【ch07】半导体光放大器 (SOA)

半导体光放大器(SOA)第七章半导体光电子学

01概述7.1概述

激光器和光放大器并无本质区别，常称激光器为“莱塞”或在我国台湾称为“镭射”,是英文缩写字Laser(lightamplificationbystimulatedemissionofradiation)的谐音。其意是受激辐射的光放大。故早期曾称Laser为光放大器，后来才更准确地称Laser为激光振荡器或简称激光器。事实上，包括半导体激光器在内的其他一些激光器都可作光放大器，都能在有外部能量注入或泵浦下，对受激发射光子进行放大。所不同的是激光器是对谐振腔内增益介质内部所产生的光子的谐振放大，谐振腔是激光器的重要组成部分。而现在所指的光放大器则是对外部来的光子进行放大。半导体激光器芯片是由半导体增益介质晶体解理面构成的F-P腔，前端面(输出端面)与后端面有相同但较低的反射率(约0.31～0.32)。因此最早就是将外来光信号耦合进半导体激光器的后端面，使外来光子在谐振腔内引起光子受激发射、振荡和放大，这就是最早出现的法布里一珀罗半导体激光放大器(FP-SOA)。7.1概述

因为F-P腔本身所具有滤波条件决定着FP-SOA只能使外来光子波长对准谐振主模才能获得最大增益，这对FP-SOA芯片的温度稳定性要求相当高而无法应用。取而代之的是设法去除谐振腔效应(即对解理面进行理想增透),外来光子在半导体增益介质宽的增益谱内均能得到放大，在这种结构中外来光子只是单次在增益介质内行进过程中得到放大，这就是目前普遍应用的行波半导体光放大器(TW-SOA)。图7.1-1表示半导体激光器(LD)、FP-SOA和TW-SOA的区别。7.1概述

拉动SOA发展的最初动力是20世纪70年代开始的光纤通信。随着光纤通信优越性被逐渐认可，一些工业发达国家竞相研发光纤、半导体激光器、探测器，并在此基础上发展局部的光纤通信实验或示范系统。所开发的第一个光纤低损耗窗口波长为850nm,损耗约为4dB/km。当时信号传输速率较低(数Mb/s至数十Mb/s),光纤通信传输距离主要由光纤的损耗决定。例如，美国1980年实施的FT3光纤通信系统(45Mb/s),“光—电一光”中继距离仅为7km;1982年由武汉邮电科学研究院所开发的我国首条横跨武汉三镇全长13km光纤通信示范系统(8Mb/s),就用了两个这样的“光一电一光”中继站。很自然想到能否对经光纤传输所衰减的弱光信号用光放大器将其直接放大而不经电域的转换。这无疑能节约光纤通信的成本和中继站的场地占用。首先所研究的光放大器就是半导体光放大器。1980年日本电报电话公司(NTT)所属的两个研究所先后报道了对FP-SOA和TW-SOA的研究结果。1983年开始，本书作者所领导的课题组在我国率先开展半导体光放大器的研究，并一直受国家多种研究计划的支持，对半导体光放大器及其应用开展了持续20多年的研究四。7.1概述

自20世纪80年代开始，光纤通信的优越性不断显现，使信息传输速率和传输距离都得以迅猛发展。石英光纤的衰耗由最初850nm波段的4dB/km很快降至1310波段的0.4dB/km和1550nm波段的0.18dB/km;光纤通信也很快由短距离的城域网扩展到连接省会城市的骨干网；单一波长的传输速率也由初期的数Mb/s发展到Gb/s量级。

长距离的光信息传输迫切需要光放大器直接对经光纤衰减的光信号进行能量补充或放大以代替传统的光—电一光中继站。且不谈传输距离数千乃至数万千米的海底光纤通信所需数量众多、装设和维护成本高昂的光—电一光中继站，即使是对于陆地数千千米的传输距离，如果采用这种中继站的话，其成本和能耗都将达到难以容忍的程度。7.1概述

然而，迄今为止，光放大器仍还不能完全取代光—电一光中继站的功能，而只能对经光纤衰减的光信号脉冲幅度进行再放大(reamplifying)。而高速光信号脉冲在传输过程中将不可避免地受到色散积累所造成的光脉冲展宽或畸变，用于同步的时钟信号在长距离传输中也将出现脱拍或歪斜。

光放大器虽不能取代光—电光中继，但却能大大延长这种光—电一光再生中继的距离。即使目前有超低噪声的喇曼光放大器的参与，能使这种光—电一光再生距离达到2500km以上，毕竟还未实现全光再生。利用半导体光放大器在光子集成方面的优势实现上述对光信号脉冲3R全光再生的努力一直在进行，还有很大的创新空间。这将在7.3.2节提到。7.1概述

