半导体光放大器的基础知识

----翻译自Michael Connelly在2004年的文章

简介

在过去的25 年里，光纤通信网络的部署和容量迅速增长。这种增长是新光电技术的发展带来的，这些技术充分利用了光纤的巨大带宽。如今，系统以超过100 Gb/s的比特率运行，光学技术已是全球信息的主要载体，它也是未来网络的核心。这些功能包括几乎无限的带宽，可以承载几乎任何类型的通信服务，以及允许终端容量升级和灵活通道路由的完全透明性。光放大器使光网络的发展成为可能。

光放大器可分为两类：光纤放大器和半导体光放大器SOA。前者主导着传统的系统应用，例如在线放大以补偿光链路损耗。然而，由于光半导体制造技术和器件设计的进步，SOA 在不断发展的光通信网络中显示出巨大的前景。它既可以用作通用增益元件，又有许多功能应用，包括光开关和波长转换。这些功能在透明光网络中是必需的。

本文我们将回顾SOA基础知识、技术（材料和结构）、信号传输性能（码型效应、串扰和超短脉冲放大）以及一些重要的功能应用（光开关和波长转换）。

基本原理

SOA 基于与半导体激光器类似的技术。光增益是通过对合适的半导体材料进行电泵浦来实现的，这样在材料导带和价带之间发生粒子数反转。当产生的受激辐射超过受激吸收和内部材料损耗时，入射光子可以被放大。SOA可以设计为在 1300 nm 或 1550 nm 光通信窗口中运行。具有低残余反射率(R≈0)的SOA的工作原理如图1所示。输入光功率在穿过长度为L的SOA有源波导后，会经历单通增益 G=exp(gL)。净增益系数g=Γgm-αint，其中Γ是光限制因子（传输光信号功率被限制在SOA波导中的比例），gm是材料增益，αint是光损耗系数。gm是注入载流子（电子）密度和波长的函数。单模有源波导可以支持两种正交偏振模式：横电（TE） 和横磁 （TM）。

放大过程还会在输出信号中增加宽带噪声，即放大自发辐射（ASE）。放大器噪声系数（NF）是放大后信号信噪比（SNR）衰减的量度。它定义为当输入噪声受到散粒噪声限制时，输入的SNR与输出的SNR之比。输出SNR的表达式通常假设SOA后跟窄带滤光片和理想光电探测器，这样探测器噪声的主要来源是信号和ASE之间的拍频噪声，落在实际带宽内。在这种情况下，SOA噪声系数由下式给出

其中额外噪声因子K由下式给出

其中nsp是有效粒子数反转参数。为了实现低NF，内部损耗必须很小，并且需要接近 1 的nsp值。通过以高增益运行SOA来实现有利的nsp值。

需要低反射率R以防止SOA在高增益下振荡，残余反射率表现为放大器增益谱和ASE光谱中的纹波。

SOA结构

SOA 所需的关键参数包括：

低反射率（<10-4）以确保低增益纹波（<0.5 dB）

低光损耗系数，以实现高增益;

高材料增益，允许低驱动电流运行;

低偏振灵敏度（0.5 dB），因为来自链路中光信号的偏振态通常是随机的;

高饱和输出功率（Psat），定义为增益降低3dB 时的输出光功率;

低光纤到芯片耦合损耗（每端面<3dB）。(译者注：现在封装工艺多数已远低于这个值)

商用SOA芯片的示意图如图2所示。有源波导由一个0.2um厚的InGaAsP体有源层组成，夹在0.1um厚的InGaAsP分离限制异质结构（SCH）层之间。有源波导的中心部分长 600um，恒定宽度为1.4um。模式扩展有源波导锥度长150um，尖端宽度从 1.4um 到 0.4um 线性变化。锥度允许光耦合到底层无源波导，从而实现与输入和输出光纤的高效耦合。由于增益部分中各层之间的折射率不匹配，该结构提供了高限制因子。由p-InP和n-InP层形成的p-n结充当电流块，从而为注入的载流子提供从驱动电流到有源层的良好限制。通过将掩埋窗口与抗反射涂层倾斜端面（7°倾斜角）相结合，获得非常低的反射率（10-6）。

