波长可调激光器中的增益芯片和SOA

----翻译自SATO Kenji，ZHANG Xiaobo于2019年发表的文章

摘要：

本文讨论了用于波长可调激光器（TL）的半导体光放大器（SOA）和增益芯片的设计规则。即与常规SOA或激光器相似，也有一些不同之处。位于可调激光期后面的SOA应该偏振相关，并且具有低的光学限制因子。为了在阈值电流下获得宽的增益带宽，可调激光腔中使用的增益芯片应该介于SOA和固定波长激光器设计之间，而固定波长激光器具有高的光学限制因子。本文详细讨论了基本公式，并给出了SOA饱和功率和增益芯片增益带宽的仿真结果。

1.简介

使用波长可调激光器（TL）可以减少所需的库存激光器数量，进而降低库存成本[1]，波长可调激光器（TL）是数字相干光通信系统中最常用的光源之一。波长可以在ITU波道上选择，但必须非常准确。早期，人们提出了很多调谐方案，但因为多数很难满足高输出功率、高波长精度及低成本需求，近期市场上只剩几种“集成可调激光组件”（ITLA）商用产品，。这些相干系统中使用了一些先进的调制格式，如双极化交相移键控（DP-QPSK）、16正交幅度调制（16QAM）和其他多级格式[2-3]。由于这些先进调制器的插入损耗可能很大，因此需要ITLA具有更高的光输出功率。此外，为了在小型可插拔光模块（如CFP2、OSFP或QSFP）中使用，由于封装小，一部分光信号需分光到相干接收器作为本征光，因此，在激光器前面具有光学放大器的ITLA最近变得越来越普遍。这种半导体光放大器（SOA）具有一些有趣的特性，如偏振相关和高饱和光功率。它的设计类似于传统激光器，因此SOA有时与可调激光器单片集成[4]。

此外，增益芯片也是本文的另一个重要课题。增益芯片主要应用于外腔（EC）可调激光器方案中。等效地，这可以被视为具有波长带通滤波器的法布里-珀罗（FP）激光器。因为应用于可调激光器，增益芯片的增益带宽应该覆盖整个C波段[5-7]。因此，增益芯片的设计与激光器和SOA的设计不同。文中讨论了增益芯片的设计思想。此外，掺铒光纤放大器（EDFA）的增益带宽正在传统带宽上扩展[8-9]。在不久的将来，可调激光器的调谐范围也将更宽。

这里的目的是写一篇关于芯片设计的教程论文，其中包括用于波长可调激光器的SOA和增益芯片的基本公式，并详细讨论。据我们所知，目前还没有类似主题的论文。在第2节中，将讨论这两种芯片的设计思想，及传统设计的区别。在第3节中，解释了具有SOA或增益芯片的可调激光器的细节。在第4节中，讨论了一些模拟结果和设计概念的比较。最后，第5节给出了结论。

2.SOA与增益芯片的设计思想

SOA的结构非常重要。设计概念基本上基于传统的SOA或激光器，两者略有不同。

2.1 SOA设计理念

可调激光器SOA的设计类似于线路上SOA，除了偏振相关性不同[10-11]。线路上SOA广泛应用于光网络系统中。SOA使用单程增益介质，因此可将SOA单程中的增益Gs表示为：

2.1.1残余反射

假设增益g是载流子密度的函数（见第2.1.2节）。随着注入电流的增加，载流子密度N也随之增加。抗反射（AR）涂层的端面反射率通常非常低，但实际上存在残余反射。反射率为，其中R1和R2分别是前面反射率和背面反射率。考虑到往返增益，激光振荡条件为（Gs R）2=1。因为增益不能由于激射而增加，所以R应该尽可能低以获得更高的增益。这就是为什么SOA的两个端面均有抗反射膜（AR），并使用斜波导的原因。最近，端面反射率已经达到低于10-4，这是SOA所必需的。残余反射会导致增益纹波，这部分与波长增益相关。这也被称为噪声系数的原因。如果残余反射率低于10-4，Gs将为40dB。在用于放大可调激光输出功率的实际应用中，小信号非饱和增益将在20dB左右。在这种情况下，在可调激光源中使用的增益纹波和噪声可以忽略不计。根据参考文献[12]，增益波纹深度m可以描述为

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2.1.2饱和光功率

为了设计SOA，理解以下载波速率方程[14]是很有用的：

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2.1.3偏振问题

前面讨论了端面的低残余反射和高饱和功率。因为这种SOA仅在可调激光器前面使用，所以还需要一些其他功能。与通过注入达电流获得的宽增益带宽相比，我们更关注偏振相关性。

一种非常常见的有源层结构为多量子阱（MQW）。量子阱具有多个薄层，因此电子在垂直方向上的能级可以被量化，增益则具有方向依赖性。量子阱中存在重空穴和轻空穴。重空穴只能产生横向电（TE）模偏振，而轻空穴可以同时产生TE和TM模式偏振。光通信网络中的SOA通常需要同时获得TE和TM模式增益以确保偏振无关[16-17]；然而，在可调激光器前面使用的SOA仅需要TE模方向的偏振增益。为了增强从电子到重空穴带的跃迁，我们使用压缩应变量子阱。这可能与增益芯片的有源层非常相似，但更容易在可调激光器上单片集成SOA。由于SOA的注入电流密度与增益芯片非常不同，为满足高饱和功率需求，SOA的光学限制因子较低，因此，与增益芯片相比有源层应该彼此不同，增益芯片应混合集成。

