Michelle Labrecque, Jenna Campbella, Allen Chua, Kevin McClunea, Steven Estrellaa, Elliot Burkea, Thomas Liua, Henry Garretta, Matthew Larkinsa, Sarah Kinneya, Gordon Morrisona, Leif Johanssona, Milan Mashanovitcha, Paul Leisherb

摘要

1550 nm波長的瓦級半導體光放大器（SOA）在自由空間光通信（FSO）等多種應用中，是替代摻鉺光纖放大器（EDFA）的理想選擇。其具有更高的效率、更緊湊的結構和更低的成本，同時能提供高功率衍射極限輸出。我們展示了一款單模光纖耦合封裝的SOA，在1550 nm波長下可實現(xiàn)大于30 dBm（1.2 W）的連續(xù)波出纖功率[1]，總增益為16 dB，這得益于錐形半導體放大器在衍射極限輸出方面的最新進展。文中給出了初步的通信測量結果，在輸出功率大于1 W時實現(xiàn)了眼圖張開，適用于10 Gbps差分相移鍵控（DPSK）通信格式。目前，瓦級的準直和光纖耦合SOA已實現(xiàn)量產(chǎn)并向客戶供貨。

關鍵詞：高功率二極管激光器；高光束質量；高亮度光源；自由空間光通信；1550 nm；半導體光放大器

1.引言

自由空間點對點光鏈路能夠實現(xiàn)視距內收發(fā)器之間的長距離數(shù)據(jù)通信。自由空間光通信（FSO）在航天和軍事應用中特別受關注，它能夠在航天器、飛機和地面收發(fā)器之間實現(xiàn)高速通信，通信距離可能極長。這些系統(tǒng)需要高功率光放大器和高亮度輸出。半導體二極管激光器在高功率激光系統(tǒng)中常發(fā)揮作用，因其能以良好的電光轉換效率輸出高功率。然而，傳統(tǒng)的高功率邊緣發(fā)射面陣激光器存在亮度低的問題（單位角度功率低），這意味著從大面積發(fā)射區(qū)域發(fā)出的能量無法聚焦到遠距離目標上的小光斑處。這限制了高功率激光器的實用性。因此，二極管激光器常被用于泵浦其他光有源增益介質，比如光纖激光器或固體激光器。這些激光器以單空間模式工作，從而提供所需的高亮度輸出。在這類系統(tǒng)中，光纖激光器或固體激光器可被稱為 “亮度轉換器”，因為它將高效率的二極管泵浦光束轉換為高亮度光束。但這種轉換過程會降低整個系統(tǒng)的效率，因為必須考慮二極管激光器的電光轉換效率，以及因二極管激光器泵浦而產(chǎn)生的增益介質的光-光轉換效率。此外，為降低效率，這些級聯(lián)激光系統(tǒng)往往部件繁多，每個部件都需要熱管理。隨著技術的進步，一直存在將系統(tǒng)朝著更低成本、更小尺寸、更輕重量和更低功耗（c-SWAP）方向推進的動力。只要這些c-SWAP方面的改進不以犧牲性能為代價，就能使用戶受益。

與標準方法相比，一種頗具吸引力的替代系統(tǒng)架構是省去亮度轉換組件，在最終應用中直接使用二極管。這種直接二極管解決方案可以更加緊湊、高效且具有成本效益。然而，要實現(xiàn)這種方法，需要在高功率、高亮度邊發(fā)射二極管和放大器的亮度方面取得進展。在此，我們報告了在15xx nm波長波段下，亮度超過先前報道性能的器件[2]。這些器件具有顯著優(yōu)勢，能夠使直接二極管系統(tǒng)具備可行性

2.錐形半導體放大器工作原理

這里介紹的半導體光放大器基于錐形芯片架構，可用于實現(xiàn)具有接近衍射極限光束質量的高輸出功率。以下描述該放大器的工作原理。芯片由兩個部分組成：前置放大器（pre - amp）部分和錐形功率放大器（PA）部分，如圖1所示。種子光耦合到前置放大器，它具有脊形波導結構，波導幾何形狀為單空間模式，起到空間模式濾波器的作用。該部分輸出的光隨后注入到功率放大器中，功率放大器是一個未蝕刻的模式擴展區(qū)域，其中基模高斯光束可因衍射而自由擴展。用于注入電流的喇叭形電極在該區(qū)域進行圖案化，其角度與注入光束的自然衍射角相匹配。這一部分用于高效放大來自前置放大器的信號。由于光束可自由擴展，光模式的橫截面積隨位置增加。這種設計有兩個重要作用：第一，它使峰值強度遠低于傳統(tǒng)高功率單模脊形波導放大器中的情況，從而保證良好的可靠性；第二，它大大降低了器件的熱阻，使得功率提取比傳統(tǒng)單模器件更高。盡管基于錐形或喇叭形放大器幾何結構的器件已制造出來，甚至在過去多年實現(xiàn)了商業(yè)化，但它們一直存在光束質量在高工作電流下退化的問題[3-6]。我們已經(jīng)確定了導致這種光束質量退化的根源，通過解決這一根源問題，我們得以消除這種影響并提升器件性能，實現(xiàn)高單模功率輸出，進而取得重大突破成果。