由于有源波导不对称，TE限制因子大于TM限制因子。gm在体材料中是各向同性的。由于有源层和分离限制异质结构SCH层之间的晶格失配，拉伸应变的引入导致块状材料带结构发生变化，使得TM材料增益大于TE材料增益。引入适当的拉伸应变可补偿TE和TM限制因子的差异，实现低偏振相关性。

其他可以实现低偏振相关的SOA结构包括基于具有近正方对称横截面的有源波导(具有几乎相同的TE和TM限制因子)，或者压缩应变量子阱（更高的TE增益）和拉伸应变量子阱（更高的TM增益）的组合。

商业SOA 的典型指标如表1和图3所示。

如图3 所示，传统 SOA 中的增益饱和表现在输出信号功率远低于 Psat时。由于SOA 中的增益恢复时间（载流子寿命）很快（通常为0.1-1ns），这可能导致单通道系统中的码型效应和波分复用 （WDM） 系统中的严重串扰。通过使用增益钳位SOA（GC-SOA），可以大大减少这个问题。在GC-SOA 中，通过在远离工作波长范围的位置产生激光，引入波长特定反馈。一旦激光开始，SOA有源层中的载流子密度就会被钳位在一个固定值。输入信号功率的变化会导致激光模式功率的相反变化。这具有保持载流子密度固定（即箝位）的效果，从而使信号增益对总输入功率的变化相对不敏感。提供此反馈的常用方法是使用分布式布拉格反馈器（DBR），如图4所示。典型的GC-SOA增益对输出功率特性如图5所示。

SOA 在光通信系统中的基本应用

SOA 在光通信系统中的三种基本应用是：功率放大器、线路放大器和前置放大器。表 2 列出了 SOA 对此类应用程序的主要要求。

表2 SOA基础应用需求

功率放大器用于增加高功率信号的功率，提高光发射机中的激光功率可用于克服外部调制器损耗，补偿光分配网络中的分路和分光损耗，增加光链路的功率预算。功率放大器最重要的要求是高Psat，以获得高输出信号功率并最大限度地减少码型效应。Psat超过10dBm的SOA现已商用。

传统光接收器的灵敏度受热噪声限制。灵敏度是接收器输入端达到所需误码率（通常为10-9）所需的最小信号功率。光前置放大器可用于在检测和解调之前提高光数据信号的功率水平，从而提高灵敏度。前置放大光接收器的性能取决于探测器信噪比，SNR=isig2/inoise2。信号光电流isig与放大的信号功率成正比。均方噪声电流inoise2包括电路噪声（热噪声和探测器暗电流噪声）、信号散粒噪声、自发辐射散粒噪声、信号自发辐射拍频噪声以及自发辐射的光谱分量之间的拍频噪声。当SOA在信号自发辐射拍频噪声限制下运行时，SNR获得最佳改善。在这种状态下，信号功率足够大，以至于主要的接收器噪声是落在信号带宽内的信号自发拍频噪声。这通常需要使用窄带光滤波器来减少SOA 的自发辐射。噪声系数是此应用中的一个关键参数，应尽可能低。

在长距离光传输系统中，在线光放大器可用于补偿链路损耗，从而增加光再生器之间的距离。在线SOA的主要优点是数据速率和调制格式（非饱和状态运行）的透明性、双向性、WDM 能力、简单的操作模式、低功耗和紧凑性，后两个优点对于位于远端的光元件很重要。为避免链路中噪声积累，有必要在每个SOA后面增加窄带光滤波器，但这可能会影响WDM系统容量。