2.2增益芯片设计

作为有源层的MQW是SOA或激光器最常见的增益介质。了解如何用量子力学理论设计量子阱非常有帮助。本文仅介绍了一种基于基本参数的增益设计。单位长度增益是有源层的电流密度的函数，它可以描述为：

也就是说，内部和镜像损耗的总和应通过增益进行补偿。这里，镜像损耗是增益区域中单位长度的出射光。在公式（10）中，所有参数都是针对单位长度定义的。腔长也是一个重要参数。外腔激光器可以作为等效FP激光器进行处理，如图2所示。等效背面反射率R2包括增益芯片和外部腔之间的耦合损耗、外部波导中的传播损耗以及外部波导末端的反射。

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因此，功率与电流减去阈值电流成正比。如果增益高于阈值增益，则光输出将继续增加，并且载流子密度必须箝位在其阈值。也就是说，能量从超过阈值电流的多余能量带来光输出。在激光操作中，载流子密度不能更高。另一方面，SOA中的载流子密度可能会更高，这是由于小R1和R2导致非常高的阈值电流。这是SOA和激光器之间最大的区别。通常认为SOA的设计原理与激光设计相反。SOA需要大量的载流子来在一个方向上放大光，并且应该避免腔中的载流子耗尽。

增益带宽也是增益芯片的一个重要指标。为了实现非常宽的增益带宽，阈值处的载流子密度应该大于普通激光器的载流子密度，但不应该太高。腔的反射率相当低，如5%，因此阈值密度自然增加；然而，这还不够。为了调节载流子密度，与普通激光器相比，在有源层处最好采用较少数量的量子阱或较低的光学限制因子。

2.3总结

增益芯片的设计理念是：可调滤波器侧端面上低反射率，低光学限制因子，高增益带宽。

SOA的设计理念是：实现具有低反射率和低光学限制因子的高阈值电流。

3.S带SOA的可调激光器

本节展示了具有增益芯片和SOA的可调激光器的一些示例。通常，SOA的可调激光器配置有三类，如图4所示。

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第一种类型是具有集成SOA的阵列分布式反馈（DFB）激光器[20-23]。这种类型有着悠久的发展历史。在这项研究的早期，DFB激光器的数量有限，光学耦合器是带SOA的多模干涉（MMI）耦合器或不带SOA的微机电（MEMS）耦合器[24]。在MMI耦合器的情况下，光损耗很大，因此需要SOA。这种具有SOA的类型适合于单片集成，并且其波长调谐机制简单，只调谐芯片的温度。对于单片集成，有源区和无源区的波导通过对接接头技术分别生长。对于激光器区域和SOA区域都使用相同的有源层，这使得SOA设计受限。

第二种类型是利用两个光栅区的游标效应的分布式布拉格反射器（DBR）可调激光器，这可以通过很多方法实现，如采样光栅[25]、数字采样（DS）DBR[26]和啁啾采样光栅[27]。在本文中，采样光栅不是主题，因此不进行讨论。由于DBR的反射率必须相当高，直接来自DBR可调激光器的输出功率将不够高。因此，通常需要在DBR激光器之后增加SOA。以与DFB阵列型相同的方式，其他两种类型的SOA可以通过对接或离子注入技术[28]在同一芯片上单片集成，作为可调激光器部件，也使用相同的有源层。

第三种是带增益芯片的外腔可调激光器[5，18，29]。可调激光器配置为有反射器和增益芯片构成的外部可调带通滤波器。如上所述，该增益芯片可以被处理为具有外部滤波器的前端面反射镜和后有效反射镜的FP激光器。在硅可调滤波器的情况下，增益芯片和滤波器芯片混合集成。因为很难直接从增益芯片获得高输出功率，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不能单片集成。因此，SOA设计更自由，而不用考虑光学限制因子和高饱和功率的限制。缺点是芯片之间难以进行光学耦合，例如滤波器和增益芯片以及增益芯片和SOA之间的耦合。为了实现低耦合损耗，需要先进的封装技术。

4仿真实例与讨论

在本节中，我们主要讨论光学限制因子。图5显示了测量的光信号增益作为放大输出功率的函数的示例。随着输出功率的增加，信号增益变得饱和。增益减小3dB的点被称为饱和增益。随着注入电流的增加，最大输出功率也会增加，但即使注入电流不断增加，它还是会饱和。

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最后，表1总结了所有的设计原则，其中增益芯片设计介于SOA和激光器设计之间。关键参数是光学限制因子。在实际设计中，很容易将光学限制因子转换为量子阱的数量。除了端面反射率，增益芯片设计的有源层与SOA的有源层非常相似，然而如上所述，光学限制因子略有差别。SOA与激光器的单片集成几乎可以很好地工作，但SOA性能首先。另一方面，根据原理，混合集成应该能获得更好的光学性能，但需要先进封装技术确保耦合效率。

5总结

本文介绍了用于波长可调激光器的SOA和增益芯片的设计原则。SOA的光学限制因子应该较低以获得高饱和光功率，并且仅针对TE模式偏振进行优化。增益芯片的光学限制因子应该比普通激光器的光学限制系数低，并且其长度应该更长。设计外腔的有效反射率以优化外腔激光器的性能也是很重要的。

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