宽光谱SOA光芯片设计（三）

-本文翻译自由Geoff H. Darling于 2003年撰写的文章。尽管文章较早，但可以了解一些SOA底层原理，并可看到早期SOA研究的思路和过程，于今仍有很高借鉴价值。

5.1简介

在本章中，介绍了用于检测SOA样品的实验装置。详细介绍了用于估计器件增益和耦合效率、确认单模和评估电触点完整性的初步诊断测量，这些测量是为收集数据中有意义的特征。

5.2. 实验设施

5.2.1探针台

该平台为被测器件（DUT）的输入和输出面提供5轴对准，用于对准光纤和透镜。带有集成热电冷却器的温控真空吸盘将被测器件固定并保持恒定温度。三个独立的电探针用于向被测器件提供电偏置电流。

输入和输出耦合

探针台在每个设备面提供5轴对准（不沿光传播方向旋转）。每步都可以通过透镜与光纤或自由空间耦合。图5.1显示了在电探针下，锥形光纤与4 um器件的输入端面的对准。它展示了光纤与斜切面对准。对于7度角斜切，斯涅尔定律预测相对于刻面法线的最佳光纤倾斜角度约为23度。在23度附近没有观察到耦合效率表现出强烈的角度依赖性。这简化了光纤对准过程。

5.2.2偏振控制和测量

SOA器件可以在TE和TM模式之间表现出偏振相关的增益。用于控制偏振（PR）测量的实验配置如图5.2所示。保偏（PM）单模光纤与保偏PM锥形光纤一起用于注入光，PM锥形光纤的主轴被对准以对应于DUT的TE和TM模式。具有低2dB插入损耗的光纤耦合空气间隙偏振器与光纤偏振控制器一起用于控制入射光的偏振状态（SOP）。气隙配置允许将光学斩波器引入实验中，从而可以使用锁定放大器（LIA）来隔离用光功率计测量的输出信号。

5.3. 确定设备增益：Hakki-Paoli方法

如第3章和第4章所述，有限面反射率在有源波导器件（如激光器和SOA）中引入了法布里-珀罗谐振。Hakki和Paoli演示了如何通过简单的法布里-珀罗标准具模型使用自发发射光谱中的共振来提取净模态增益[64]。使用足够精确的光谱分析仪（OSA），每个腔模式的最大和最小强度之间的比率可以通过以下方式与设备的净单程增益因子G相关：

第一轮SOA样品用4度斜切。这种解理角将有效面反射率降低到约2%[53]，从而将激光阈值提高到适度的注入电流。在阈值以下，在ASE光谱中观察到强烈的法布里-珀罗共振。第6章介绍了具有强腔谐振特性的ASE光谱及其提取的增益测量结果。

5.4耦合效率测量

需要输入和输出耦合效率估计来确定SOA的绝对增益。为了确定输出耦合效率，在20℃的温度下用恒定电流对DUT进行偏置。将60倍透镜对准端面。在数值孔径为0.85的情况下，物镜有效地将高度衍射的光引导到宽区域光电检测器。使用波导面发散输出的近似数值孔径计算，收集效率估计为80%（在菲涅耳损失之前）。使用这种实验配置获得不同器件的L-I曲线。随后将这些曲线与用多模光纤、TL-SMF和保偏TL-SMF收集的L-I曲线进行比较。取光纤耦合功率与宽面接收功率的比率精确计算输出耦合效率。该比率考虑了半导体-空气和空气-光纤界面处的菲涅耳反射。对来自不同样品条的几个2、3和4um器件重复这些测量，以评估耦合效率的可变性。平均耦合效率值，作为60倍物镜和宽面探测器收集的总功率的百分比，绘制在图5.3中。对于MMF测量，光纤垂直于器面，因为法兰尺寸阻碍了正确的角度对齐。这使观察到的耦合效率比从理论最大值低。锥形光纤与切面法线成23度的最佳角度排列，如图5.1所示。

