波長(zhǎng)可調(diào)激光器中的增益芯片和SOA

----翻譯自SATO Kenji，ZHANG Xiaobo于2019年發(fā)表的文章

摘要：

本文討論了用于波長(zhǎng)可調(diào)激光器（TL）的半導(dǎo)體光放大器（SOA）和增益芯片的設(shè)計(jì)規(guī)則。即與常規(guī)SOA或激光器相似，也有一些不同之處。位于可調(diào)激光期后面的SOA應(yīng)該偏振相關(guān)，并且具有低的光學(xué)限制因子。為了在閾值電流下獲得寬的增益帶寬，可調(diào)激光腔中使用的增益芯片應(yīng)該介于SOA和固定波長(zhǎng)激光器設(shè)計(jì)之間，而固定波長(zhǎng)激光器具有高的光學(xué)限制因子。本文詳細(xì)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(jié)果。

1.簡(jiǎn)介

使用波長(zhǎng)可調(diào)激光器（TL）可以減少所需的庫(kù)存激光器數(shù)量，進(jìn)而降低庫(kù)存成本[1]，波長(zhǎng)可調(diào)激光器（TL）是數(shù)字相干光通信系統(tǒng)中最常用的光源之一。波長(zhǎng)可以在ITU波道上選擇，但必須非常準(zhǔn)確。早期，人們提出了很多調(diào)諧方案，但因?yàn)槎鄶?shù)很難滿足高輸出功率、高波長(zhǎng)精度及低成本需求，近期市場(chǎng)上只剩幾種“集成可調(diào)激光組件”（ITLA）商用產(chǎn)品，。這些相干系統(tǒng)中使用了一些先進(jìn)的調(diào)制格式，如雙極化交相移鍵控（DP-QPSK）、16正交幅度調(diào)制（16QAM）和其他多級(jí)格式[2-3]。由于這些先進(jìn)調(diào)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(hào)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(xué)放大器的ITLA最近變得越來(lái)越普遍。這種半導(dǎo)體光放大器（SOA）具有一些有趣的特性，如偏振相關(guān)和高飽和光功率。它的設(shè)計(jì)類似于傳統(tǒng)激光器，因此SOA有時(shí)與可調(diào)激光器單片集成[4]。

此外，增益芯片也是本文的另一個(gè)重要課題。增益芯片主要應(yīng)用于外腔（EC）可調(diào)激光器方案中。等效地，這可以被視為具有波長(zhǎng)帶通濾波器的法布里-珀羅（FP）激光器。因?yàn)閼?yīng)用于可調(diào)激光器，增益芯片的增益帶寬應(yīng)該覆蓋整個(gè)C波段[5-7]。因此，增益芯片的設(shè)計(jì)與激光器和SOA的設(shè)計(jì)不同。文中討論了增益芯片的設(shè)計(jì)思想。此外，摻鉺光纖放大器（EDFA）的增益帶寬正在傳統(tǒng)帶寬上擴(kuò)展[8-9]。在不久的將來(lái)，可調(diào)激光器的調(diào)諧范圍也將更寬。

這里的目的是寫一篇關(guān)于芯片設(shè)計(jì)的教程論文，其中包括用于波長(zhǎng)可調(diào)激光器的SOA和增益芯片的基本公式，并詳細(xì)討論。據(jù)我們所知，目前還沒有類似主題的論文。在第2節(jié)中，將討論這兩種芯片的設(shè)計(jì)思想，及傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的區(qū)別。在第3節(jié)中，解釋了具有SOA或增益芯片的可調(diào)激光器的細(xì)節(jié)。在第4節(jié)中，討論了一些模擬結(jié)果和設(shè)計(jì)概念的比較。最后，第5節(jié)給出了結(jié)論。

