光接入網絡的超寬帶半導體光放大器

新穎的雙有源層結構獲得寬增益光譜，應用于多波單纖雙向光放大

----翻譯Xiao Sun等人2016年撰寫的文章，文中給出了寬光譜SOA的一種新穎的結構設計方法和仿真結果，但并未給出噪聲系數、偏振、以及波道串擾等通信相關特性分析，期待后續樣品制作和實測結果

近年來，半導體光放大器（SOA）在不斷發展的光通信網絡，特別是長距離無源光網絡（LR-PON）中顯示出巨大的應用前景。這些網絡有助于減少所需的光線路終端(OLT)站點的數量（即減少到幾個主要的CO中心局）[1,2]。然而，很少有包含光纖放大器的LR-PON，例如摻鉺光纖放大器（EDFA），這是因為EDFA的工作區域僅限于C（1524-1544nm）和L（1565-1625nm）波段[3,4]。

而SOA是一種更有前途的技術，可用于LR-PON[5,6]。這是因為SOA可以工作在更寬的波段范圍。SOA提供超寬波長窗口（約 1280–1650nm）、在大輸入功率電平范圍內（通常高達 0dBm）的恒定中等增益（約 15dB）、大增益帶寬（約 60–100nm）和中等噪聲系數（約7–8dB）[7]。此外，全業務接入網(FSAN)和國際電信聯盟(ITUT)電信標準化部門最近定義了下一代無源光網絡（NGPON）波長窗口。在這個窗口內，已經確定了初步的TWDM-PON，其中，上行波長在C波段，下行波長范圍在L+波段（1596–1603nm）內[8]。相比之下，在WDM-PON中，采用了C和L波段（即1524-1625nm）的全光譜[8]。因此，SOA 必須具有至少80nm的3dB帶寬，以完全覆蓋上下行工作波長。

在這項工作中，我們提出了一種新的SOA結構，可以作為雙向器件，在NGPON中同時進行上行和下行放大。我們的SOA的3dB增益帶寬顯著擴展至107nm（1513–1620nm），具有較大的線性增益（>20dB）和超寬線性輸入范圍（高達6dBm）。我們對提出的SOA進行了處理，使其具有淺蝕刻脊波導結構，長度為1.5mm，脊寬為5μm（見圖1）。結構的兩個端面都具有抗反射涂層，可將端面反射率抑制在0.005%以下，從而確保單向傳輸特性。為了進一步降低反射率，波導與刻面的法線成8°角傾斜。在我們的設計中，輸入光波水平進入任一端面，從而通過沿SOA長度傳播過程中發生的電子-空穴激發復合被放大。

我們的SOA設計背后的基本思想是零維淺量子點QD在二維量子阱QW層上生長，從而產生了我們的雙有源層DAL結構。為了獲得圖1所示的外延結構，我們在n摻雜的GaAs襯底上生長QW和QD。有源區由單層自組裝GaInNAs的量子點QD組成，及一個平均直徑為4nm，7.5nm厚的 GaInNAs量子阱QW 層。我們將GaInNAs材料用于制作量子阱QW和量子點QD結構，因為它與GaAs完全晶格匹配，并且具有通過控制氮組成實現覆蓋寬范圍光通信波長（1250-1650nm）的潛力[9]。DAL結構的最后一部分是33nm厚的GaAs阻擋層，可提供應變釋放。DAL夾在1.2μm厚的p摻雜層和n摻雜的砷化鋁鎵（AlGaAs）包層之間，形成波導的垂直結構。頂部和底部接觸層用于電流供應，使電子可以穿透到DAL中。

我們還建立了一個全面的SOA數字化模型，該模型基于載流子速率和光傳播方程，可用于模擬我們提出的DAL SOA的放大性能[10]。我們計算了與該模型的 QW 和 QD 有源區域相對應的材料增益，并與與傳統QW SOA的材料增益對比，如圖2所示。傳統的量子阱QW SOA僅覆蓋TWDM-PON上行波段，而對于DAL SOA，我們可觀察到兩個正增益峰值，分別對應量子阱QW 和量子點QD。

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為了進一步檢驗DAL SOA的放大性能，我們將兩個光輸入波長（1540和1600nm）注入SOA的兩端，方向相反，模擬TWDM-PON上行和下行光信號。對于不同光輸入功率，兩個信號的放大增益如圖3所示。我們發現，這兩個信號分別通過QW和QD的受激發射同時放大。兩種波長的線性增益都在10-15dB范圍內。QW+QD有源層的3dB輸入飽和光功率Psat表現了良好的線性特性（>–2dBm），尤其是QD層，其中Psat是>6dBm。

