----翻譯自Farah Diana Mahad等人2015年文章

1.摘要

半導(dǎo)體光放大器SOA目前在一些通信網(wǎng)絡(luò)中常被用作功率放大器或前置放大器。然而，在未來(lái)全光開關(guān)、再生以及波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方案中，半導(dǎo)體光放大器也有望成為多功能元件的有力候選。鑒于此，本文旨在對(duì)半導(dǎo)體光放大器的性能進(jìn)行仿真，以優(yōu)化其放大和開關(guān)功能。研究采用OptSim軟件對(duì)半導(dǎo)體光放大器進(jìn)行建模與仿真；為驗(yàn)證仿真結(jié)果，還采用MATLAB數(shù)學(xué)模型輔助半導(dǎo)體光放大器的設(shè)計(jì)。通過(guò)該模型可知，在非飽和區(qū)域，仿真結(jié)果與數(shù)學(xué)計(jì)算結(jié)果的增益差值小于1dB。數(shù)學(xué)分析結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，僅因軟件本身在匹配半導(dǎo)體光放大器增益動(dòng)態(tài)特性方面存在局限性，導(dǎo)致出現(xiàn)微小偏差。

2.關(guān)鍵詞

半導(dǎo)體光放大器SOA、增益特性、飽和區(qū)域、非飽和區(qū)域

3.引言

半導(dǎo)體光放大器SOA技術(shù)因其商業(yè)價(jià)值和在光纖通信系統(tǒng)中的未來(lái)潛力而備受關(guān)注。半導(dǎo)體光放大器的基本原理與工作在閾值偏置附近的激光二極管十分相似，不同之處在于半導(dǎo)體光放大器具有內(nèi)部抗反射涂層，可將其反射率降至接近零。在通信網(wǎng)絡(luò)中，半導(dǎo)體光放大器通常通過(guò)充當(dāng)功率放大器、在線放大器[1]或前置放大器，在通信鏈路的不同節(jié)點(diǎn)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行再生。

然而，由于半導(dǎo)體光放大器無(wú)需進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，且近年來(lái)光半導(dǎo)體制造技術(shù)和器件設(shè)計(jì)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，它們?cè)谖磥?lái)全光通信網(wǎng)絡(luò)中展現(xiàn)出作為器件元件的巨大潛力。因此，除放大功能外，半導(dǎo)體光放大器還可在未來(lái)全光開關(guān)[2,3,4]、再生和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換[5,6]方案中用作多功能元件。

4.數(shù)學(xué)模型

半導(dǎo)體光放大器主要有三種類型：行波型、法布里-珀羅型和注入鎖定型。本文所建立模型的半導(dǎo)體光放大器為行波型放大器，該放大器具有波長(zhǎng)平坦增益，同時(shí)考慮了載流子時(shí)間動(dòng)態(tài)特性和飽和特性。在這種行波型光放大器中，其端面涂有抗反射涂層，使得光波僅能單次穿過(guò)二極管的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)區(qū)域。

當(dāng)光和偏置電流注入半導(dǎo)體光放大器時(shí)，其有源區(qū)的增益會(huì)發(fā)生變化，這種變化可通過(guò)增益特性方程來(lái)描述。放大器的非飽和增益介質(zhì)由非飽和增益系數(shù)g0描述，其表達(dá)式如下[7]：

式中，Γ為限制因子，a為材料增益，I為注入半導(dǎo)體光放大器的偏置電流，τs為自發(fā)載流子壽命，e為電子電荷，N0為透明載流子濃度。

半導(dǎo)體光放大器的有源區(qū)體積V為：

其中，L、W和D分別表示有源區(qū)的長(zhǎng)度、寬度和厚度。

行波型放大器的單程增益（也稱為放大器的非飽和增益）G0可表示為：

放大器增益G可通過(guò)以下公式計(jì)算得出：

式中，Pout為光輸出功率，Ps為放大器的飽和功率，其表達(dá)式為：

在公式（5）中，h為普朗克常數(shù)，w0為光頻率，σm為有源區(qū)的截面積（約等于W*D）。由公式（4）可知，當(dāng)Pout與Ps處于同一數(shù)量級(jí)時(shí)，增益G會(huì)從G0開始下降；同時(shí)，從公式（4）還可推斷出，當(dāng)半導(dǎo)體光放大器的輸入光功率較低時(shí)，其增益高于輸入光功率較高時(shí)的增益，這就是增益飽和現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。

5.建模與仿真

研究采用OptSim軟件對(duì)半導(dǎo)體光放大器進(jìn)行建模與仿真。為使半導(dǎo)體光放大器同時(shí)具備放大器和開關(guān)的功能，將其偏置電流設(shè)定為最佳值250mA。通過(guò)向半導(dǎo)體光放大器通入電流，實(shí)現(xiàn)放大和開關(guān)功能。半導(dǎo)體光放大器系統(tǒng)的仿真示意圖如圖1所示，該系統(tǒng)包含多個(gè)元件，如激光器、光衰減器、半導(dǎo)體光放大器、帶通濾波器、低通濾波器和PD；同時(shí)，采用光功率計(jì)和示波器分別測(cè)量功率信號(hào)和Q因子。

