摘要

我們介紹了一種具有高增益（> 40 dB）和高飽和功率（> 21 dBm）的半導(dǎo)體光學(xué)放大器（SOA）芯片，其驅(qū)動(dòng)電流適中（1.3 A）。本文提出了一個(gè)用于優(yōu)化新型雙段SOA概念的設(shè)計(jì)模型。該模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與制造的芯片上的測(cè)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(biāo)，它展示了迄今為止最佳報(bào)道。然而，由于噪聲系數(shù)略有下降，我們引入了一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)，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(duì)更大容量的日益增長(zhǎng)的需求，城域網(wǎng)和長(zhǎng)途網(wǎng)系統(tǒng)正在考慮將光帶寬擴(kuò)展到L波段和S波段。因此，半導(dǎo)體光放大器（SOA）非常具有吸引力，因?yàn)樗鼈兛梢员辉O(shè)計(jì)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(duì)較低的成本提供更低的功耗。然而，在波分復(fù)用（WDM）長(zhǎng)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(bào)道的基于磷化銦（InP）的設(shè)計(jì)雖然具有較大的輸出功率（> 20 dBm），但卻以犧牲增益（< 20 dB）和/或功耗為代價(jià)。事實(shí)上，由于這些設(shè)計(jì)基于量子阱中的低光學(xué)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(wèn)題，文獻(xiàn)[9],[10]提出了一種具有可變限制因子的SOA。然而，目前尚未報(bào)道實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論驗(yàn)證。最近，我們介紹了一種由兩個(gè)部分組成的新型SOA設(shè)計(jì)，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(guò)優(yōu)化一個(gè)部分以滿足高增益要求，而另一個(gè)部分滿足高飽和輸出功率要求來(lái)實(shí)現(xiàn)的。特別是，通過(guò)在芯片的一部分上引入上包層錐度來(lái)獲得大增益。然而，這導(dǎo)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(jì)和優(yōu)化的模型。接下來(lái)，我們通過(guò)測(cè)量制造芯片的性能指標(biāo)（增益、噪聲系數(shù)和飽和功率），并將其與最先進(jìn)的SOA進(jìn)行比較，來(lái)展示該模型的驗(yàn)證結(jié)果。最后，我們介紹了一種先進(jìn)的SOA設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了更小的噪聲系數(shù)，同時(shí)不影響大增益和高飽和輸出功率水平。

II. 雙段SOA設(shè)計(jì)與模型

A. 緩解增益與飽和輸出功率之間的權(quán)衡

如已報(bào)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(xué)限制因子(Г)的變化趨勢(shì)相反所導(dǎo)致的。實(shí)際上，如近似方程（1）和（2）所述，SOA的小信號(hào)增益（G0）隨限制因子的增加而指數(shù)增長(zhǎng)，而飽和光功率（Psat）——即放大器增益為其小信號(hào)增益G0一半時(shí)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(xué)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(zhǎng)度；這里忽略了傳播損耗、空間燒孔效應(yīng)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(fù)合相關(guān)的載流子壽命。

因此，通過(guò)在單個(gè)芯片上結(jié)合兩個(gè)區(qū)域——一個(gè)具有大限制因子，另一個(gè)具有小限制因子——可以同時(shí)實(shí)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(zhǎng)度。

然而，為了根據(jù)方程（2）和最后一個(gè)區(qū)域的參數(shù)預(yù)測(cè)放大器的飽和輸出功率，必須仔細(xì)選擇這兩個(gè)區(qū)域的長(zhǎng)度。

請(qǐng)注意，飽和輸出功率還與微分增益a1成反比（見(jiàn)方程（2））。因此，通過(guò)減小SOA的體積，也可以實(shí)現(xiàn)更高的飽和輸出功率。

B. 雙區(qū)SOA設(shè)計(jì)描述

該SOA（半導(dǎo)體光放大器）設(shè)計(jì)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(gè)厚度均勻的量子阱，每個(gè)量子阱的厚度為11 nm。