图6 显示了使用功率放大器、直列和前置放大器 SOA 的单通道光传输系统的示例。发射器采用 1309nm 增益开关半导体激光器，10GHz 正弦波直调，以10 GHz的重频产生 40ps宽脉冲序列。在 1309 nm处光纤色散很小，最大传输距离主要受链路损耗的限制。激光输出连接到外部调制器，由231-1伪随机位序列（PRBS）驱动，以产生消光比为13dB的光数据流。使用功率放大器SOA将平均发射功率提高到0到2dBm 之间（7-9 dBm峰值功率）。传输光纤长度为420km，采用12线路放大器SOA，用于补偿光纤损耗，间隔38 km。在接收器处，信号通过1nm带通滤波器，以减少累积的自发辐射，由SOA 前置放大器放大并由 1nm 带通滤波器过滤。然后通过一个p-i-n光电二极管检测信号，然后是时钟和数据恢复电路。SOA 前置放大器和滤波器将接收器灵敏度BER=10-10从-14dBm 提高到-31dBm，420 km后的接收器功率代价5dB。在这个实验中，传输距离的主要限制是光滤波器带宽内自发辐射的积累。

码型效应和串扰

当SOA 在不饱和状态下运行时，放大器增益与输入信号数量和信号数据速率无关。在此范围之外，SOA将带来失真，因为在高输入功率下，增益会饱和并压缩。动态增益饱和与增益恢复时间发生在同一时间尺度上。这会导致码型效应，当前数据位功率会影响后续数据位的增益。当比特率与增益恢复时间的倒数相同时，这一点尤其重要，如图7所示。在WDM系统中，通道之间的交叉增益调制XGM会导致严重的通道间串扰。

在使用SOA的WDM系统中，另一个复杂因素是由四波混频FWM引起的通道间串扰。FWM是在SOA内的两个光场之间相干非线性过程，导致场之间的拍频进行增益调制，并在此过程中产生新的边带。在等间隔波长的WDM系统中，FWM 效应会对业务信号产生干扰。尽管串扰的功率相对较低，但由于相干拍频噪声现象，它可能会产生显著的功率损失。FWM 串扰的水平随着通道间隔的减小和通道输出功率的增加而增加。FWM 串扰在通道间间隔小于 100 GHz 的密集 WDM 系统中尤为重要。图 8 显示了具有 FWM 生成的串扰信号的 8 通道多路复用的典型 SOA 输出频谱。

超短脉冲放大

光时分复用是提高光传输系统比特率的有效方法，这需要对短光脉冲进行时间间插。传输距离受光纤群速度色散的限制，该色散与脉冲谱宽度成正比。当光脉冲在光纤中传播时保持形状不变时，形成了光孤子传输。

由于SOA具有非常大的带宽（通常为5THz），因此它能够放大短至100fs的脉冲。如果脉冲能量远小于SOA的饱和能量 Esat，则可以放大输入脉冲而不会发生明显失真。典型的SOA饱和能量大约为几皮焦耳。当脉冲能量接近Esat时，会导致相当大的频谱展宽和失真。对于10–100ps量级的输入脉冲宽度tp（半高全宽），频谱展宽主要是由于自相位调制（SPM）。SPM是由增益饱和引起的，这会导致SOA有源层折射率响应载流子密度变化而发生强度依赖性变化。频谱展宽和失真的程度还取决于输入脉冲形状。如tp远小于载流子寿命，则输出脉冲功率Pout(t)和相位Φout(t)近似由下式给出

其中Pin(t)和Φin(t)是输入脉冲光功率和相位。G0和α分别是光放大器未饱和增益和线宽增强因子。α取决于放大器有源区材料和操作条件，典型值在2–10 范围内。输出脉冲频谱可由下式获得：