输入耦合效率较难评估，而斜切让评估变得更为复杂。使用Nanonics公司的保偏锥形单模光纤（PM-TLF）进行增益测量。上面的输出耦合效率评估为输入耦合效率的提供了初始评估。我们使用两种方法进一步改进这一估计，第一个当用PM-TLF将光导入导端面时，监测反向偏置器件中感应的光电流。假设量子效率为1，则从光电流计算耦合到波导中的入射功率的分数。带隙两侧的一系列波长用于探测带边缘附近的吸收过程。图5.4给出了3um混合器件的光电流和相应的耦合效率关系。光电流的衰减与1530nm附近测得的ASE峰值一致。光电流测量对总输入耦合效率设置了上限，因为在波导模式之外吸收的光子仍然可以对测量的电流做出贡献。模拟波导模式和来自PM-TLF的入射场之间的重叠用于提供输入耦合效率的第二种估计方法。这些计算的结果包括在表5.1中。锥形光纤提供了3±1um的光斑尺寸估计值，这反映在表5.1中每个输入耦合效率估计值的10%的不确定性中。

5.5单模确认

使用红外成像相机来观察器件小平面处的近场光斑。对于这些测量，使用物镜将模式放大到Hammamatsu红外成像相机上。在一定电流范围内，观察到许多不同器件的空间强度分布图像。在一系列偏置电流下，没有从2、3和4 um器件中的任何一个观察到多模情况。通过观察施加激光信号另一个器件面，也可以观测单模特性。随着锥形光纤位置的调整，多个横向模式没有被激发。当输入对准被优化时，观察到亮模式斑点，而在其他情况下观察到漫射的非引导光。如果支持多模，它们会在调整输入对齐时被激发。

5.6确认电触点的完整性

5.6.1电触点重复性

为了研究电触点的完整性，在器件每段的多个接触垫上重复测量。从大多数器件中，从不同的接触垫观察到可重复的L-I和V-I曲线，证实了沿器件长度的电接触特性良好。然而，一些器件表现出严重的接触问题。在许多情况下，电流不能从接触焊盘流过漏极区，向下流过脊顶部。尽管有时可以通过将电流探针直接放置在脊的顶部来施加偏置，但波导结构在这个过程中受到了严重损坏。据信，用于限定脊壁的湿法蚀刻步骤导致阴影，从而导致金属化层中的断裂。为了防止这个问题，如第4章所述，引入了反应离子蚀刻（RIE）来描绘垂直波导壁。

5.6.2段隔离

每段之间需要足够的电隔离，以充分利用每个SOA的两个不同的增益介质。第4章详细介绍了为提供隔离而采取的措施，这些措施包括金属化的中断和部分之间的上接触层中的蚀刻沟槽。这种技术不能提供完全的隔离，因为电流仍然可以沿着在器件段间连续运行的掺杂脊波导流动。然而，通过设计，该电流路径的电阻大于向下穿过有源区的更直接的、预期的路径，因为SOA的典型串联电阻仅为几十欧姆。给定波导脊的几何形状（2x1.4x5um）和掺杂水平（1018cm-3），预计电阻为几k欧。在测量截面间电阻的过程中，观察到三类不同的器件。一些器件表现出几欧姆的低截面电阻。这些装置被电气短路，不能用于实验；大多数器件在1-70k欧范围内表现出可接受的电阻，并产生了最有希望的结果；其他器件的节间电阻为M欧，这个大电阻确保了电隔离，但也表明这些器件的导电性有所下降。