光束質量退化部分是由光模式輪廓與電流注入輪廓不匹配導致的。在功率放大器區(qū)域傳播的光模式橫向橫截面近似高斯分布，而電流注入的橫向橫截面卻常呈頂帽狀。因此，與光模式邊緣區(qū)域相比，重疊區(qū)域的載流子能更有效地通過輻射復合轉化為光子，使得光束中心的載流子密度和增益飽和程度更高。這就造成了載流子密度的橫向不均勻性，使光模式產(chǎn)生“等離子體透鏡”效應，即光模式折射率對載流子密度呈現(xiàn)連續(xù)波（CW）或準連續(xù)波依賴特性。此外，器件中存在熱梯度，中心溫度往往高于邊緣溫度。這就形成了一種眾所周知的熱透鏡效應[7-9]。載流子透鏡和熱透鏡共同作用，導致錐形激光器和放大器的光束質量下降?；Ｖ馊魏渭毥z中的光強增加，都會使輸出光束不再符合衍射極限。隨著這些細絲在更高驅動電流下光強增加，錐形二極管激光器和放大器的光束質量會進一步退化。我們采用針對性的工程設計和電流注入輪廓優(yōu)化方法，使注入輪廓與基本光模式更好匹配，從而提升了錐形半導體光放大器的單模輸出功率。

3.結果

半導體光放大器（SOA）器件通過標準的納米制造工藝技術在磷化銦（InP）外延片上制造，這些工藝包括接觸金屬沉積、電介質沉積、反應離子干法刻蝕以及襯底減薄和金屬化。晶圓制造完成后，對晶圓條進行解理，并在前后腔面施加抗反射（AR）電介質涂層。單個SOA器件使用硬焊料在膨脹匹配襯底上進行芯片對芯片的雙面組裝，并集成到緊湊的雙端口光纖耦合封裝中（見圖2）。帶有定制光學元件的透鏡在SOA芯片的輸入和輸出端進行主動對準并固定在封裝內。輸入和輸出光纖均為保偏（PM）單模光纖（FC/APC連接器，纖芯直徑為8μm）。

3.1連續(xù)波種子光下的放大器特性表征

將封裝好的半導體光放大器（SOA）用穩(wěn)定的窄線寬分布式反饋（DFB）激光器作為種子光，在室溫20℃下以連續(xù)波（CW）模式進行特性表征，結果如圖2所示。在種子光功率固定為50 mW的情況下，繪制了SOA功率和電壓隨SOA電流變化的曲線。當SOA電流為7.5 A時，實現(xiàn)了超過1.2 W的輸出功率，這對應著器件的電光轉換效率為14%。在此過程中，我們測量了準直光束的光功率為1.8 W，因此光纖耦合效率為65%，工作點如圖中插圖所示，該插圖是雙端口光纖耦合封裝的計算機輔助設計（CAD）渲染圖。同時還繪制了DFB種子光以及封裝好的SOA輸出光的光譜。在輸入功率約為40 mW、SOA電流固定為7.5 A的情況下，繪制了封裝好的SOA的光功率、增益（以dB為單位）和總增益隨種子光功率變化的曲線。封裝好的SOA在1.2 W輸出功率下的增益為15 dB。這些結果有望通過推出緊湊、高效的光纖耦合SOA產(chǎn)品，在1550 nm市場引發(fā)變革。

3.2 數(shù)據(jù)通信中的放大器特性表征

為確定半導體光放大器（SOA）在高速數(shù)據(jù)通信應用中使用幅度調制（AM）輸入信號時的性能，采用了圖3所示的方案。脈沖圖案發(fā)生器（PPG）生成碼長為27-1的非歸零開關鍵控（NRZ, OOK）周期偽隨機二進制序列（PRBS），該序列驅動帶有集成射頻（RF）驅動器的調制器，并注入穩(wěn)定的分布式反饋（DFB）激光源。信號以2.5 Gbps速率調制，種子光經(jīng)過一個由商用摻鉺光纖放大器（COTS EDFA）組成的雙級放大，在以下描述的各種實驗裝置中與封裝好的SOA進行對比。放大器輸出經(jīng)過衰減，由內置光電探測器轉換為電信號，由數(shù)據(jù)通信分析儀（DCA）進行分析。眼圖通過觸發(fā)數(shù)字示波器中的時鐘信號輸出進行顯示。