其中ν0=ω0/2π是脉冲频率。输出脉冲啁啾（频率变化）由下式给出

其中Δνin(t)是输入脉冲啁啾。利用上述理论，一个放大的零啁啾（变换受限）高斯脉冲的输入功率的形状、啁啾和光谱参照下式：

如图9 所示。Ein是脉冲能量，τp=1.665τ0。放大的脉冲是不对称的，因为脉冲的前缘比后缘具有更大的增益。放大的脉冲频谱比输入脉冲更宽，并产生了多峰结构。这是由于SPM带来的频率啁啾在脉冲通过放大器时被施加在脉冲上。在这种情况下，啁啾是线性的，可以通过具有异常群速度色散的光纤传输脉冲来补偿。在实践中，光脉冲可能不是高斯分布，也可能具有初始啁啾。在这种情况下，感应啁啾和产生的脉冲频谱可能更复杂，更难补偿。

当输入脉冲宽度小于~10ps时，上述理论不再适用，必须考虑 SOA 中的其他非线性效应，例如载波加热和光谱空穴燃烧。SOA对此类脉冲产生的脉冲功率和频谱失真可能非常复杂。

功能应用

SOA在光透明传输网络中发挥特殊功能，光子集成电路和光电子器件封装技术的发展使SOA 功能元件的部署更加可行。SOA 的两个最重要的应用是光交叉和波长转换。

图10 显示了用于光路由的2*2 SOA光交叉模块的示例。可以使用此基本元件构造更大的光交叉矩阵，该模块由四个集成的SOA 组成，安装在硅基板上上。SOA 阵列通过 V 形槽对准嵌入与输入和输出聚合物波导对齐。通过打开对应的SOA将传入数据包路由到任何输出端口。开关时间可达1ns。

通过将SOA集成到非线性环形镜结构中，如图11中所示的太赫兹光学非对称解复用器（TOAD），可以实现超快切换（<100 fs）。切换是通过在光纤环镜中心放置 SOA 偏移并通过 50：50 耦合器将数据注入环路来实现的。两个计数器传播的数据脉冲流异步到达 SOA。开关脉冲定时在一个数据脉冲之后到达，但恰好在其副本之前到达。调整开关脉冲功率以将π的相位变化施加到副本上，因此当两个反向传播元件在返回耦合器时发生干扰时，数据脉冲被切换出去。TOAD 还可用于对高速时分多路复用脉冲流进行解复用。

全光波长转换器将在宽带光网络中发挥重要作用，它们主要是为了避免WDM 网络中的光交叉连接中的波长阻塞。波长转换器使用一组固定的波长来提高网络的灵活性和容量，并可用于集中网络管理。在分组交换网络中，可调波长转换器可用于解决数据包冲突并降低光缓存要求。

SOA中的波长转换可以使用交叉增益调制XGM、交叉相位调制XPM或四波混频FWM来实现。基于XPM的SOA波长转换器的设计要求将一个或多个SOA集成到干涉仪中，图 12所示的马赫-曾德尔干涉仪MZI就是一个例子。波长λ1的输入数据信号用于调制上面的SOA折射率，该折射率控制干涉仪臂之一中λ2 处的第二个未调制输入信号所经历的相移。当输入数据信号为低电平（逻辑0）时，臂同相，λ2 信号出现在顶部输出处。当输入泵浦信号为高电平（逻辑1）时，它会在两个臂之间产生额外的π相移，导致它们完全反相，λ2信号在底部输出。两个输出都包含调制到新波长上的原始数据信号的副本。向上和向下转换是可能的。下部的SOA用于均衡每个臂中λ2信号所经历的增益。输出端需要一个滤光片来去除λ1。这种波长转换器可以在非常高的比特率（>10 Gb/s）下运行。MZI结构的一个重要优点是，它还通过波长转换提供输入数据信号的2R再生（再放大和再整形）。这是因为与输入数据相比，干涉仪非线性响应增加了转换信号的消光比。全光3R（2R+再定时）再生器可在未来的光通信网络中用于恢复劣化的传输信号。基于SOA 的干涉结构可用于>80Gb/s的数据速率实现3R（2R+再定时）再生。