基于IMOS平臺(tái)的偏振不敏感SOA設(shè)計(jì)

摘要

我們報(bào)道了IMOS平臺(tái)中偏振不敏感SOA的設(shè)計(jì)，在60 nm帶寬和26 dB輸入功率范圍內(nèi)，最壞情況下偏振靈敏度為0.8 dB，500μm長(zhǎng)的SOA提供21dB的峰值增益。

1. 簡(jiǎn)介

全光交換機(jī)將是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，可以持續(xù)提高數(shù)據(jù)中心的光通信容量，以滿足穩(wěn)定流量增長(zhǎng)的要求?；诟咝阅堋⒌统杀竞涂蓴U(kuò)展的半導(dǎo)體光放大器（SOA）的光交換適用于高帶寬和低延遲的應(yīng)用。在基于SOA的全光交換中，由于幾何不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)致的SOA的偏振敏感一直是主要問(wèn)題之一。這需要額外的片外偏振處理電路帶來(lái)了操作復(fù)雜性，或芯片上的偏振分集方案同樣增加了電路復(fù)雜性[1]。在多量子阱（MQW）SOA中，除了幾何尺寸帶來(lái)限制因子差異外，類(lèi)TE和類(lèi)TM場(chǎng)材料增益的不對(duì)稱(chēng)性導(dǎo)致偏振靈敏度隨著電流和波長(zhǎng)的變化而發(fā)生顯著變化[2]。因此，在寬的輸入功率范圍、寬的帶寬和驅(qū)動(dòng)電流范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的偏振不敏感一直是具有挑戰(zhàn)性的。偏振不敏感（PI）SOA已經(jīng)使用應(yīng)變MQW[3]、厚有源層體[4，5]和應(yīng)變有源體層[6]實(shí)現(xiàn)。厚體有源層方法使得兩種偏振的限制因子相似。然而，厚體有源SOA可能需要高驅(qū)動(dòng)電流和3dB增益帶寬，并且輸出飽和功率可能隨著厚度的增加而降低。應(yīng)變體有源層可以在滿足開(kāi)關(guān)應(yīng)用要求的低驅(qū)動(dòng)電流下提供良好的偏振不敏感性、寬增益帶寬和所需的高輸出飽和功率。

由于膜平臺(tái)的折射率對(duì)比，硅上磷化銦膜（IMOS）平臺(tái)已經(jīng)證明了低損耗和緊湊的無(wú)源器件[7]。高性能MQW C波段偏振相關(guān)SOA已經(jīng)在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。因此，在膜平臺(tái)中研究PI-SOA的目的是利用平臺(tái)的這些積累，并在平臺(tái)中設(shè)計(jì)高性能和緊湊型光開(kāi)關(guān)的組件。我們主要目的是針對(duì)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部通信的光交換機(jī)的O波段SOA設(shè)計(jì)。

在這項(xiàng)工作中，我們首次提出了一種適用于IMOS平臺(tái)上光交換應(yīng)用的O波段PI-SOA設(shè)計(jì)。我們使用應(yīng)變的薄體有源層來(lái)實(shí)現(xiàn)偏振不敏感。我們研究了偏振靈敏度隨波長(zhǎng)、輸入功率和電流密度的變化。最后，我們預(yù)測(cè)了所設(shè)計(jì)的SOA的峰值增益和增益帶寬。

2.偏振不敏感SOA設(shè)計(jì)

對(duì)基于SOA的交換機(jī)的一般要求是可擴(kuò)展性、良好的信號(hào)完整性、高帶寬和無(wú)損操作。這些交換機(jī)指標(biāo)是相互關(guān)聯(lián)的，主要受交換機(jī)中使用的SOA性能的影響。因此，要在所有這些指標(biāo)中獲得良好的性能，SOA需要具有高的輸入功率動(dòng)態(tài)范圍和輸出飽和功率、足夠的增益、寬的3dB增益帶寬和低噪聲系數(shù)。本工作中的SOA設(shè)計(jì)滿足了這些要求。

我們使用PhotonDesign（Harold和PICWAVE）的工具對(duì)PI-SOA進(jìn)行建模。圖1a顯示了SOA結(jié)構(gòu)的橫截面視圖。我們?cè)诒◇w有源層中添加0.18%的拉伸應(yīng)變（圖1a中的紅色區(qū)域）。以增加TM場(chǎng)的材料增益，并平衡由幾何不對(duì)稱(chēng)引起的限制因子差異。我們?yōu)榉蛛x約束異質(zhì)結(jié)構(gòu)（SCH）選擇了體發(fā)射波長(zhǎng)為1.05μm（Q1.05）的四元材料（InGaAsP），以提供足夠的勢(shì)壘高度來(lái)提供足夠的約束。這提供了足夠的導(dǎo)帶和價(jià)帶偏移以將電子限制在導(dǎo)帶中并且將空穴限制在價(jià)帶中以獲得更好的器件效率。SCH尺寸的選擇通過(guò)影響限制因子而促進(jìn)了具有較小應(yīng)變的偏振不敏感性。有源區(qū)（芯和SCH）的總厚度為300nm。