5.7解决散热问题

光电器件由于二极管结两端的电阻有限而产生电阻热。在典型的注入水平下，SOA会产生mW级的热量。这些热量必须从设备中转移出去，以优化性能并避免故障。一些材料系和器件对热更敏感。例如，四元InGaAsP具有大约5[W/K•m]的热导率比InP[55]低20多倍。在测试和封装过程中，必须采取足够的措施确保设备与下面的散热器或热电冷却器之间足够的热接触。用于评估设备的探针台配备了一个镀金样品安装台，连接到一个大型热电冷却器。热敏电阻嵌入安装台表面下方，真空孔将样品条固定在适当位置，为散热的提供足够的热接触。然而，最后一轮制造中的一些器件对电偏置极为敏感，容易发生故障。在测量过程中，采取了两项措施来提高设备的可靠性。第一项措施通过使用银浆将样品棒粘合到更大的铜芯片上来改善设备和安装台之间的热接触。银浆通过确保由表面粗糙度引起的小空气间隙填充高导电油脂来改善表面之间的热接触。依次使用更多的银浆将铜芯片安装在样品安装台的顶部。这减少了故障，但也让器件端面耦合更有难度。第二种措施是通过脉冲偏置来减少总热量的产生，短电流脉冲可以在热效应累积之前提供器件的光学特性的快照[65]。为了实现最佳测量，电流脉冲应短于设备内的任何热时间常数，该常数可以在微秒范围内。此外，应该使用足够低的脉冲重复率来确保在脉冲之间可以发生耗散。在该测量过程中使用的电流源被限制为几毫秒的脉冲持续时间。相对于使用这些脉冲源的DC测量，没有观察到光电性能的可测量的改善。为了避免器件故障，偏压在低于3伏的下进行实验。当电压降超过3伏时，器件容易被击穿。

第六章结果与分析

6.1简介

本章展示了实验研究的亮点。首先，研究了偏置电流和输出光功率和电压对应关系。其次，测试了单段混合和非混合SOA的ASE光谱和光谱增益，证明了QWI工艺的有效性。最后，对双段SOA，进行了增益和ASE测试，获得了更高的光功率和更宽的光谱。

6.2 L-I和V-I特性

在每一轮SOA器件上进行的第一个测试时，测量偏置电流与输出光功率和偏置电压的对应关系。测试中使用了LD驱动电路板，用以为SOA提供偏置。这些专用电流源提供了缓启和过压保护，以防止在测试过程中损坏器件。使用一个透镜用于收集来自DUT的光，并将其聚焦到到宽面光电检测器上。这个采集系统的校准简单且可重复，消除了功率测量的不确定性。在L-I-V测量过程中，使用数字电压表同时监测每个SOA上的压降。通过V-I测量可看到样品SOA具有类二极管特性。（混合）样品的测试图如图6.1所示，用脊大小分类。观察到大约0.7伏的典型导通电压。观察到近似线性的功率依赖于注入电流，对于大多数器件，饱和发生在50mA附近。这种行为与低于阈值的激光二极管一致。

图6.2显示了来自单个巴条的一组（非混合）器件的总输出光功率与电流的关系。它显示了了样品巴条的典型性能分布。尽管少数（未混合）器件产生的光功率比（混合）器件平均更大，电致发光效率的扩展对于所有器件都是显著的。在生长和制造过程中，晶片上的均匀性可能会发生变化，从而导致器件性能差异。此外，三种不同脊宽度的使用有助于器件性能的扩展研究，也限制了可以在每个样品棒上进行比较的标称相同器件的数量。值得注意的是，可以通过调整段的相对部分长度以及偏置电流来补偿器件段间的电光效率的一些差异。

为了量化光信号的偏振依赖性，收集了两种偏振态的L-I曲线。图6.3显示了混合和非混合器件的测量结果。从这些曲线中，对于混合和未混合的器件都观察到了大约5:1的典型TE/TM功率比，尽管观察到了TE/TM的功率比的显著扩展。在本研究中使用的两种器件结构（表4.1和表4.2）之间，原本预计发光的偏振特性会发生显著变化，然而，没有观察到明显的变化。据信，发射特性在巴条上的分布掩盖了由于器件结构引起的预期变化。