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在我們的工作中，我們還設計了一個多雙有源層（MDAL） 結構，通過它我們可以進一步拓寬我們提出的DAL SOA 的增益范圍。三DAL結構如圖4所示。因此，在MDAL中，總增益是每個單獨DAL增益的總和。我們對MDAL SOA和傳統多量子阱MQW的增益進行了比較-見圖5-結果顯示，兩種結構的增益頂均平坦，線性增益值明顯（超過20dB）。此外，我們發現傳統MQW SOA的3dB增益帶寬為61nm（在1513和1574nm之間）和MDAL SOA的107nm（在1513和1620nm之間）（即帶寬幾乎是其兩倍）。因此，可以使用單個 SOA 設備來放大最大可能的波長通道數。因此，我們新穎的寬帶DAL SOA設計是未來TWDM-PON或WDM-PON基礎設施的最優選擇。

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綜上所述，我們提出了一種新型的雙有源層半導體光放大器DAL SOA設計，可用于同時進行上行和下行信道放大，從而實現LR-NGPON。我們還開發了一個全面的數字模型，其中包括載波速率和光傳播方程。仿真結果表明，單個DAL SOA的最大增益為15dB。此外，在107nm帶寬（覆蓋C和L波段）上，可以通過多DAL結構實現>20dB的增益。我們未來的工作將涉及進一步優化我們的 DAL SOA 設計，以實現增益和帶寬改進。我們還希望制作一個用于實驗演示的 DAL SOA 樣本。

參考文獻：

[1]. D. P. Shea, J. E. Mitchell, Long-reach optical access technologies, IEEE Network 21, p. 5-11, 2007.

[2]. G. Talli, P. D. Townsend, Hybrid DWDM-TDM long-reach PON for next-generation optical access, J. Lightwave Technol. 24, p. 2827-2834, 2006.

[3]. P. Ossieur, C. Antony, A. Naughton, A. M. Clarke, H.-G. Krimmel, X. Yin, X.-Z. Qiu, et al., Demonstration of a 32×512 split, 100 km reach, 2×32×10 Gb/s hybrid DWDM-TDMA PON using tunable external cavity lasers in the ONUs, J. Lightwave Technol. 29, p. 3705-3718, 2011.

[4]. P. P. Iannone, K. C. Reichmann, C. Brinton, J. Nakagawa, T. Cusick, E. M. Kimber, C. Doerr, et al., Bi-directionally amplified extended reach 40Gb/s CWDM-TDM PON with burst-mode upstream transmission, Opt. Fiber Commun. Conf. Expos., 2011.

[5]. W. Poehlmann, R. Bonk, H. Schmuck, T. Pfeiffer, New concept for ONU amplified ODN and demonstration of 80 Gbit/s TWDM-PON with 44 km reach and 512 split, Proc. Eur. Conf. Opt. Commun., 2015. doi:10.1109/ECOC.2015.7341825

[6]. T. Tsutsumi, T. Sakamoto, Y. Sakai, T. Fujiwara, H. Ou, Y. Kimura, K. I. Suzuki, Long-reach and high-splitting-ratio 10G-EPON system with semiconductor optical amplifier and N:1 OSU protection, J. Lightwave Technol. 33, p. 1660-1665, 2015.

[7]. K. Grobe, M. Eiselt, Wavelength Division Multiplexing: A Practical Engineering Guide , p. 432, Wiley, 2013.

[8]. https://www.itu.int/rec/T-REC-G.989.1/en International Telecommunication Union G.989.1: 40-Gigabit-capable passive optical networks (NG-PON2): general requirements. Accessed 3 March 2016.

[9]. M. Kondow, K. Uomi, A. Niwa, T. Kitatani, S. Watahiki, Y. Yazawa, GaInNAs: a novel material for long-wave length-range laser diodes with excellent high-temperature performance, Jpn. J. Appl. Phys. 35, p. 1273-1275, 1996.

[10]. X. Sun, N. Vogiatzis, J. M. Rorison, Theoretical study on dilute nitride 1.3μm quantum well semiconductor optical amplifiers: incorporation of N compositional fluctuations, IEEE J. Quant. Electron. 49, p. 811-820, 2013.

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SOA基礎知識，助力SOA技術的發展和應用。特此告知，本文系經過人工翻譯而成，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對照閱讀，也歡迎指出錯誤，共同進步。

審核編輯 黃宇