新型半导体光放大器设计：如何实现高增益和高饱和输出功率
新型半导体光放大器设计：如何实现高增益和高饱和输出功率
随着光通信系统对更大容量的需求日益增长，半导体光放大器（SOA）因其可设计性、小型化和低成本等优势而备受关注。然而，传统的SOA设计往往在增益和饱和输出功率之间存在权衡。本文介绍了一种新型双段SOA设计，通过优化不同区域的光学限制因子，实现了高增益（>40 dB）和高饱和输出功率（>21 dBm）的同时满足，为光通信系统的发展提供了新的可能性。
一、引言
为了满足光通信系统对更大容量的需求，城域网和长途网系统正在考虑将光带宽扩展到L波段和S波段。因此，半导体光放大器（SOA）非常具有吸引力，因为它们可以被设计成在不同的带宽下工作，并具有可变的增益。此外，与掺铒光纤放大器（EDFA）相比，SOA的封装尺寸更小，并且可以以相对较低的成本提供更低的功耗。然而，在波分复用（WDM）长途系统的在线放大中，需要较高的输出功率水平。因此，需要SOA具有较高的饱和功率水平，以避免增益饱和状态下出现的信噪比降低。
二、双段SOA设计与模型
A. 缓解增益与饱和输出功率之间的权衡
增益与饱和输出功率之间的权衡是由于它们随光学限制因子(Г)的变化趋势相反所导致的。实际上，SOA的小信号增益（G0）随限制因子的增加而指数增长，而饱和光功率（Psat）——即放大器增益为其小信号增益G0一半时的输出光功率——与限制因子成反比：
因此，通过在单个芯片上结合两个区域——一个具有大限制因子，另一个具有小限制因子——可以同时实现大增益和高饱和输出功率，而只需适中的偏置电流和芯片长度。
B. 双区SOA设计描述
该SOA（半导体光放大器）设计基于InP材料，并在有源区域采用了InGaAsP多量子阱（MQW）结构。它包含了5个厚度均匀的量子阱，每个量子阱的厚度为11 nm。
为了将增益带宽覆盖到C波段和L波段（1525-1625 nm），光致发光峰值波长被设定在1640 nm。SOA被优化为使用横向电场（TE）极化信号进行操作，因为通过采用极化分集方案的SOA模块封装可以实现极化不敏感性。该方案涉及使用两个单极化SOA，它们以并行架构排列，每个SOA负责处理一种光极化。此外，这种模块方案还能使Psat（饱和输出功率）提高3 dB。
我们的双区SOA由一个旨在通过在有源区域实现大光学限制来获得足够增益的区段，以及另一个旨在通过低光学限制来获得大Psat的区段组成。
通过在有源层和SOA堆叠的n型掺杂InP之间插入一个厚的下包层或平板层，可以实现具有大Psat的区段的小光学限制。实际上，当下包层的折射率大于n型掺杂InP的折射率时，光学模式会从有源区域被拉下，导致量子阱中的光学限制因子变小。
此后，该区段被称为标准区段或STD区段。同样地，仅包含标准区段的SOA被称为STD SOA。
而通过在有源层和SOA堆叠的p型掺杂InP之间插入一个额外的上包层（UC）层，可以实现具有大增益的区段的大光学限制。当上包层的折射率大于p型掺杂InP层的折射率时，光学模式会被拉上，并且来自平板的牵引力因此减小，从而在量子阱中产生大的限制因子。
此后，该区段被称为UC（上包层）区段。
SOA的制造过程包括在InP衬底上外延生长下包层（n型掺杂）的InGaAsP平板、有源区域（InGaAsP多量子阱）和p型掺杂的上包层。然后，对于UC区段和标准（STD）区段，上包层被选择性蚀刻。在两个区段之间，上包层被部分蚀刻以在器件的两个区段之间的界面上形成锥度，如图2所示。波导以相对于解理方向7°的倾斜角度蚀刻到平板中，以减少光反馈。之后，在波导的侧面外延再生长一层InP绝缘层，然后再生长一层p型掺杂层。这被称为半绝缘掩埋异质结构（SIBH）工艺，它通过将波导掩埋在绝缘且导热的材料中来实现良好的散热和圆形模式。
对于大增益（> 25 dB），应大幅减少耦合的向后光反射，以避免产生大于0.2 dB的较大纹波，这种纹波会导致信号失真。因此，应实现低输出端面反射率。这取决于抗反射（AR）涂层的质量以及波导设计——倾斜角度和宽度。
因此，对于7°倾斜的波导和典型的AR涂层系数4×10-3处的直径）的变化，以确定STD区段的条纹宽度。结果如图1所示。对于FWHM发散小于20°（光模式半径大于4 µm）的情况，在高达40 dB的增益下，纹波小于0.2 dB。考虑到制造公差，输出STD区段的条纹宽度设置为5 µm，导致Г约为3.1%。
此外，为了确保基模在UC区段波导中传播，UC区段的条纹宽度被设定为3µm，这略小于STD区段的条纹宽度，导致Г约为5.4%。因此，设计了一个锥度，以确保两个区段之间的模式传播能够平滑且无损地过渡。SOA的俯视图、侧视图以及横截面图如图2所示。这三个横截面分别对应UC区段、过渡锥度和STD区段。UC区段和STD区段的模拟光模式分别如图3（a）和（b）所示。
