一种低噪声半导体光放大器SOA设计
----翻译自Hideaki Hasegaw等人2011年发表的《Semiconductor Optical Amplifiers with Low Noise Figure》
摘要：
光通信的下一代调制方式将会采用多级相位调制，随着调制水平的提高，由于其结构复杂性，光发射机和接收机的插入损耗往往会增加。因此，急需一种小型的光放大器来补偿这种插入损耗，与掺铒光纤放大器（EDFA）相比，半导体光放大器SOA小并且能够与其他光学器件集成。在本文中，使用仿真技术对半导体光放大器SOA结构进行了设计和优化，并制作了原型。该半导体光放大器SOA在100mA的电流下具有>5dBm输出功率和<4dB的噪声系数（NF），其特性与EDFA的特性相似，且由于其具有小尺寸、低功耗和低噪声的特性，未来将有广泛的应用前景。
1.简介
基于相移键控（PSK）的多级相位调制方案因其在接收器灵敏度、频谱效率和色散容限特性方面优于传统的开关键控（OOK）方案，逐渐应用于光通信系统中。然而，该方案增加了光学组件（调制系统在发射机侧使用多级相位调制器，在接收机侧使用无源延迟电路和平衡光电检测器），光学发射器和接收器的插入损耗大幅增加。图1是使用四组Mach-Zehnder干涉仪的16正交幅度调制（16QAM）调制器的结构示意，这产生了约10dB的插入损耗。迫切需要一种小型放大器补偿这些损耗。
图1：16QAM调制器示意图
小型半导体光放大器SOA由于其优良特性是最佳选择。半导体光放大器SOA可以与其他基于化合物半导体的光学器件单片集成，或者通过使用光斑尺寸转换器SSC与具有低于1dB的低耦合损耗的平面光波电路PLC的基于二氧化硅的光波导混合集成。此外，SOA具有驱动简单、速度快、功耗低、成本低等优点。另一方面，为满足光通信应用需求，SOA需要提供偏振不敏感的增益和低NF。本文主要关注如何确保SOA具有低噪声和高输出的特性。文献3中已经报道了具有低噪声系数NF和高输出特性的SOA，但没有描述NF对有源层宽度、增益区长度和多量子阱有源层结构等结构参数的依赖性。因此，在本文中，我们在数值和实验上仔细研究了NF与有源层宽度、增益区长度和有源层结构的关系。此外，我们优化了有源层宽度和增益区长度，以实现满足典型单通道放大器的NF和输出功率要求的SOA特性。
2.SOA特性分析
本节将描述SOA的NF和输出功率特性的分析技术。在文献 4中介绍了SOA的NF特性的分析技术。该分析中使用的基本方程是描述载流子密度随时间变化的速率方程，如方程所示
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通过同时求解该速率方程以及信号光和ASE光的传播方程，可以获得信号光和ASE光的分布。设G为增益，CE为接收侧的耦合效率，PASE为输出端ASE的强度，噪声系数NF(dB)可由下式计算：
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从方程(2)可以看出，NF主要由增益G和ASE光的功率决定。方程(1)中的材料增益系数g(N)由方程(3)中所示的近似模型表示。
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将等式(3)中所示的近似模型代入等式(1)，可以进行MQW SOA的特性分析。在等式(3)中，g0是增益系数，N是载流子密度，N0是透明载流子密度。图2比较了近似模型计算的净增益和使用Hakki-Paoli方法测量的净增益。净增益Gnet可以通过等式(4)来表示。
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其中α(N)是损失。然而，如图2所示，方程(3)的近似模型表明，随着注入载流子密度的增加，净增益有上升的趋势，而测量的净增益往往在高载流子密度侧迅速饱和。当激光器由于载流子箝位而以低载流子密度工作时，SOA以高载流子密度工作，因此高载流子密度下的净增益变得重要。
图2：测量的增益与模型计算得到的增益对比
在本文中，考虑到基于方程(3)的模型不能准确地表达高载流子浓度下的材料增益，在分析中使用了测量的净增益。图3显示了使用近似模型计算的增益和NF特性以及使用实际测量数据计算的增益特性和NF特性。可以看出，虽然近似模型给出的增益和NF与实验结果的差异分别为4.1dB和0.7dB，但通过使用测量的净增益进行计算，这些差异分别减少到1.2dB和0.2dB。
