光接入网络的超宽带半导体光放大器

新颖的双有源层结构获得宽增益光谱，应用于多波单纤双向光放大

----翻译Xiao Sun等人2016年撰写的文章，文中给出了宽光谱SOA的一种新颖的结构设计方法和仿真结果，但并未给出噪声系数、偏振、以及波道串扰等通信相关特性分析，期待后续样品制作和实测结果

近年来，半导体光放大器（SOA）在不断发展的光通信网络，特别是长距离无源光网络（LR-PON）中显示出巨大的应用前景。这些网络有助于减少所需的光线路终端(OLT)站点的数量（即减少到几个主要的CO中心局）[1,2]。然而，很少有包含光纤放大器的LR-PON，例如掺铒光纤放大器（EDFA），这是因为EDFA的工作区域仅限于C（1524-1544nm）和L（1565-1625nm）波段[3,4]。

而SOA是一种更有前途的技术，可用于LR-PON[5,6]。这是因为SOA可以工作在更宽的波段范围。SOA提供超宽波长窗口（约 1280–1650nm）、在大输入功率电平范围内（通常高达 0dBm）的恒定中等增益（约 15dB）、大增益带宽（约 60–100nm）和中等噪声系数（约7–8dB）[7]。此外，全业务接入网(FSAN)和国际电信联盟(ITUT)电信标准化部门最近定义了下一代无源光网络（NGPON）波长窗口。在这个窗口内，已经确定了初步的TWDM-PON，其中，上行波长在C波段，下行波长范围在L+波段（1596–1603nm）内[8]。相比之下，在WDM-PON中，采用了C和L波段（即1524-1625nm）的全光谱[8]。因此，SOA 必须具有至少80nm的3dB带宽，以完全覆盖上下行工作波长。

在这项工作中，我们提出了一种新的SOA结构，可以作为双向器件，在NGPON中同时进行上行和下行放大。我们的SOA的3dB增益带宽显著扩展至107nm（1513–1620nm），具有较大的线性增益（>20dB）和超宽线性输入范围（高达6dBm）。我们对提出的SOA进行了处理，使其具有浅蚀刻脊波导结构，长度为1.5mm，脊宽为5μm（见图1）。结构的两个端面都具有抗反射涂层，可将端面反射率抑制在0.005%以下，从而确保单向传输特性。为了进一步降低反射率，波导与刻面的法线成8°角倾斜。在我们的设计中，输入光波水平进入任一端面，从而通过沿SOA长度传播过程中发生的电子-空穴激发复合被放大。

我们的SOA设计背后的基本思想是零维浅量子点QD在二维量子阱QW层上生长，从而产生了我们的双有源层DAL结构。为了获得图1所示的外延结构，我们在n掺杂的GaAs衬底上生长QW和QD。有源区由单层自组装GaInNAs的量子点QD组成，及一个平均直径为4nm，7.5nm厚的 GaInNAs量子阱QW 层。我们将GaInNAs材料用于制作量子阱QW和量子点QD结构，因为它与GaAs完全晶格匹配，并且具有通过控制氮组成实现覆盖宽范围光通信波长（1250-1650nm）的潜力[9]。DAL结构的最后一部分是33nm厚的GaAs阻挡层，可提供应变释放。DAL夹在1.2μm厚的p掺杂层和n掺杂的砷化铝镓（AlGaAs）包层之间，形成波导的垂直结构。顶部和底部接触层用于电流供应，使电子可以穿透到DAL中。

我们还建立了一个全面的SOA数字化模型，该模型基于载流子速率和光传播方程，可用于模拟我们提出的DAL SOA的放大性能[10]。我们计算了与该模型的 QW 和 QD 有源区域相对应的材料增益，并与与传统QW SOA的材料增益对比，如图2所示。传统的量子阱QW SOA仅覆盖TWDM-PON上行波段，而对于DAL SOA，我们可观察到两个正增益峰值，分别对应量子阱QW 和量子点QD。

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为了进一步检验DAL SOA的放大性能，我们将两个光输入波长（1540和1600nm）注入SOA的两端，方向相反，模拟TWDM-PON上行和下行光信号。对于不同光输入功率，两个信号的放大增益如图3所示。我们发现，这两个信号分别通过QW和QD的受激发射同时放大。两种波长的线性增益都在10-15dB范围内。QW+QD有源层的3dB输入饱和光功率Psat表现了良好的线性特性（>–2dBm），尤其是QD层，其中Psat是>6dBm。

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在我们的工作中，我们还设计了一个多双有源层（MDAL） 结构，通过它我们可以进一步拓宽我们提出的DAL SOA 的增益范围。三DAL结构如图4所示。因此，在MDAL中，总增益是每个单独DAL增益的总和。我们对MDAL SOA和传统多量子阱MQW的增益进行了比较-见图5-结果显示，两种结构的增益顶均平坦，线性增益值明显（超过20dB）。此外，我们发现传统MQW SOA的3dB增益带宽为61nm（在1513和1574nm之间）和MDAL SOA的107nm（在1513和1620nm之间）（即带宽几乎是其两倍）。因此，可以使用单个 SOA 设备来放大最大可能的波长通道数。因此，我们新颖的宽带DAL SOA设计是未来TWDM-PON或WDM-PON基础设施的最优选择。

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综上所述，我们提出了一种新型的双有源层半导体光放大器DAL SOA设计，可用于同时进行上行和下行信道放大，从而实现LR-NGPON。我们还开发了一个全面的数字模型，其中包括载波速率和光传播方程。仿真结果表明，单个DAL SOA的最大增益为15dB。此外，在107nm带宽（覆盖C和L波段）上，可以通过多DAL结构实现>20dB的增益。我们未来的工作将涉及进一步优化我们的 DAL SOA 设计，以实现增益和带宽改进。我们还希望制作一个用于实验演示的 DAL SOA 样本。

参考文献：

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[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.

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

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[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.

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审核编辑 黄宇