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一种低噪声半导体光放大器SOA设计

wangdell938 来源:wangdell938 作者:wangdell938 2024-03-16 11:37 次阅读

----翻译自Hideaki Hasegaw等人2011年发表的《Semiconductor Optical Amplifiers with Low Noise Figure》

摘要:

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,使用仿真威廉希尔官方网站 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。

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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威廉希尔官方网站 。在文献 4中介绍了SOA的NF特性的分析威廉希尔官方网站 。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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添加图片注释,不超过 140 字(可选)

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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添加图片注释,不超过 140 字(可选)

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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添加图片注释,不超过 140 字(可选)

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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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威廉希尔官方网站 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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