图3 增益和NF的计算结果以及测量结果对比
3.低噪声SOA的设计
使用了上节的分析方法，我们进行低噪声SOA的波导结构设计。图4展示了设计中考虑的SOA的结构参数。要设计的结构参数包括有源层宽度W、增益区长度L、光学约束因子Γ和损耗α。这里使用GaInAsP作为有源层，掩埋异质波导结构。
图4 SOA接口参数
图5显示了由三个有源层（3-QW）组成且光学约束因子Γ为1.1%的SOA器件在100mA驱动电流和-5dBm的输入功率下的有源层W和增益区域长度L之间的关系。从图5中可以看出，噪声系数NF随着有源层宽度的增加和增益区域长度的缩短而减小。另据报道，NF随着光学限制因子和损耗的下降而降低。换言之，NF随着更宽的有源层、更短的增益区域长度、更低的损耗和更低的光学约束因子而减小。
图5 输出光功率及NF与有源层厚度及增益区域长度的关系
图6显示了具有不同光学约束因子的SOA中沿传播方向的信号光分布的计算结果。从图中可以看出，光约束因子越低，信号光沿纵向越抗饱和，NF往往越低。在这种结构中，由于信号光的增益饱和不太可能发生，注入的载流子更多地转化为信号光而不是噪声光，因此NF往往会降低。因此，为了实现低噪声特性，重要的是设计其中信号光不易饱和的波导结构。图5a和5b中的蓝色实线分别显示了光输出功率和芯片NF的5 dBm和4 dB的目标性能；2.8μm处的红色实线表示满足单模操作条件的边界。我们将有源层宽度设置为2.8μm，增益区长度设置为1000μm，制造了具有波导结构的SOA原型，该波导结构可以满足目标光输出功率、NF和单模条件。
图6 具有不同光学约束因子的SOA中的信号光分布
4.低噪声SOA制作
根据第3节中描述的波导结构设计制造原型SOA。量子阱的数量依次从三(3-QW)增加到五(5-QW)和八(8-QW)。使用金属有机化学气相沉积MOCVD工艺用于晶体生长，有源层由具有0.8%压缩应变的GaInAsP量子阱组成。埋置异质结构用于电流限制，多步分离限制异质结构SCH用于减少p掺杂上包层的光吸收。此外，在端面上涂覆了抗反膜。图7显示了3-QW、5-QW和8-QW SOA的光学输出功率和NF特性。使用自动光纤对准系统进行测量。测量波长被设置为1500nm、1560nm和1560nm，分别对应于3-QW、5-QW和8-QW器件的峰值增益波长。在计算中，使用了通过模式分析获得的Γ值，对于3-QW、5-QW和8-QW，它们分别为1.1%、2.3%和4.4%。就损耗而言，由于SOA在高载流子密度的泵浦条件下工作，因此有源层的吸收损耗占主导地位，并且已知有源层的吸收损耗与Γ成比例。3-QW结构的损耗为8cm-1，这是一个实测值，5-QW和8-QW结构分别为17cm-1和32cm-1，这是假设与Γ成比例关系的估计值。实验结果表明3-QW和5-QW结构具有几乎相同的NF。增加阱的数量产生两种效应：一种是由于工作载流子密度降低，增益不太可能饱和，因此NF降低——这被称为“效应A”；另一种是活性层中的吸收损耗增加，从而增加了NF-“效应B”。对于3-QW和5-QW结构，这两种效应相互抵消，使得NF几乎没有变化。另一方面，由于在8-QW的情况下效应B占据主导地位，NF迅速增加。就输出功率而言，人们认为，随着阱的数量从3-QW增加到5-QW和8-QW，净增益与Γ成比例地增加，因此输出功率在低于-5dBm的低输入功率侧较高，但由于高输入功率侧的增益饱和而降低。还可以看出，在这三种有源层结构中，5-QW在低于-5dBm的光输入功率下满足输出功率和NF。
图7不同量子阱对应的输出功率和NF特性
5.结论
在本文中，通过采用实际测量的净增益数据来预测低噪声SOA的性能的数值分析，对低噪声SOA进行了设计和原型设计。这里5-QW结构的SOA实现6dB NF（含大约2dB的耦合损耗），这已经与掺铒光纤放大器NF相当。此外，已经实现了高于5dBm的芯片输出功率，这完全满足单通道放大器所需的性能。这些结果表明，SOA有望成为下一代光通信中一种小型化、低功耗、低噪声的光放大器。
注：本文由天津见合八方光电科技有限公司挑选并翻译，旨在推广和分享相关SOA基础知识，助力SOA技术的发展和应用。特此告知，本文系经过人工翻译而成，虽本公司尽最大努力保证翻译准确性，但不排除存在误差、遗漏或语义解读导致的不完全准确性，建议读者阅读原文或对照阅读，也欢迎指出错误，共同进步。
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