一種低噪聲半導體光放大器SOA設(shè)計

----翻譯自Hideaki Hasegaw等人2011年發(fā)表的《Semiconductor Optical Amplifiers with Low Noise Figure》

摘要：

光通信的下一代調(diào)制方式將會采用多級相位調(diào)制，隨著調(diào)制水平的提高，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，光發(fā)射機和接收機的插入損耗往往會增加。因此，急需一種小型的光放大器來補償這種插入損耗，與摻鉺光纖放大器（EDFA）相比，半導體光放大器SOA小并且能夠與其他光學器件集成。在本文中，使用仿真技術(shù)對半導體光放大器SOA結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計和優(yōu)化，并制作了原型。該半導體光放大器SOA在100mA的電流下具有>5dBm輸出功率和<4dB的噪聲系數(shù)（NF），其特性與EDFA的特性相似，且由于其具有小尺寸、低功耗和低噪聲的特性，未來將有廣泛的應(yīng)用前景。

1.簡介

基于相移鍵控（PSK）的多級相位調(diào)制方案因其在接收器靈敏度、頻譜效率和色散容限特性方面優(yōu)于傳統(tǒng)的開關(guān)鍵控（OOK）方案，逐漸應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中。然而，該方案增加了光學組件（調(diào)制系統(tǒng)在發(fā)射機側(cè)使用多級相位調(diào)制器，在接收機側(cè)使用無源延遲電路和平衡光電檢測器），光學發(fā)射器和接收器的插入損耗大幅增加。圖1是使用四組Mach-Zehnder干涉儀的16正交幅度調(diào)制（16QAM）調(diào)制器的結(jié)構(gòu)示意，這產(chǎn)生了約10dB的插入損耗。迫切需要一種小型放大器補償這些損耗。

圖1：16QAM調(diào)制器示意圖

小型半導體光放大器SOA由于其優(yōu)良特性是最佳選擇。半導體光放大器SOA可以與其他基于化合物半導體的光學器件單片集成，或者通過使用光斑尺寸轉(zhuǎn)換器SSC與具有低于1dB的低耦合損耗的平面光波電路PLC的基于二氧化硅的光波導混合集成。此外，SOA具有驅(qū)動簡單、速度快、功耗低、成本低等優(yōu)點。另一方面，為滿足光通信應(yīng)用需求，SOA需要提供偏振不敏感的增益和低NF。本文主要關(guān)注如何確保SOA具有低噪聲和高輸出的特性。文獻3中已經(jīng)報道了具有低噪聲系數(shù)NF和高輸出特性的SOA，但沒有描述NF對有源層寬度、增益區(qū)長度和多量子阱有源層結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)參數(shù)的依賴性。因此，在本文中，我們在數(shù)值和實驗上仔細研究了NF與有源層寬度、增益區(qū)長度和有源層結(jié)構(gòu)的關(guān)系。此外，我們優(yōu)化了有源層寬度和增益區(qū)長度，以實現(xiàn)滿足典型單通道放大器的NF和輸出功率要求的SOA特性。

2.SOA特性分析

本節(jié)將描述SOA的NF和輸出功率特性的分析技術(shù)。在文獻 4中介紹了SOA的NF特性的分析技術(shù)。該分析中使用的基本方程是描述載流子密度隨時間變化的速率方程，如方程所示

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通過同時求解該速率方程以及信號光和ASE光的傳播方程，可以獲得信號光和ASE光的分布。設(shè)G為增益，CE為接收側(cè)的耦合效率，PASE為輸出端ASE的強度，噪聲系數(shù)NF(dB)可由下式計算：

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從方程(2)可以看出，NF主要由增益G和ASE光的功率決定。方程(1)中的材料增益系數(shù)g(N)由方程(3)中所示的近似模型表示。

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將等式(3)中所示的近似模型代入等式(1)，可以進行MQW SOA的特性分析。在等式(3)中，g0是增益系數(shù)，N是載流子密度，N0是透明載流子密度。圖2比較了近似模型計算的凈增益和使用Hakki-Paoli方法測量的凈增益。凈增益Gnet可以通過等式(4)來表示。

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其中α(N)是損失。然而，如圖2所示，方程(3)的近似模型表明，隨著注入載流子密度的增加，凈增益有上升的趨勢，而測量的凈增益往往在高載流子密度側(cè)迅速飽和。當激光器由于載流子箝位而以低載流子密度工作時，SOA以高載流子密度工作，因此高載流子密度下的凈增益變得重要。

圖2：測量的增益與模型計算得到的增益對比

在本文中，考慮到基于方程(3)的模型不能準確地表達高載流子濃度下的材料增益，在分析中使用了測量的凈增益。圖3顯示了使用近似模型計算的增益和NF特性以及使用實際測量數(shù)據(jù)計算的增益特性和NF特性?？梢钥闯?，雖然近似模型給出的增益和NF與實驗結(jié)果的差異分別為4.1dB和0.7dB，但通過使用測量的凈增益進行計算，這些差異分別減少到1.2dB和0.2dB。

圖3 增益和NF的計算結(jié)果以及測量結(jié)果對比

3.低噪聲SOA的設(shè)計

使用了上節(jié)的分析方法，我們進行低噪聲SOA的波導結(jié)構(gòu)設(shè)計。圖4展示了設(shè)計中考慮的SOA的結(jié)構(gòu)參數(shù)。要設(shè)計的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括有源層寬度W、增益區(qū)長度L、光學約束因子Γ和損耗α。這里使用GaInAsP作為有源層，掩埋異質(zhì)波導結(jié)構(gòu)。