2.SOA與增益芯片的設(shè)計(jì)思想

SOA的結(jié)構(gòu)非常重要。設(shè)計(jì)概念基本上基于傳統(tǒng)的SOA或激光器，兩者略有不同。

2.1 SOA設(shè)計(jì)理念

可調(diào)激光器SOA的設(shè)計(jì)類似于線路上SOA，除了偏振相關(guān)性不同[10-11]。線路上SOA廣泛應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。SOA使用單程增益介質(zhì)，因此可將SOA單程中的增益Gs表示為：

2.1.1殘余反射

假設(shè)增益g是載流子密度的函數(shù)（見第2.1.2節(jié)）。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(shí)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?yàn)樵鲆娌荒苡捎诩ど涠黾?，所以R應(yīng)該盡可能低以獲得更高的增益。這就是為什么SOA的兩個(gè)端面均有抗反射膜（AR），并使用斜波導(dǎo)的原因。最近，端面反射率已經(jīng)達(dá)到低于10-4，這是SOA所必需的。殘余反射會(huì)導(dǎo)致增益紋波，這部分與波長(zhǎng)增益相關(guān)。這也被稱為噪聲系數(shù)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(diào)激光輸出功率的實(shí)際應(yīng)用中，小信號(hào)非飽和增益將在20dB左右。在這種情況下，在可調(diào)激光源中使用的增益紋波和噪聲可以忽略不計(jì)。根據(jù)參考文獻(xiàn)[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(shè)計(jì)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(wèn)題

前面討論了端面的低殘余反射和高飽和功率。因?yàn)檫@種SOA僅在可調(diào)激光器前面使用，所以還需要一些其他功能。與通過(guò)注入達(dá)電流獲得的寬增益帶寬相比，我們更關(guān)注偏振相關(guān)性。

一種非常常見的有源層結(jié)構(gòu)為多量子阱（MQW）。量子阱具有多個(gè)薄層，因此電子在垂直方向上的能級(jí)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(chǎn)生橫向電（TE）模偏振，而輕空穴可以同時(shí)產(chǎn)生TE和TM模式偏振。光通信網(wǎng)絡(luò)中的SOA通常需要同時(shí)獲得TE和TM模式增益以確保偏振無(wú)關(guān)[16-17]；然而，在可調(diào)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(qiáng)從電子到重空穴帶的躍遷，我們使用壓縮應(yīng)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(diào)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(xué)限制因子較低，因此，與增益芯片相比有源層應(yīng)該彼此不同，增益芯片應(yīng)混合集成。

2.2增益芯片設(shè)計(jì)

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

也就是說(shuō)，內(nèi)部和鏡像損耗的總和應(yīng)通過(guò)增益進(jìn)行補(bǔ)償。這里，鏡像損耗是增益區(qū)域中單位長(zhǎng)度的出射光。在公式（10）中，所有參數(shù)都是針對(duì)單位長(zhǎng)度定義的。腔長(zhǎng)也是一個(gè)重要參數(shù)。外腔激光器可以作為等效FP激光器進(jìn)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(dǎo)中的傳播損耗以及外部波導(dǎo)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(xù)增加，并且載流子密度必須箝位在其閾值。也就是說(shuō)，能量從超過(guò)閾值電流的多余能量帶來(lái)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(huì)更高，這是由于小R1和R2導(dǎo)致非常高的閾值電流。這是SOA和激光器之間最大的區(qū)別。通常認(rèn)為SOA的設(shè)計(jì)原理與激光設(shè)計(jì)相反。SOA需要大量的載流子來(lái)在一個(gè)方向上放大光，并且應(yīng)該避免腔中的載流子耗盡。

增益帶寬也是增益芯片的一個(gè)重要指標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)非常寬的增益帶寬，閾值處的載流子密度應(yīng)該大于普通激光器的載流子密度，但不應(yīng)該太高。腔的反射率相當(dāng)?shù)?，?%，因此閾值密度自然增加；然而，這還不夠。為了調(diào)節(jié)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(shù)量的量子阱或較低的光學(xué)限制因子。