為了將增益帶寬覆蓋到C波段和L波段（1525-1625 nm），光致發(fā)光峰值波長(zhǎng)被設(shè)定在1640 nm。SOA被優(yōu)化為使用橫向電場(chǎng)（TE）極化信號(hào)進(jìn)行操作，因?yàn)橥ㄟ^(guò)采用極化分集方案的SOA模塊封裝可以實(shí)現(xiàn)極化不敏感性。該方案涉及使用兩個(gè)單極化SOA，它們以并行架構(gòu)排列，每個(gè)SOA負(fù)責(zé)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3 dB。

我們的雙區(qū)SOA由一個(gè)旨在通過(guò)在有源區(qū)域?qū)崿F(xiàn)大光學(xué)限制來(lái)獲得足夠增益的區(qū)段，以及另一個(gè)旨在通過(guò)低光學(xué)限制來(lái)獲得大Psat的區(qū)段組成。

通過(guò)在有源層和SOA堆疊的n型摻雜InP之間插入一個(gè)厚的下包層或平板層，可以實(shí)現(xiàn)具有大Psat的區(qū)段的小光學(xué)限制。實(shí)際上，當(dāng)下包層的折射率大于n型摻雜InP的折射率時(shí)，光學(xué)模式會(huì)從有源區(qū)域被拉下，導(dǎo)致量子阱中的光學(xué)限制因子變小。

此后，該區(qū)段被稱為標(biāo)準(zhǔn)區(qū)段或STD區(qū)段。同樣地，僅包含標(biāo)準(zhǔn)區(qū)段的SOA被稱為STD SOA。

而通過(guò)在有源層和SOA堆疊的p型摻雜InP之間插入一個(gè)額外的上包層（UC）層，可以實(shí)現(xiàn)具有大增益的區(qū)段的大光學(xué)限制。當(dāng)上包層的折射率大于p型摻雜InP層的折射率時(shí)，光學(xué)模式會(huì)被拉上，并且來(lái)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(guò)程包括在InP襯底上外延生長(zhǎng)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(duì)于UC區(qū)段和標(biāo)準(zhǔn)（STD）區(qū)段，上包層被選擇性蝕刻。在兩個(gè)區(qū)段之間，上包層被部分蝕刻以在器件的兩個(gè)區(qū)段之間的界面上形成錐度，如圖2所示。波導(dǎo)以相對(duì)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(dǎo)的側(cè)面外延再生長(zhǎng)一層InP絕緣層，然后再生長(zhǎng)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(guò)將波導(dǎo)掩埋在絕緣且導(dǎo)熱的材料中來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的散熱和圓形模式。

對(duì)于大增益（> 25 dB），應(yīng)大幅減少耦合的向后光反射，以避免產(chǎn)生大于0.2 dB的較大紋波，這種紋波會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真。因此，應(yīng)實(shí)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(dǎo)設(shè)計(jì)——傾斜角度和寬度。

因此，對(duì)于7°傾斜的波導(dǎo)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(duì)于FWHM發(fā)散小于20°（光模式半徑大于4 μm）的情況，在高達(dá)40 dB的增益下，紋波小于0.2 dB?？紤]到制造公差，輸出STD區(qū)段的條紋寬度設(shè)置為5 μm，導(dǎo)致Г約為3.1%。

此外，為了確?；Ｔ赨C區(qū)段波導(dǎo)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(dǎo)致Г約為5.4%。因此，設(shè)計(jì)了一個(gè)錐度，以確保兩個(gè)區(qū)段之間的模式傳播能夠平滑且無(wú)損地過(guò)渡。SOA的俯視圖、側(cè)視圖以及橫截面圖如圖2所示。這三個(gè)橫截面分別對(duì)應(yīng)UC區(qū)段、過(guò)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(gè)公式，我們可以比較UC-SOA（超緊湊半導(dǎo)體光放大器）和STD-SOA（標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體光放大器）的噪聲系數(shù)（NF）。第一項(xiàng)取決于耦合效率C。通過(guò)測(cè)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(xiàng)被稱為損耗項(xiàng)，它取決于波長(zhǎng)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(jì)算，在整個(gè)C波段和L波段波長(zhǎng)范圍內(nèi)，它們之間的差異不超過(guò)0.1dB。最后一項(xiàng)是反轉(zhuǎn)因子項(xiàng)，與波長(zhǎng)和ΔEF（準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)差）有關(guān)。ΔEF受載流子密度影響，對(duì)應(yīng)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(xiàng)也相同。因此，UC-SOA的噪聲系數(shù)應(yīng)與STD-SOA的噪聲系數(shù)相似。