英国通信研究实验室(BTRL)为将SOA用于实际的光纤通信系统，于1986年研发出具有封装结构的SOAI²|,1990年BTRL还与杜邦公司一道开发出SOA产品，并用其进行了现场试验。然而就在这时，一个对光纤通信扩容产生革命性影响的波分复用(WDM)技术在酝酿和研究之中，它能在一根光纤中传输波长间隔很小(0.8nm、0.4nm,甚至0.2nm)且数以百计的不同波长。

然而WDM的优越性是以有光放大器与之配合使用为前提的，同时WDM应用也给光放大器的增益、增益的偏振相关性、饱和输出功率、噪声指数、平坦增益谱宽等特性提出了高的要求。面对WDM必然发展趋势，当时基于体材料的SOA性能难以满足。与此同时另一种光放大器——光纤放大器(EDFA)却悄然发展并显示出强大的生命力。7.1概述

诸如：和半导体激光器同样有小的体积和重量；和半导体激光器同样是直接注入电流产生增益，量子效率高；功耗低，在同样的光增益和输出功率时，其功耗仅为EDFA的十分之一以下，而低功耗是当今绿色通信所要求的；具有和其他半导体光电子器件单片集成的能力，这在7.3节还将强调；因其增益介质与同波段的半导体激光器相同，因而可获得与半导体激光源相对应的任何波段的半导体光放大器。正是这些独特的优点，即使光纤通信系统对光信号直接放大的初衷首先由EDFA实现，但始终没有放松对半导体光放大器的研究，而是以EDFA为参照点，扬长补短地将其性能不断提高。例如所发展的基于量子阱材料的光放大器，提高了其增益特性、输出功率，降低了噪声指数；以张应变量子阱作增益介质，改善了增益的偏振相关性等。另外，同样依靠它自身的优势，半导体光放大器在波长变换等全光信号处理、光子集成和光纤接入网中等方面显现出好的应用前景。02半导体光放大器的性能要求2.1半导体光放大器的增益特性2.1半导体光放大器的增益特性

前面已提到，有实用价值的半导体光放大器是行波型的。为说明此问题，不妨以早期的法布里-珀罗半导体光放大器的增益特性作为比较。FP-SOA实质上是具有增益介质的法布里-珀罗标准具。由物理光学可知，外来光信号所获得的谐振增益为

式中，R₁和R₂分别为-法布里-珀罗腔的腔面反射率；vo为法布里-珀罗腔的谐振频率(或对应的波长);v为输入光频率(或波长);△v为法布里-珀罗腔的自由光谱范围，对含有增益介质的法布里-珀罗腔，△v即为光子振荡纵模的频率间隔△v(=c/2nL);Gs为输入光在半导体增益介质内所获得的单程增益，即2.1半导体光放大器的增益特性

式中，F为有源区内光模场限制因子；g为有源区内由注入载流子浓度和微分增益所决定的材料增益系数；α为有源区内材料的内部损耗系数；L为法布里-珀罗腔长。对FP-SOA,腔面即半导体晶体自然解理面，有R₁=R₂=R,则式(7.2-1)简化为

对FP-SOA,还要求外部输入光频率应和增益谱的峰值频率相对应，才能获得最大的增益。只要输入SOA的光波长有少许漂移或法布里-珀罗腔的谐振波长因温度变化发生漂移都会造成光放大器增益的急剧下降，除非在海底那样的恒温环境中或能将SOA芯片温度控制在±0.005℃,否则是很难有实际应用价值的。2.1半导体光放大器的增益特性

面对FP-SOA所固有的问题，必须发展行波半导体光放大器。可以看到，只有对SOA芯片自然解理面实施理想增透，使R→0,才能获得理想的行波光放大器。光信号在TW-SOA中所获得的是由式(7.2-2)所表示的单程增益，而不希望光子有任何谐振效应。为尽可能提高单程增益，关键是提高半导体增益介质的增益系数，这在第6章中已有较详细的讨论。