2.3總結(jié)

增益芯片的設(shè)計(jì)理念是：可調(diào)濾波器側(cè)端面上低反射率，低光學(xué)限制因子，高增益帶寬。

SOA的設(shè)計(jì)理念是：實(shí)現(xiàn)具有低反射率和低光學(xué)限制因子的高閾值電流。

3.S帶SOA的可調(diào)激光器

本節(jié)展示了具有增益芯片和SOA的可調(diào)激光器的一些示例。通常，SOA的可調(diào)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(fā)展歷史。在這項(xiàng)研究的早期，DFB激光器的數(shù)量有限，光學(xué)耦合器是帶SOA的多模干涉（MMI）耦合器或不帶SOA的微機(jī)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(zhǎng)調(diào)諧機(jī)制簡(jiǎn)單，只調(diào)諧芯片的溫度。對(duì)于單片集成，有源區(qū)和無(wú)源區(qū)的波導(dǎo)通過(guò)對(duì)接接頭技術(shù)分別生長(zhǎng)。對(duì)于激光器區(qū)域和SOA區(qū)域都使用相同的有源層，這使得SOA設(shè)計(jì)受限。

第二種類型是利用兩個(gè)光柵區(qū)的游標(biāo)效應(yīng)的分布式布拉格反射器（DBR）可調(diào)激光器，這可以通過(guò)很多方法實(shí)現(xiàn)，如采樣光柵[25]、數(shù)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(jìn)行討論。由于DBR的反射率必須相當(dāng)高，直接來(lái)自DBR可調(diào)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(guò)對(duì)接或離子注入技術(shù)[28]在同一芯片上單片集成，作為可調(diào)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(diào)激光器[5，18，29]。可調(diào)激光器配置為有反射器和增益芯片構(gòu)成的外部可調(diào)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(diào)濾波器的情況下，增益芯片和濾波器芯片混合集成。因?yàn)楹茈y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(shè)計(jì)更自由，而不用考慮光學(xué)限制因子和高飽和功率的限制。缺點(diǎn)是芯片之間難以進(jìn)行光學(xué)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(shí)現(xiàn)低耦合損耗，需要先進(jìn)的封裝技術(shù)。

4仿真實(shí)例與討論

在本節(jié)中，我們主要討論光學(xué)限制因子。圖5顯示了測(cè)量的光信號(hào)增益作為放大輸出功率的函數(shù)的示例。隨著輸出功率的增加，信號(hào)增益變得飽和。增益減小3dB的點(diǎn)被稱為飽和增益。隨著注入電流的增加，最大輸出功率也會(huì)增加，但即使注入電流不斷增加，它還是會(huì)飽和。

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最后，表1總結(jié)了所有的設(shè)計(jì)原則，其中增益芯片設(shè)計(jì)介于SOA和激光器設(shè)計(jì)之間。關(guān)鍵參數(shù)是光學(xué)限制因子。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，很容易將光學(xué)限制因子轉(zhuǎn)換為量子阱的數(shù)量。除了端面反射率，增益芯片設(shè)計(jì)的有源層與SOA的有源層非常相似，然而如上所述，光學(xué)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(jù)原理，混合集成應(yīng)該能獲得更好的光學(xué)性能，但需要先進(jìn)封裝技術(shù)確保耦合效率。

5總結(jié)

本文介紹了用于波長(zhǎng)可調(diào)激光器的SOA和增益芯片的設(shè)計(jì)原則。SOA的光學(xué)限制因子應(yīng)該較低以獲得高飽和光功率，并且僅針對(duì)TE模式偏振進(jìn)行優(yōu)化。增益芯片的光學(xué)限制因子應(yīng)該比普通激光器的光學(xué)限制系數(shù)低，并且其長(zhǎng)度應(yīng)該更長(zhǎng)。設(shè)計(jì)外腔的有效反射率以優(yōu)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