm?

在主峰頂和左右邊沿區(qū)域均有周期性振蕩調(diào)制?

周期約為 0.1 nm

【可能成因分析】

光路中存在反射面干涉（最常見）

如：光纖端面? VCSEL芯片?透鏡 等形成虛擬 Fabry-Pérot腔。

【成因可能】

①光路中存在多余反射面，形成干涉腔

如 VCSEL芯片與 collimator、尾纖、連接器、測試光纖末端之間形成虛擬 FP腔

多個面之間的微小反射疊加會導(dǎo)致拍頻干涉（modulation on envelope）

用之前公式估算（周期 ≈ 0.1 nm）

條紋周期Δλ與腔長L的關(guān)系：

Δλ≈λ2/(2nL)

例如波長為 1542 nm，干涉周期為 0.1 nm，計算可得腔長約：

L=λ2/(2nΔλ)=15422/(2*1.45*0.1)≈8.2mm

表明可能是光纖、準直透鏡之間，或是器件封裝內(nèi)的反射造成的。

表明這個調(diào)制來自一個約8 mm的光學(xué)路徑反射腔，很可能是光纖端面 ?激光器 ? collimator之間。

②VCSEL結(jié)構(gòu)本身的腔內(nèi)多模干涉

如果是多縱模激射，也可能產(chǎn)生頻譜上的拍頻調(diào)制。

但這種調(diào)制往往在頻率上不這么規(guī)律、對稱，圖中更像是外腔干涉造成的清晰周期結(jié)構(gòu)。

③測試平臺反射干擾

光譜儀輸入端或尾纖反射回波造成反饋干涉。

特別是若使用FC/PC連接器，建議用FC/APC斜面尾纖進行驗證。

【總結(jié)判斷】

從圖上看，干涉條紋清晰、等間距、周期性良好，更傾向于是測量系統(tǒng)中的 FP反射形成的干涉條紋，不是激光器本身的固有模式結(jié)構(gòu)，而是外腔干涉造成的調(diào)制現(xiàn)象，源頭可能是尾纖、準直透鏡與器件之間形成了反射腔。優(yōu)化耦合光路（隔離+斜面+減少反射面）后再測，基本可以消除這個條紋調(diào)制。

審核編輯 黃宇