有源器件采用雙波導(dǎo)方法與無(wú)源波導(dǎo)單片共集成[8]。在兩個(gè)橫向錐形窗口中，有源區(qū)是橫向錐形的，以將場(chǎng)垂直推向波導(dǎo)，如圖1bc所示。我們優(yōu)化了快速錐形窗口長(zhǎng)度，L1=7.2μm和L2=25.5μm，以實(shí)現(xiàn)TM 90%和TE 93%的耦合效率。如圖1c所示，TE場(chǎng)從有源區(qū)到波導(dǎo)的轉(zhuǎn)變發(fā)生在TM場(chǎng)之前。

圖1a）器件結(jié)構(gòu)全疊層b）垂直軸上的器件錐形截面c）TE和TM從有源到無(wú)源的過(guò)渡

3.偏振靈敏度和增益

偏振靈敏度計(jì)算為類(lèi)TE偏振增益（GTE）和類(lèi)TM偏振增益（GTM）之差的絕對(duì)值，即|GTE-GTM|。圖2a繪制了輸入功率的偏振靈敏度，從-20 dBm到6 dBm。我們可以從圖2a中觀察到，對(duì)于26dB的模擬輸入功率范圍和在中心波長(zhǎng)λ=1310nm處從2kA/cm2到6kA/cm2的偏置電流，偏振相關(guān)增益小于0.5dB。該設(shè)計(jì)在4kA/cm2下進(jìn)行了優(yōu)化，并且在該電流密度附近偏振靈敏度非常低。當(dāng)我們遠(yuǎn)離最佳電流時(shí)，偏振靈敏度略高。圖2a中的擺動(dòng)是由于低輸入功率下噪聲的隨機(jī)性和測(cè)量期間使用的2kA/cm2的離散電流密度步長(zhǎng)的影響。在最佳驅(qū)動(dòng)電流點(diǎn)處獲得小于0.1dB的偏振靈敏度。

圖2b顯示了在小信號(hào)輸入功率的情況下改變電流密度和波長(zhǎng)以抑制輸入功率效應(yīng)的偏振靈敏度。該設(shè)計(jì)在4kA/cm2下進(jìn)行了優(yōu)化，并且在該電流密度附近偏振靈敏度較低。當(dāng)我們離開(kāi)最佳工作點(diǎn)時(shí)，偏振靈敏度略高。對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)和低電流或高電流和短波長(zhǎng)，觀察到大約0.8dB的最壞情況靈敏度。從圖2b中的深藍(lán)色區(qū)域觀察到，在波長(zhǎng)λ=1310 nm和電流I=4 kA/cm2的最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)處，偏振靈敏度約為0.1 dB。

圖2偏振靈敏度變化。a） 電流密度和輸入功率為λ=1310 nm。b） 具有波長(zhǎng)和驅(qū)動(dòng)電流。

圖3a顯示了在6kA/cm2驅(qū)動(dòng)電流密度下，SOA長(zhǎng)度為300μm、400μm和500μm的增益。對(duì)于500μm長(zhǎng)的SOA，我們獲得了10 dBm的輸出飽和功率和21 dB的線性峰值增益。增益的結(jié)果表明，我們可以用它實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)。例如，一個(gè)路徑中有3個(gè)SOA級(jí)聯(lián)的16×16最先進(jìn)的基于SOA的光開(kāi)關(guān)在最壞的情況下具有58dB的路徑損耗[9]。如果我們使用500μm長(zhǎng)的SOA，它可以提供大約21dB的增益?？紤]到每個(gè)SOA的最大1dB偏振相關(guān)損耗，3個(gè)SOA可以提供60dB的凈增益，克服所有片上損耗。

最后，所設(shè)計(jì)的SOA在4kA/cm2的電流密度下具有約80nm的3dB增益帶寬（圖第3b段）。因此，SOA可以切換WDM信號(hào)，例如，來(lái)自CWDM4收發(fā)器的WDM信號(hào)。

圖3 a）在6 kA/cm2驅(qū)動(dòng)電流密度下，300μm、400μm和500μmSOA增益與輸出功率的關(guān)系。b） 小信號(hào)增益與波長(zhǎng)的關(guān)系。

4.結(jié)論

我們提出了適用于光開(kāi)關(guān)應(yīng)用的IMOS平臺(tái)中的O波段偏振不敏感SOA的設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，500μm長(zhǎng)的器件在6kA/cm2的偏置電流密度下可以提供21dB的輸出峰值增益和約10dBm的輸出飽和功率。隨著輸入功率和電流密度的變化，偏振靈敏度顯示出高達(dá)0.5dB的變化。電流密度的影響也與變化的波長(zhǎng)范圍相關(guān)。結(jié)果表明，最壞情況下的偏振靈敏度約為0.8dB，而在最佳工作條件下僅為0.1dB。所獲得的峰值增益、輸出飽和功率、增益的偏振靈敏度和3dB增益帶寬表明了所設(shè)計(jì)的SOA適用于基于偏振不敏感SOA的光開(kāi)關(guān)應(yīng)用。