从体材料发展到低维量子材料都是围绕着提高微分增益、减少各种载流子非辐射复合损耗，以减少透明载流子浓度，进而提高材料的增益系数。因为半导体增益介质通过载流子的注入可以获得高的材料增益系数。例如，用量子阱材料，其增益系数可高达10³cm⁻¹量级，比体材料高出一个量级，这就是为什么半导体光放大器相比光纤放大器在很短的增益介质长度下仍能获得高增益的原因所在。增益饱和与增益压缩在恒定的直流偏置下，在一定范围内增加光放大器的输入光功率，其输出光功率将线性增加，这是光放大器在光纤通信传输系统中应用所需要的。然而，当输入光功率超出某一限度后，输入光引起载流子过度的受激复合而使放大器的增益下降，即光放大器出现饱和。而利用这种饱和特性可将半导体光放大器用于全光信号处理(如波长变换等).增益饱和与增益压缩输入光强和注入载流子浓度增加到一定程度后，都将使得反转粒子数减少，载流子受激辐射速率达到饱和。上述增益饱和是量变-质变规律的体现，也是增益介质中电子-光子相互作用的客观规律的反映，这将对包括半导体激光器和半导体光放大器在内的光增益器件的性能产生影响。半导体光放大器的饱和输出功率可表示为2.1半导体光放大器的增益特性增益饱和与增益压缩式中，hv为入射光子能量；A和T分别为半导体光放大器有源区的横截面积和光场限制因子；。为输出耦合系数；x为载流子寿命；dg/dN

为微分增益系数。定义光放大器增益下降3dB所对应的输出功率为饱和输出功率(PdB),如图7.2-2所示。根据该图可拟合出光放大器的净增益(即输入光纤与输出光纤之间不含光纤与SOA耦合损耗所得增益)为增益饱和与增益压缩式中，G,为小信号增益；输出功率Pu和Ba以dBm为单位。为获得高饱和输出功率从而满足要求高的线性增益的应用，可根据式(7.2-5)和式(7.2-2)对半导体光放大器的材料参数和器件结构参数做出合理和折中的选择。要注意尽量减少增益介质中自发发射功率对半导体光放大器饱和输出功率的影响。特别是有多个半导体光放大器级联时，前一个光放大器的自发发射功率(-3dBm左右)将对后一级光放大器的饱和输出功率产生明显影响。2.1半导体光放大器的增益特性增益饱和与增益压缩增益压缩是指增益介质内由于载流子消耗速率与补充速率的失衡使材料增益系数下降的一种效应。普遍认为造成增益压缩的原因在于光谱烧孔和载流子加热。光谱烧孔在其他一些增益均匀加宽介质中也会发生，在半导体增益介质中则表现为在信号波长附近，由于载流子的过度消耗而对材料增益系数抑制，从而在信号波长附近出现一个凹陷增益饱和与增益压缩增益抑制的大小不仅取决于注入载流子辐射复合的速率，还取决于通过带内松弛使载流子所填充的速率。2.1半导体光放大器的增益特性2.1半导体光放大器的增益特性2.2半导体光放大器的噪声特性

除喇曼(Raman)光放大器外，对任何用于放大光信号的光放大器，其噪声都是一个对信号传输和信号处理产生不利影响的因素。因为放大光信号的同时，也对噪声进行了放大。客观评价光放大器本身噪声特性的参数是噪声指数(NF),定义为放大器输入光信号的信噪比(S/M)m与经光放大器放大后输出的光信号的信噪比(S/N)out之比，即

对波分复用光纤通信传输系统中所用光放大器，其噪声指数直接对系统所要求的光信噪比OSNR(以dB为单位)的重要影响为2.2半导体光放大器的噪声特性

式中，Pu为光放大器的输出功率(dBm);Na为参与复用的信道(波长)数；L,为光纤链路内光放大器跨度(span)光纤的损耗(dB);N为所用光放大器的个数。显然光放大器的NF每减少1dB就相当于减少其输出功率1dBm或延长传输跨度5km(假定光纤损耗为0.2dB/km),或可增加复用的信道数。

半导体光放大器增益介质所固有能带结构和较强的自发发射，使它与光纤放大器相比，其噪声特性有所逊色。半导体光放大器的噪声是在增益介质内电子与光子相互作用中所产生的光强与相位的随机起伏所致。在物理上可借助量子力学中的多模速率方程和光子统计来分析；数学上是一个随机统计过程。按一般随机过程的数字处理方法，将温度引起的光子数随机起伏用平均值表示。输出光子数的平均值表示为2.2半导体光放大器的噪声特性

式中，〈m〉为光放大器输入光子的平均数；G为光放大器增益；m.为有效横模数；△f₁为自发发射散粒噪声等效带宽；n为粒子数反转参数，表示为式中，n和no分别为注入的和透明的载流子浓度。考虑到半导体光放大器还有多种因素引起光子之间的复杂随机过程，并用方差表示随机量变化引起的噪声，即

