波長可調激光器中的增益芯片和SOA

----翻譯自SATO Kenji，ZHANG Xiaobo于2019年發表的文章

摘要：

本文討論了用于波長可調激光器（TL）的半導體光放大器（SOA）和增益芯片的設計規則。即與常規SOA或激光器相似，也有一些不同之處。位于可調激光期后面的SOA應該偏振相關，并且具有低的光學限制因子。為了在閾值電流下獲得寬的增益帶寬，可調激光腔中使用的增益芯片應該介于SOA和固定波長激光器設計之間，而固定波長激光器具有高的光學限制因子。本文詳細討論了基本公式，并給出了SOA飽和功率和增益芯片增益帶寬的仿真結果。

1.簡介

使用波長可調激光器（TL）可以減少所需的庫存激光器數量，進而降低庫存成本[1]，波長可調激光器（TL）是數字相干光通信系統中最常用的光源之一。波長可以在ITU波道上選擇，但必須非常準確。早期，人們提出了很多調諧方案，但因為多數很難滿足高輸出功率、高波長精度及低成本需求，近期市場上只剩幾種“集成可調激光組件”（ITLA）商用產品，。這些相干系統中使用了一些先進的調制格式，如雙極化交相移鍵控（DP-QPSK）、16正交幅度調制（16QAM）和其他多級格式[2-3]。由于這些先進調制器的插入損耗可能很大，因此需要ITLA具有更高的光輸出功率。此外，為了在小型可插拔光模塊（如CFP2、OSFP或QSFP）中使用，由于封裝小，一部分光信號需分光到相干接收器作為本征光，因此，在激光器前面具有光學放大器的ITLA最近變得越來越普遍。這種半導體光放大器（SOA）具有一些有趣的特性，如偏振相關和高飽和光功率。它的設計類似于傳統激光器，因此SOA有時與可調激光器單片集成[4]。

此外，增益芯片也是本文的另一個重要課題。增益芯片主要應用于外腔（EC）可調激光器方案中。等效地，這可以被視為具有波長帶通濾波器的法布里-珀羅（FP）激光器。因為應用于可調激光器，增益芯片的增益帶寬應該覆蓋整個C波段[5-7]。因此，增益芯片的設計與激光器和SOA的設計不同。文中討論了增益芯片的設計思想。此外，摻鉺光纖放大器（EDFA）的增益帶寬正在傳統帶寬上擴展[8-9]。在不久的將來，可調激光器的調諧范圍也將更寬。

這里的目的是寫一篇關于芯片設計的教程論文，其中包括用于波長可調激光器的SOA和增益芯片的基本公式，并詳細討論。據我們所知，目前還沒有類似主題的論文。在第2節中，將討論這兩種芯片的設計思想，及傳統設計的區別。在第3節中，解釋了具有SOA或增益芯片的可調激光器的細節。在第4節中，討論了一些模擬結果和設計概念的比較。最后，第5節給出了結論。

2.SOA與增益芯片的設計思想

SOA的結構非常重要。設計概念基本上基于傳統的SOA或激光器，兩者略有不同。

2.1 SOA設計理念

可調激光器SOA的設計類似于線路上SOA，除了偏振相關性不同[10-11]。線路上SOA廣泛應用于光網絡系統中。SOA使用單程增益介質，因此可將SOA單程中的增益Gs表示為：

2.1.1殘余反射

假設增益g是載流子密度的函數（見第2.1.2節）。隨著注入電流的增加，載流子密度N也隨之增加?？狗瓷洌ˋR）涂層的端面反射率通常非常低，但實際上存在殘余反射。反射率為，其中R1和R2分別是前面反射率和背面反射率?？紤]到往返增益，激光振蕩條件為（Gs R）2=1。因為增益不能由于激射而增加，所以R應該盡可能低以獲得更高的增益。這就是為什么SOA的兩個端面均有抗反射膜（AR），并使用斜波導的原因。最近，端面反射率已經達到低于10-4，這是SOA所必需的。殘余反射會導致增益紋波，這部分與波長增益相關。這也被稱為噪聲系數的原因。如果殘余反射率低于10-4，Gs將為40dB。在用于放大可調激光輸出功率的實際應用中，小信號非飽和增益將在20dB左右。在這種情況下，在可調激光源中使用的增益紋波和噪聲可以忽略不計。根據參考文獻[12]，增益波紋深度m可以描述為

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2.1.2飽和光功率

為了設計SOA，理解以下載波速率方程[14]是很有用的：

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2.1.3偏振問題

前面討論了端面的低殘余反射和高飽和功率。因為這種SOA僅在可調激光器前面使用，所以還需要一些其他功能。與通過注入達電流獲得的寬增益帶寬相比，我們更關注偏振相關性。

一種非常常見的有源層結構為多量子阱（MQW）。量子阱具有多個薄層，因此電子在垂直方向上的能級可以被量化，增益則具有方向依賴性。量子阱中存在重空穴和輕空穴。重空穴只能產生橫向電（TE）模偏振，而輕空穴可以同時產生TE和TM模式偏振。光通信網絡中的SOA通常需要同時獲得TE和TM模式增益以確保偏振無關[16-17]；然而，在可調激光器前面使用的SOA僅需要TE模方向的偏振增益。為了增強從電子到重空穴帶的躍遷，我們使用壓縮應變量子阱。這可能與增益芯片的有源層非常相似，但更容易在可調激光器上單片集成SOA。由于SOA的注入電流密度與增益芯片非常不同，為滿足高飽和功率需求，SOA的光學限制因子較低，因此，與增益芯片相比有源層應該彼此不同，增益芯片應混合集成。