為了實(shí)現(xiàn)大增益和高飽和輸出功率（Psat），應(yīng)妥善確定每個(gè)區(qū)段的長(zhǎng)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(shí)際上，光功率應(yīng)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(guò)公式（2）以及輸出區(qū)段的A和Г參數(shù)正確推導(dǎo)出芯片的飽和輸出功率（Psat）。否則，如果UC區(qū)段過(guò)長(zhǎng)，飽和輸出功率將會(huì)降低。因此，為了獲得STD區(qū)段和UC區(qū)段的最優(yōu)長(zhǎng)度分配，我們建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的模型來(lái)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(gè)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(guò)考慮長(zhǎng)度為dz的小傳播步長(zhǎng)來(lái)計(jì)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(guò)求解方程（3），可以計(jì)算出每個(gè)區(qū)段輸出處的傳播功率以及芯片增益，從而優(yōu)化各個(gè)區(qū)段的長(zhǎng)度。

因此，方程（3）的參數(shù)是從光學(xué)模式求解器和具有相同多量子阱（MQW）設(shè)計(jì)芯片的測(cè)量中提取的。例如，使用模式求解器計(jì)算了MQW和包層中的光限制因子，從而可以推導(dǎo)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(cè)量中提取的。然后，對(duì)方程（3）在UC區(qū)段、錐度區(qū)段和STD區(qū)段進(jìn)行了數(shù)值求解，從而提取了芯片增益。此外，通過(guò)使用循環(huán)函數(shù)并掃描從-25 dBm到5 dBm的輸入功率，計(jì)算了器件的飽和輸出功率。流程圖如圖4所示。

芯片長(zhǎng)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(duì)于不同輸入1600 nm信號(hào)功率的情況，一個(gè)4毫米長(zhǎng)芯片上沿其長(zhǎng)度的光功率值，其中40%的長(zhǎng)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?cè)跍y(cè)量中通常能夠達(dá)到的最大電流，并確保沒(méi)有過(guò)載操作。光從UC區(qū)段傳播到芯片的STD區(qū)段。

在圖5中，對(duì)應(yīng)于小信號(hào)情況（橙色曲線）的曲線，輸入功率被設(shè)置為-35 dBm。而對(duì)于對(duì)應(yīng)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(gè)位置發(fā)生。特別是，對(duì)于這種雙區(qū)段設(shè)計(jì)，飽和發(fā)生在SOA STD區(qū)段的輸出處。此外，還展示了每個(gè)區(qū)段以及整個(gè)芯片的材料飽和功率（藍(lán)色曲線）。

因此，我們進(jìn)一步研究了UC比例（即UC區(qū)段長(zhǎng)度與總長(zhǎng)度（UC + STD）的比例）的影響。在圖6中，展示了在1.3 A偏置電流和1600 nm輸入信號(hào)下，4 mm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(zhǎng)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(hào)標(biāo)記對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)表示每個(gè)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(dǎo)比STD區(qū)段更窄，導(dǎo)致有源體積減小。實(shí)際上，這導(dǎo)致在相同偏置電流下電流密度增加，進(jìn)而降低了微分增益a1（見(jiàn)方程（3））。然而，當(dāng)UC區(qū)段過(guò)長(zhǎng)（在此情況下超過(guò)60%）時(shí)，飽和功率會(huì)下降，因?yàn)楣庑盘?hào)會(huì)在到達(dá)芯片輸出之前先在UC區(qū)段中飽和。

因此，對(duì)于這個(gè)4 mm長(zhǎng)的雙區(qū)段SOA設(shè)計(jì)，UC區(qū)段的最優(yōu)長(zhǎng)度比例約為60%。

為了驗(yàn)證這個(gè)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(duì)它們進(jìn)行了適當(dāng)?shù)谋碚鳌?/p>

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審核編輯 黃宇