有些设备容易受到永久性损坏。在某些情况下，在低至10mA的直流注入水平下会引发永久性的临界损伤。使用银浆将样品安装在铜散热器上后，使用脉冲电流源进行L-I-V测量，以减少热效应。然而，由于电流源的限制，无法观察到任何效果，这可能因为发生的热效应积聚的时间在比电流源的毫秒脉冲持续时间短得多。这也可能表明故障机制本质上是电。考虑到故障器件的电气特性被永久改变，这是一个合理的解释。发生故障的器件表现得像电阻器，对任何注入电流都不会产生光，并且在导通时也不会产生类二极管的压降。这些现象似乎意味着，有源区短路是故障的原因。器件故障通常发生在电压降接近3伏时。为了避免器件损坏，将偏置电流保持得足够低，以将电压降控制在3伏以下。图6.4比较了来自两不同的批次的两个(未混合)的4um器件的V-I和L-I曲线。L-I曲线相当相似，但2003年5月器件上的压降随电流迅速增加，这是一些（未混合）器件在最终制造过程中的特征。

6.3. 单段测试

在本节中，介绍了单段器件的实验结果，包括ASE和光谱增益。

6.3.1 ASE研究

SOA的光谱增益和放大自发发射（ASE）特性是相关的，因为两者都依赖于相同的反转因子[29]。ASE可以通过光谱分析仪和用于光收集的多模光纤快速且可重复测试。为了避免将光耦合到DUT中的额外复杂性，在进行增益测量之前，对特性较好的L-I和V-I特性的每个器件进行全面的ASE测量。此外，可以从ASE测量准确地推断出诸如增益带宽之类的关键增益特性。对于这些测量，设备是正向偏置的，真空吸盘的温度固定在20℃。用多模光纤（MMF）从器件面收集光。通过将光纤与DUT的光对准，使光纤耦合功率最大化。OSA用于测量在一系列电流上来自两个器件面的光谱。由于发射光谱与增益带宽成正比，因此确定产生最宽的ASE总光谱的特定段电流组合是很重要的。图6.5和图6.6分别显示了混合和非混合器件的单段ASE光谱。当比较每段的光谱时，器件部分之间的相对蓝移是明显的。

如前所述，相对增益带宽与放大自发发射的光谱宽度强相关。图6.7用于说明ASE光谱和测得的线性增益之间的相关性。典型器件的发射和增益带宽在10%以内。

6.3.2. 单段器件增益测试

将固定输入功率的不同波长的光作为输入，监测DUT输出光功率，并计算增益。通过斩波输入激光信号，锁定放大器能够在ASE噪声中提取光信号。我们测量了一定范围内不同偏置电流和不同输入光功率的光信号特性。尽管相对增益信息在确定带宽时很有用，但绝对增益是比较SOA的一个更具体的性能标准。绝对增益是SOA出光功率与SOA的入光功率的比值。可以通过校正菲涅耳反射和每个面处的耦合效率来从相对增益数据中计算获得。表5.1中是通过模式重叠计算估计的输入耦合效率，这可用于估算绝对增益。应该注意的是，由于输入耦合效率的不确定性会带来测量的绝对增益值的±4dB不确定性。图6.8是单段混合器件的TE和TM小信号增益曲线，这些器件偏置设置在40mA，输入功率为40uW。对于TE偏振，观察到大约90nm的3dB增益带宽。由于可调谐激光器的限制，未能测量短波长侧TM增益带宽的全部特性。

图6.9包括具有4um脊和40uW输入功率的单段（非混合）器件的TE小信号增益曲线。如图6.4所示，最后一轮流片中的未混合器件对注入电流敏感。为了避免损坏，偏置电流设置为8mA。在8mA以上，器件两端的电压降迅速增加到3伏，如前所述，一些器件在这些偏置水平下容易发生损坏。在本研究中使用的一种可调光源的最大波长为1600nm，另一种可调激光源来测量1590至1640nm的增益特性，但在在1640nm以上没有合适的可调谐激光器，并且没有单个源可用于覆盖整个增益带宽。在9mA的偏置电流下，该未混合器件的最大观测增益值在1625nm处约为1.65。

6.4双段式器件测试

在本节中，测量了双段SOA器件的增益谱和ASE光谱。使用Hakki-Paoli技术从ASE光谱计算波长和总器件增益的对应关系，增益谱特性说明了两段式设计的SOA具有更宽光谱。