圖4左側展示了對脈沖圖案發(fā)生器（PPG）輸出的2.5 Gbps電比特序列眼圖的直接測量結果，右側是摻鉺光纖放大器（EDFA）單級放大后的眼圖，其平均輸入和輸出功率分別為10 mW和400 mW。EDFA輸出的眼圖張開，具有明顯的高、低電平以及清晰的比特轉換，這是EDFA數(shù)據(jù)通信幅度調制（AM）輸出的特征。在EDFA后添加一個光譜濾波器，并將封裝好的半導體光放大器（SOA）作為第二級放大。EDFA的平均功率降低，使得35 mW的平均輸入功率耦合到SOA的輸入端，此時SOA驅動電流為5 A，輸出功率約為550 mW。此設置的眼圖如圖5左側所示，在比特上升沿轉換時可明顯看到功率過沖。這種過沖可歸因于載流子壽命導致的圖案相關性，當SOA增益超過放大器的飽和強度時，就會出現(xiàn)這種效應。在圖案效應仍然明顯（圖5右側）的情況下，SOA作為平均輸入種子功率為5 mW、平均輸出功率為300 mW的單級放大器使用。除了初步測量外，還需要進一步研究，以確定封裝好的SOA在數(shù)據(jù)通信中的實用性。

差分相移鍵控（DPSK）是另一種常見的數(shù)據(jù)通信格式，在這種格式中，光程長度被高速調制，同時不改變數(shù)據(jù)信號的幅度，而是將數(shù)據(jù)比特編碼在輸出信號的相對相位中。下面圖6所示的實驗裝置中，幅度調制器被鈮酸鋰（LiNbO3）調制器取代，由脈沖圖案發(fā)生器（PPG）驅動輸出。此外，在衰減級之后放置了一個10 Gbps非對稱馬赫-曾德爾干涉儀（AMZI）。AMZI的工作原理是通過將每個比特與前一個比特進行干涉，從而將10 Gbps的相位數(shù)據(jù)轉換為幅度調制數(shù)據(jù)，產(chǎn)生相長干涉（0-1或1-0比特轉換，對應1電平輸出）或相消干涉（0-0或1-1比特轉換，對應0電平輸出）。來自AMZI的幅度調制輸出信號隨后由數(shù)據(jù)通信分析儀（DCA）進行測量并呈現(xiàn)為眼圖。

圖7左側展示了對脈沖圖案發(fā)生器（PPG）輸出的10 Gbps電眼圖的直接測量結果。由于數(shù)據(jù)速率接近PPG能力的上限，比特轉換看起來較為圓滑。由商用摻鉺光纖放大器（COTS EDFA）對來自非對稱馬赫-曾德爾干涉儀（AMZI）的10 Gbps輸出進行單級放大后的眼圖，如圖7右側所示。此處，比特轉換出現(xiàn)了偏移，在第二根AMZI臂（未顯示）中沒有連續(xù)的0電平比特數(shù)據(jù)，從而產(chǎn)生了鏡像反轉的眼圖。平衡式光探測器可用于改善該實驗裝置下的眼圖。

接下來，在摻鉺光纖放大器（EDFA）的輸出端添加一個光譜濾波器，然后接入封裝好的半導體光放大器（SOA）進行兩級放大，眼圖如圖8左側所示。此時，輸入到EDFA的總功率為6.3 mW，在5 A驅動電流下SOA的輸出功率為550 mW。該眼圖在定性上與僅使用EDFA時（圖7右側）相似，但有明顯張開的眼圖和顯著的功率過沖圖案效應。將SOA的驅動電流增加到7 A時，輸出功率超過1 W（圖8右側）。此時，較高電平比特中存在一些額外的噪聲，但眼圖仍可清晰分辨。這些初步數(shù)據(jù)表明，錐形SOA在瓦特級差分相移鍵控（DPSK）格式的高速數(shù)據(jù)通信中極具潛力，有望替代光纖放大器級聯(lián)中的一級或多級。

4.結論

配備半導體光放大器（SOA）的自由空間光（FSO）通信系統(tǒng)，相比僅依賴基于光纖信號放大的系統(tǒng)，有望更輕便、緊湊，且具備更高系統(tǒng)效率、更低復雜度和成本。我們近期在高亮度半導體光放大器方面取得的進展，使曾經(jīng)難以實現(xiàn)的直接二極管解決方案成為可能。初步測量結果表明，瓦特級的差分相移鍵控（DPSK）信號在10 Gbps速率下，使用1550 nm的錐形SOA具備應用潛力。特別地，更小型且高功率的FSO收發(fā)器能夠為空間和機載FSO通信系統(tǒng)帶來顯著優(yōu)勢。

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審核編輯 黃宇