仿真過(guò)程采用不歸零NRZ偽隨機(jī)碼（PRBS）信號(hào)，數(shù)據(jù)速率為2.5Gb/s，中心波長(zhǎng)為1550nm。在半導(dǎo)體光放大器之后有帶通濾波器，目的是去除信號(hào)帶寬外額外的ASE；其中，15dB的Attenuator1用于模擬實(shí)際的光通信系統(tǒng)環(huán)境，Attenuator2則用于平衡增益與損耗。仿真中所使用的半導(dǎo)體光放大器參數(shù)選自先前的研究成果[8]，具體參數(shù)如表1所示。

表一仿真參數(shù)

6.結(jié)果與討論

在先前的研究[9]中，已初步探究了輸入功率對(duì)半導(dǎo)體光放大器增益特性和Q因子的影響。圖2和圖3分別展示了采用OptSim軟件仿真半導(dǎo)體光放大器時(shí)，輸出功率隨輸入功率的變化關(guān)系以及增益特性。在半導(dǎo)體光放大器達(dá)到飽和狀態(tài)之前，輸出功率與輸入功率呈線性增長(zhǎng)關(guān)系；當(dāng)半導(dǎo)體光放大器達(dá)到飽和狀態(tài)后，有源區(qū)的載流子會(huì)逐漸耗盡，進(jìn)而導(dǎo)致放大器增益下降。

在達(dá)到飽和值之前，半導(dǎo)體光放大器可有效作為恒定增益放大器工作，此時(shí)輸出信號(hào)不受半導(dǎo)體光放大器非線性響應(yīng)的影響。通過(guò)軟件測(cè)量可知，非飽和區(qū)域的增益約為35.7dB；同時(shí)，根據(jù)曲線估算，當(dāng)輸出功率達(dá)到約7dBm時(shí)，半導(dǎo)體光放大器開始進(jìn)入飽和狀態(tài)。

為驗(yàn)證仿真結(jié)果，研究采用數(shù)學(xué)模型輔助半導(dǎo)體光放大器的設(shè)計(jì)。數(shù)學(xué)分析過(guò)程如下：利用MATLAB和Excel，將半導(dǎo)體光放大器參數(shù)代入現(xiàn)有文獻(xiàn)[7,10]中的增益特性方程，通過(guò)公式（4）計(jì)算得出結(jié)果，并繪制如圖4所示的曲線。從圖中可以看出，在非飽和區(qū)域，仿真結(jié)果與數(shù)學(xué)計(jì)算結(jié)果的增益差值約為10dB。

產(chǎn)生這一差值的原因是，該方程未考慮半導(dǎo)體光放大器的內(nèi)部波導(dǎo)散射損耗。因此，對(duì)公式（1）進(jìn)行修正，修正后的公式如下：

式中，αs為內(nèi)部波導(dǎo)散射損耗。圖5展示了考慮內(nèi)部波導(dǎo)散射損耗后的結(jié)果，由圖可知，在非飽和區(qū)域，仿真結(jié)果與數(shù)學(xué)計(jì)算結(jié)果的增益差值小于1dB。

7.結(jié)論

本文對(duì)偏置電流為額定值250毫安時(shí)半導(dǎo)體光放大器的增益響應(yīng)進(jìn)行了仿真。利用文獻(xiàn)中的半導(dǎo)體光放大器參數(shù)，通過(guò)數(shù)學(xué)分析對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。數(shù)學(xué)分析結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，僅因軟件本身在匹配半導(dǎo)體光放大器超快增益動(dòng)態(tài)特性方面存在局限性，導(dǎo)致出現(xiàn)微小偏差。這些結(jié)果為確定實(shí)際半導(dǎo)體光放大器增益和開關(guān)功能的最佳工作點(diǎn)提供了有用的操作信息。

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(dǎo)體光放大器SOA基礎(chǔ)知識(shí)，助力SOA技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。特此告知，本文系經(jīng)過(guò)人工翻譯而成，雖本公司盡最大努力保證翻譯準(zhǔn)確性，但不排除存在誤差、遺漏或語(yǔ)義解讀導(dǎo)致的不完全準(zhǔn)確性，建議讀者閱讀原文或?qū)φ臻喿x，也歡迎指出錯(cuò)誤，共同進(jìn)步。

天津見合八方光電科技有限公司是一家專注國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)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(dǎo)體光放大器SOA產(chǎn)品(850nm,1060nm,1270nm,1310nm, 1550nm,1625nm)以及增益芯片RSOA產(chǎn)品(850nm,1310nm,1550nm)，公司已建立了萬(wàn)級(jí)超凈間實(shí)驗(yàn)室，擁有較為全面的光芯片的生產(chǎn)加工、測(cè)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(jìn)行NLL/ECL+SOA的混合集成器件、大功率SOA器件的研發(fā)工作，并可對(duì)外承接各種光電器件測(cè)試、封裝和加工服務(wù)。