6.4.1 Hakki-Paoli增益测量

端面反射率会带来有源波导器件（如激光器和SOA）中的法布里-珀罗谐振。使用Matlab软件，从4度角斜切的首轮两段式SOA的收集的ASE光谱中获得单程增益。在这一轮流片中使用混合技术以在每段之间获得15nm的蓝移。它明显低于有效增强两部分器件的总带宽所需的60-80nm范围。图6.10显示了用于提取激光阈值及以下的单程增益的代表性ASE光谱。

图6.11显示了作为低于和处于激光阈值的波长的函数的计算单程增益因子。最大单程增益因子在1535nm处约为30。当激光器或SOA达到激光阈值时，腔增益等于腔损耗。测得的单程增益因子30证实了两部分SOA设计在适度注入水平下提供了显著的增益。如果可以控制增加第一轮器件中的反馈抑制水平，介质的增益响应本可以在更大的注入电流范围内进行探索。然而，这些实验需要复杂的防反射涂层方式。然而，用Hakki-Paoli方法提取的单程增益测量结果证实了量子阱结构、混合过程和两段式SOA设计的正确性。

6.4.2 ASE研究

双段式SOA的ASE光谱是在一定范围的偏置电流上测试得到的。当在混合式的器件测量得到的光谱，宽谱特性最强。在未混合的器件端面处观察到明显的少量增宽。这可以归因于在非混合区域中的短波长吸收。在没有施加未混合部分的偏置的情况下，吸收完全衰减了在混合部分中产生的ASE光。图6.12显示了在未混合（B）和两段（B+A）偏置在70mA时，两段式器件的端面B（未混合）的ASE光谱。当混合（A）段偏置在70mA时，没有观察到高于本底噪声的信号。图6.12显示，由于光谱短波长侧的吸收效应，在非混合面上没有观察到光谱增宽。

当两个部分都被偏置在70mA（B+A）时，与仅部分B在70mA时相比，没有观察到显著的带宽增强。图6.13显示了偏置电流范围内端面A（混合）的发射光谱。在这一方面观察到显著的光谱增宽，因为在混合部分中产生的短波长光不必穿过部分吸收的非混合区域来对输出信号作出贡献。

在段A（混合）偏置在100mA并且段B（未混合）无偏置的情况下，观察到79nm的3dB光谱宽度。在段B偏置在100mA并且段A无偏置的情况下，观察到85nm的光谱宽度。当两段的偏置电流都优化（A＝83mA，B＝75mA）时，观察到131nm的光谱宽度。这表示相对于单段，3dB发射带宽增强了60%，超过了Kashima等人使用选择区域生长（SAG）[16]技术制造的LED的发射带宽。图6.13还展示了由两部分器件结构提供的动态光谱可调谐性。

6.5结论

在本章中，报告了全面的实验测量。L-I-V研究提供了光电功能的验证，并说明了器件光谱可调。通过ASE测量得到段间的相对蓝移。通过优化段电流，从两段式器件中观察到增强的光谱带宽和动态可调的光谱形状。分别使用透射测量和Hakki-Paoli技术从单段和双段器件中观察并量化光谱特性。