2.2增益芯片設計

作為有源層的MQW是SOA或激光器最常見的增益介質。了解如何用量子力學理論設計量子阱非常有幫助。本文僅介紹了一種基于基本參數的增益設計。單位長度增益是有源層的電流密度的函數，它可以描述為：

也就是說，內部和鏡像損耗的總和應通過增益進行補償。這里，鏡像損耗是增益區域中單位長度的出射光。在公式（10）中，所有參數都是針對單位長度定義的。腔長也是一個重要參數。外腔激光器可以作為等效FP激光器進行處理，如圖2所示。等效背面反射率R2包括增益芯片和外部腔之間的耦合損耗、外部波導中的傳播損耗以及外部波導末端的反射。

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因此，功率與電流減去閾值電流成正比。如果增益高于閾值增益，則光輸出將繼續增加，并且載流子密度必須箝位在其閾值。也就是說，能量從超過閾值電流的多余能量帶來光輸出。在激光操作中，載流子密度不能更高。另一方面，SOA中的載流子密度可能會更高，這是由于小R1和R2導致非常高的閾值電流。這是SOA和激光器之間最大的區別。通常認為SOA的設計原理與激光設計相反。SOA需要大量的載流子來在一個方向上放大光，并且應該避免腔中的載流子耗盡。

增益帶寬也是增益芯片的一個重要指標。為了實現非常寬的增益帶寬，閾值處的載流子密度應該大于普通激光器的載流子密度，但不應該太高。腔的反射率相當低，如5%，因此閾值密度自然增加；然而，這還不夠。為了調節載流子密度，與普通激光器相比，在有源層處最好采用較少數量的量子阱或較低的光學限制因子。

2.3總結

增益芯片的設計理念是：可調濾波器側端面上低反射率，低光學限制因子，高增益帶寬。

SOA的設計理念是：實現具有低反射率和低光學限制因子的高閾值電流。

3.S帶SOA的可調激光器

本節展示了具有增益芯片和SOA的可調激光器的一些示例。通常，SOA的可調激光器配置有三類，如圖4所示。

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第一種類型是具有集成SOA的陣列分布式反饋（DFB）激光器[20-23]。這種類型有著悠久的發展歷史。在這項研究的早期，DFB激光器的數量有限，光學耦合器是帶SOA的多模干涉（MMI）耦合器或不帶SOA的微機電（MEMS）耦合器[24]。在MMI耦合器的情況下，光損耗很大，因此需要SOA。這種具有SOA的類型適合于單片集成，并且其波長調諧機制簡單，只調諧芯片的溫度。對于單片集成，有源區和無源區的波導通過對接接頭技術分別生長。對于激光器區域和SOA區域都使用相同的有源層，這使得SOA設計受限。

第二種類型是利用兩個光柵區的游標效應的分布式布拉格反射器（DBR）可調激光器，這可以通過很多方法實現，如采樣光柵[25]、數字采樣（DS）DBR[26]和啁啾采樣光柵[27]。在本文中，采樣光柵不是主題，因此不進行討論。由于DBR的反射率必須相當高，直接來自DBR可調激光器的輸出功率將不夠高。因此，通常需要在DBR激光器之后增加SOA。以與DFB陣列型相同的方式，其他兩種類型的SOA可以通過對接或離子注入技術[28]在同一芯片上單片集成，作為可調激光器部件，也使用相同的有源層。

第三種是帶增益芯片的外腔可調激光器[5，18，29]?？烧{激光器配置為有反射器和增益芯片構成的外部可調帶通濾波器。如上所述，該增益芯片可以被處理為具有外部濾波器的前端面反射鏡和后有效反射鏡的FP激光器。在硅可調濾波器的情況下，增益芯片和濾波器芯片混合集成。因為很難直接從增益芯片獲得高輸出功率，所以SOA也被混合集成以放大光功率。由于增益芯片的小平面反射率，增益芯片和SOA不能單片集成。因此，SOA設計更自由，而不用考慮光學限制因子和高飽和功率的限制。缺點是芯片之間難以進行光學耦合，例如濾波器和增益芯片以及增益芯片和SOA之間的耦合。為了實現低耦合損耗，需要先進的封裝技術。

4仿真實例與討論

在本節中，我們主要討論光學限制因子。圖5顯示了測量的光信號增益作為放大輸出功率的函數的示例。隨著輸出功率的增加，信號增益變得飽和。增益減小3dB的點被稱為飽和增益。隨著注入電流的增加，最大輸出功率也會增加，但即使注入電流不斷增加，它還是會飽和。

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最后，表1總結了所有的設計原則，其中增益芯片設計介于SOA和激光器設計之間。關鍵參數是光學限制因子。在實際設計中，很容易將光學限制因子轉換為量子阱的數量。除了端面反射率，增益芯片設計的有源層與SOA的有源層非常相似，然而如上所述，光學限制因子略有差別。SOA與激光器的單片集成幾乎可以很好地工作，但SOA性能首先。另一方面，根據原理，混合集成應該能獲得更好的光學性能，但需要先進封裝技術確保耦合效率。

5總結

本文介紹了用于波長可調激光器的SOA和增益芯片的設計原則。SOA的光學限制因子應該較低以獲得高飽和光功率，并且僅針對TE模式偏振進行優化。增益芯片的光學限制因子應該比普通激光器的光學限制系數低，并且其長度應該更長。設計外腔的有效反射率以優化外腔激光器的性能也是很重要的。

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審核編輯 黃宇