利用这个公式，我们可以比较UC-SOA（超紧凑半导体光放大器）和STD-SOA（标准半导体光放大器）的噪声系数（NF）。第一项取决于耦合效率C。通过测量，我们发现UC-SOA和STD-SOA的耦合效率相似，分别为85%和80%。第二项被称为损耗项，它取决于波长和载流子密度。尽管UC区段和STD区段的限制因子和传播损耗不同，但它们的值几乎总是以大致相同的比例变化。根据我们的计算，在整个C波段和L波段波长范围内，它们之间的差异不超过0.1dB。最后一项是反转因子项，与波长和ΔEF（准费米能级差）有关。ΔEF受载流子密度影响，对应于吸收和受激辐射概率相同的能量。由于UC区段和STD区段的有源材料结构相同，因此它们的反转因子项也相同。因此，UC-SOA的噪声系数应与STD-SOA的噪声系数相似。
为了实现大增益和高饱和输出功率（Psat），应妥善确定每个区段的长度，以确保大增益区段（UC区段）中的光功率始终低于其饱和水平。
实际上，光功率应仅在SOA的STD区段输出附近接近饱和输出功率。只有这样，才能通过公式（2）以及输出区段的A和Г参数正确推导出芯片的饱和输出功率（Psat）。否则，如果UC区段过长，饱和输出功率将会降低。因此，为了获得STD区段和UC区段的最优长度分配，我们建立了一个简单的模型来模拟增益和饱和输出功率性能。
C. 双区段SOA模型
假设SOA中的载流子密度是均匀的，且载流子寿命是一个恒定值，那么在给定载流子密度下，SOA中传播的光功率可以通过考虑长度为dz的小传播步长来计算，如下所示：
其中，（Г）表示有源区域中的光限制因子，（gmat）表示材料增益，（α）表示每厘米的传播损耗，（Ps）表示增益介质的饱和功率。
通过求解方程（3），可以计算出每个区段输出处的传播功率以及芯片增益，从而优化各个区段的长度。
因此，方程（3）的参数是从光学模式求解器和具有相同多量子阱（MQW）设计芯片的测量中提取的。例如，使用模式求解器计算了MQW和包层中的光限制因子，从而可以推导出n型和p型掺杂区域的光损耗，而材料增益随载流子密度的变化以及增益介质的饱和功率则是分别使用方程（1）和（2）从现有SOA STD芯片的增益和饱和输出功率测量中提取的。然后，对方程（3）在UC区段、锥度区段和STD区段进行了数值求解，从而提取了芯片增益。此外，通过使用循环函数并扫描从-25 dBm到5 dBm的输入功率，计算了器件的饱和输出功率。流程图如图4所示。
芯片长度确定为4毫米，以便为STD SOA提供适中的增益。在图5中，展示了在1.3 A偏置电流下，对于不同输入1600 nm信号功率的情况，一个4毫米长芯片上沿其长度的光功率值，其中40%的长度由UC区段组成。所使用的参数列在表I中。1.3 A电流是我们在测量中通常能够达到的最大电流，并确保没有过载操作。光从UC区段传播到芯片的STD区段。
在图5中，对应于小信号情况（橙色曲线）的曲线，输入功率被设置为-35 dBm。而对于对应于饱和情况（绿色曲线）的曲线，输入功率被调整到与输入饱和功率（-13.8 dBm）相匹配。这两条曲线的差值就得到了增益压缩因子，该因子绘制在次垂直轴上（红色曲线）。它显示了增益饱和在芯片上的哪个位置发生。特别是，对于这种双区段设计，饱和发生在SOA STD区段的输出处。此外，还展示了每个区段以及整个芯片的材料饱和功率（蓝色曲线）。
因此，我们进一步研究了UC比例（即UC区段长度与总长度（UC + STD）的比例）的影响。在图6中，展示了在1.3 A偏置电流和1600 nm输入信号下，4 mm芯片上芯片增益随UC区段比例和输出功率的变化情况。UC区段比例以10%的步长从0%变化到100%。特别地，在0% UC的情况下，SOA仅由STD区段组成；而在100% UC的情况下，SOA则仅由UC区段组成。每条曲线上星号标记对应的横坐标表示每个UC比例下的芯片饱和功率Psat。随着UC比例的增加，增益总是增加，这是UC区段中更大的光限制因子的直接结果。然而，饱和输出功率首先随着UC比例的增加而增加，直到60%，然后减少。其最初增加的原因是由于UC区段的波导比STD区段更窄，导致有源体积减小。实际上，这导致在相同偏置电流下电流密度增加，进而降低了微分增益a1（见方程（3））。然而，当UC区段过长（在此情况下超过60%）时，饱和功率会下降，因为光信号会在到达芯片输出之前先在UC区段中饱和。
因此，对于这个4 mm长的双区段SOA设计，UC区段的最优长度比例约为60%。
为了验证这个模型，我们制造了具有相同多量子阱（MQW）结构但UC区段比例不同的芯片，并随后对它们进行了适当的表征。