第七章结论、贡献和未来工作

7.1本工作的视角和方法

本研究首先介绍了半导体光放大器领域，并概述了其在光纤通信中的应用。在这篇综述的过程中，人们发现带宽增强型光放大器在粗波分复用（CWDM）和城域网（MAN）中存在着很有前途的应用。尽管现代SOA技术已经成熟到可以在现代网络中部署设备的地步，但很少有研究人员研究增强传统设计的增益带宽的技术。在这项研究中，设计了一种新的SOA结构，通过将量子阱混合过程应用于两段式器件结构，该结构提供了增强的增益和发射带宽，并具有电流可调的光谱形状。在第2章中，全面回顾了与半导体增益和发射带宽增强相关的现有技术。研究发现，选择性区域生长（SAG）技术产生了迄今为止最有希望的结果。量子阱混合综述概述了这种制造工艺相对于SAG的潜在优势。特别是，QWI提供了器件设计的灵活性和带隙能量的巨大潜在变化。作为一种后生长工艺，它避免了可能危及制造产量的生长中断。第3章对现代SOA设计原理进行了回顾，以阐述当前的技术现状。例如，概述了用于最大限度地提高PDG和消除增益纹波Ripple的设计步骤。这为这项工作在带宽增强方面的最初贡献提供了背景。第4章介绍了所提出的两段式多量子阱半导体光放大器（MQW-SOA）结构。介绍了外延结构的两次迭代，并讨论了麦克马斯特大学合作者执行的生长和处理步骤，包括量子阱混合过程。使用光学模拟程序计算了SOA结构的引导特性，并部署了MQW设计的光谱增益特性模型。第5章进行了样品的初步研究。在本章中，进行了实验来研究耦合效率，确认单模操作并评估电接触的可重复性。这些测量有助于识别有前景的待测设备，以便在下一章中进行全面研究。在第6章中，探讨了混合两段式SOA的全面的光电子特性。系统研究了样品的特性及其光谱可变性。

7.2本工作的原始贡献

这项工作首次探索了使用无杂质量子阱混合技术和两段式技术扩展半导体光放大器的谱宽。理论建模与SOA设计的全面回顾相结合，为设计和实验测试一类新的SOA提供了基础。在这项工作之前，增益带宽增强在很大程度上是传统SOA研究中未探索的。从历史的角度来看，这是可以理解的，考虑到更紧迫的设计挑战，如增益纹波和偏振相关增益阻止了光网络中的部署。如今，粗波分复用和城域网给光放大器带来了新的挑战。具有宽光谱和可变光谱的设备是极具价值的。半导体中技术中与动态光谱及光谱展宽相关的现有技术有限。先前的工作已经探索了SAG方法在可调谐激光结构、宽带LED和SOA中的应用，以及使用QWI来提高单段LED结构的发射带宽。以前没有任何工作探讨在两段式SOA结构中使用QWI来增强带宽。这项工作成功地展示了一种SOA，它具有展宽的光谱和可电控的光谱形状。这是首次已知的将QWI技术应用于SOA结构中的光谱增强。使用QWI技术，器件的一段的增益谱相对于另一段发生蓝移。通过使每个部分电独立，提供了对SOA结构的光谱特性的高级控制。在单段装置上进行了初步试验，以研究混合过程。适当的通过监测混合和非混合器件的光输出和电压降测量值作为注入电流的函数，证实了光电特性。测试ASE光谱以量化器件部分之间的60至80nm蓝移。从样机单段器件中观察到了期望的ASE和光谱增益测量结果。在适度注入水平下，从混合和未混合的单段器件中观察到高达10dB的单程增益因子。从ASE光谱中的Fabry-Perot谐振中提取了两段式样品器件的净单程增益。从两段式放大器中观察到大约15dB的单程增益因子。通过优化每段的偏置电流，从两段式SOA得到了超过130nm的3dB发射带宽。与独立的每个段以及传统的SOA和LED设计相比，这意味着发射带宽提高了60%[4]。它还展示了由两段式器件设计提供的动态光谱可调性。工作中展示的SOA设计和基于QWI的制造技术为光谱展宽盖提供了一条有吸引力的途径，对器件成本或复杂性的影响很小。通过使用两个光谱不同且电独立的增益部分，实现了对光谱形状的动态控制。

7.3未来工作

许多有趣的研究可以从这项工作中延伸出来。图7.1中描绘了一组值得进一步研究的研究路径。

7.4意义

量子阱混合（QWI）技术应用于两段式SOA设计，以引入每段的增益谱之间的相对偏移。从单段和双段SOA器件中观察到高达15dB的光学增益。通过优化每段的注入电流，从两段式SOA器件测量到超过130nm的3dB发射带宽，证明了该技术实现了SOA带宽增强和动态光谱可调谐性。这比典型的单段器件的发射带宽提高了50nm。

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审核编辑 黄宇