2.3半导体光放大器的耦合特性由于半导体材料的特殊性，使它不能直接与其他光波导(如光纤)或光电子器件实施键合或融合，这又是半导体光放大器不及光纤放大器之处。既然只能是非接触的光耦合，又因被耦合的双方光波导结构往往存在差异(如圆形波导的光纤与平面波导的半导体光电子器件),要求实现光模场完全匹配的耦合从而实现低耦合损耗是非常困难的。如此大的耦合损耗对半导体光放大器的应用极为不利。我们所研制的单端耦合输入/输出的半导体光放大器，如图7.2-6所示图，是在前端面增透(R₁<10⁵)而后端面增反(R₂>0.95),这种结构现在称为RSOA,在光纤接入网中有着重要的应用。然而这种结构虽减少了一次耦合工艺但光信号仍经历两次耦合损耗。

2.3半导体光放大器的耦合特性与半导体激光器一样，半导体光放大器有源区为厚度远小于宽度的平面波导结构，其光学远场为与输出近场(即距输出端面小于波长范围内的光场分布)相垂直且椭圆度较大的椭圆光场分布，这是光纤耦合损耗大的主要原因。为减少这种损耗已采取的措施是，对耦合光纤端部进行拉锥或进一步将光纤锥端浸入加温成液态的高折射率玻璃(如火石玻璃)中点蘸上一个小球，这种对光纤端部的微透镜处理有助于提高光纤与基于平面光波导的光电子器件的耦合效率。即使如此也只能使耦合损耗达到约3dB的最好结果。此外，还可以改善半导体光放大器的远场特性，可以采用5.3.3节所述的锥形有源区或其他形式的模斑变换器(spot-sizeconverter)。2.3半导体光放大器的耦合特性03半导体光放大器应用展望

3.1半导体光放大器在光纤通信传输网上的应用目前光纤通信骨干网上波分复用的波长范围集中在EDFA所能适用且符合ITU-T规范的C+L波段。由于受四波混频效应(四波混频效率反比于信道间隔的平方(△2)²)所限，在这两个波段依靠减少信道间隔从而增加复用的波长数正在趋于极限。开发其他几个光纤低损耗窗口(O,E,S波段),将从1250nm到1530nm波长范围用于光纤通信应为当务之急，其关键是还没有找到合适的光放大器。半导体光放大器可以方便地改变或调整化合物半导体材料的组成和组分、量子阱参数来得到所需的增益谱(波段)。它应是一种“全波(段)光放大器”。理论上，还可通过对不同中心波长的半导体光放大器进行串接来扩大增益平坦谱宽或并联使用来分别放大不同的波段，如图7.3-1(a)和(b)所示。关键仍然是要将单个光放大器的主要性能(特别是饱和输出功率、增益与偏振的相关性和噪声指数)进一步改善。3.1半导体光放大器在光纤通信传输网上的应用

3.1半导体光放大器在光纤通信传输网上的应用光纤接入网使通过骨干网、城域网传输的光信息进入千家万户的各个光网络单元(ONU),并实行双向通信。无源光网络(PON)已被确定为接入网的基本网络架构。如图7.3-2所示，从光链路终端(OLT,位于中心局端)经光分配网(ODN)将信息分配至各ONU。目前ODN利用大分支比(如1:32)的光分束器或1:64的列阵波导光栅(AWG);还可以用小分支比(例如1:8)分路逐级串分至数以百乃至千计的ONU。因在OLT与ONU之间全是无源器件，故能体现在功耗、成本和可靠性方面的优势。目前接入网用时分多址(TDMA)方式将信息广播式分发给各ONU;由ONU上传至OLT的时分复用信号需经过复杂的测距、时隙同步过程。随着ONU数量的增加，时隙冲突将显现。正在取而代之的方案是WDM-PON。如果每个ONU占一个特定上传波长，这虽可避免TDM的缺点，但必将增加ONU的成本。

3.1半导体光放大器在光纤通信传输网上的应用克服此问题的方案之一是利用前面提到的RSOA。利用SOA宽的增益谱，众多ONU可以用相同的RSOA,即实现与用户所占用波长无关的所谓无色ONU。如图7.3-3所示的原理图只是利用RSOA实现WDM-PON的一例。由中心局(CO)下传的信号可以是广播式的时分复用(TDM)方式直接分配到各ONU,也可如图7.3-3所示将WDM信号在接入节点(AN)由AWG解复用后再将某一波长的光信息以TDM方式分配至多个ONU。在ONU利用分束器中的一路接收下传信号；另一路连接RSOA。而多个ONU可使用同一种型号的RSOA,避免每一ONU单独使用一个特定波长的激光器。这类比于在WDM系统光发射机中使用可调谐半导体激光器的优越性。3.1半导体光放大器在光纤通信传输网上的应用3.1半导体光放大器在光纤通信传输网上的应用

3.2半导体光放大器在全光信号处理中的应用用光子学方法改变或控制光信号形态(如路由、调制格式或码型转换、再生等)或实现