圖4 SOA接口參數(shù)

圖5顯示了由三個有源層（3-QW）組成且光學約束因子Γ為1.1%的SOA器件在100mA驅(qū)動電流和-5dBm的輸入功率下的有源層W和增益區(qū)域長度L之間的關(guān)系。從圖5中可以看出，噪聲系數(shù)NF隨著有源層寬度的增加和增益區(qū)域長度的縮短而減小。另據(jù)報道，NF隨著光學限制因子和損耗的下降而降低。換言之，NF隨著更寬的有源層、更短的增益區(qū)域長度、更低的損耗和更低的光學約束因子而減小。

圖5 輸出光功率及NF與有源層厚度及增益區(qū)域長度的關(guān)系

圖6顯示了具有不同光學約束因子的SOA中沿傳播方向的信號光分布的計算結(jié)果。從圖中可以看出，光約束因子越低，信號光沿縱向越抗飽和，NF往往越低。在這種結(jié)構(gòu)中，由于信號光的增益飽和不太可能發(fā)生，注入的載流子更多地轉(zhuǎn)化為信號光而不是噪聲光，因此NF往往會降低。因此，為了實現(xiàn)低噪聲特性，重要的是設(shè)計其中信號光不易飽和的波導結(jié)構(gòu)。圖5a和5b中的藍色實線分別顯示了光輸出功率和芯片NF的5 dBm和4 dB的目標性能；2.8μm處的紅色實線表示滿足單模操作條件的邊界。我們將有源層寬度設(shè)置為2.8μm，增益區(qū)長度設(shè)置為1000μm，制造了具有波導結(jié)構(gòu)的SOA原型，該波導結(jié)構(gòu)可以滿足目標光輸出功率、NF和單模條件。

圖6 具有不同光學約束因子的SOA中的信號光分布

4.低噪聲SOA制作

根據(jù)第3節(jié)中描述的波導結(jié)構(gòu)設(shè)計制造原型SOA。量子阱的數(shù)量依次從三(3-QW)增加到五(5-QW)和八(8-QW)。使用金屬有機化學氣相沉積MOCVD工藝用于晶體生長，有源層由具有0.8%壓縮應(yīng)變的GaInAsP量子阱組成。埋置異質(zhì)結(jié)構(gòu)用于電流限制，多步分離限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)SCH用于減少p摻雜上包層的光吸收。此外，在端面上涂覆了抗反膜。圖7顯示了3-QW、5-QW和8-QW SOA的光學輸出功率和NF特性。使用自動光纖對準系統(tǒng)進行測量。測量波長被設(shè)置為1500nm、1560nm和1560nm，分別對應(yīng)于3-QW、5-QW和8-QW器件的峰值增益波長。在計算中，使用了通過模式分析獲得的Γ值，對于3-QW、5-QW和8-QW，它們分別為1.1%、2.3%和4.4%。就損耗而言，由于SOA在高載流子密度的泵浦條件下工作，因此有源層的吸收損耗占主導地位，并且已知有源層的吸收損耗與Γ成比例。3-QW結(jié)構(gòu)的損耗為8cm-1，這是一個實測值，5-QW和8-QW結(jié)構(gòu)分別為17cm-1和32cm-1，這是假設(shè)與Γ成比例關(guān)系的估計值。實驗結(jié)果表明3-QW和5-QW結(jié)構(gòu)具有幾乎相同的NF。增加阱的數(shù)量產(chǎn)生兩種效應(yīng)：一種是由于工作載流子密度降低，增益不太可能飽和，因此NF降低——這被稱為“效應(yīng)A”；另一種是活性層中的吸收損耗增加，從而增加了NF-“效應(yīng)B”。對于3-QW和5-QW結(jié)構(gòu)，這兩種效應(yīng)相互抵消，使得NF幾乎沒有變化。另一方面，由于在8-QW的情況下效應(yīng)B占據(jù)主導地位，NF迅速增加。就輸出功率而言，人們認為，隨著阱的數(shù)量從3-QW增加到5-QW和8-QW，凈增益與Γ成比例地增加，因此輸出功率在低于-5dBm的低輸入功率側(cè)較高，但由于高輸入功率側(cè)的增益飽和而降低。還可以看出，在這三種有源層結(jié)構(gòu)中，5-QW在低于-5dBm的光輸入功率下滿足輸出功率和NF。

圖7不同量子阱對應(yīng)的輸出功率和NF特性

5.結(jié)論

在本文中，通過采用實際測量的凈增益數(shù)據(jù)來預(yù)測低噪聲SOA的性能的數(shù)值分析，對低噪聲SOA進行了設(shè)計和原型設(shè)計。這里5-QW結(jié)構(gòu)的SOA實現(xiàn)6dB NF（含大約2dB的耦合損耗），這已經(jīng)與摻鉺光纖放大器NF相當。此外，已經(jīng)實現(xiàn)了高于5dBm的芯片輸出功率，這完全滿足單通道放大器所需的性能。這些結(jié)果表明，SOA有望成為下一代光通信中一種小型化、低功耗、低噪聲的光放大器。

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