新穎的雙有源層結(jié)構(gòu)獲得寬增益光譜，應(yīng)用于多波單纖雙向光放大

----翻譯Xiao Sun等人2016年撰寫的文章，文中給出了寬光譜SOA的一種新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和仿真結(jié)果，但并未給出噪聲系數(shù)、偏振、以及波道串?dāng)_等通信相關(guān)特性分析，期待后續(xù)樣品制作和實(shí)測結(jié)果

近年來，半導(dǎo)體光放大器（SOA）在不斷發(fā)展的光通信網(wǎng)絡(luò)，特別是長距離無源光網(wǎng)絡(luò)（LR-PON）中顯示出巨大的應(yīng)用前景。這些網(wǎng)絡(luò)有助于減少所需的光線路終端(OLT)站點(diǎn)的數(shù)量（即減少到幾個主要的CO中心局）[1,2]。然而，很少有包含光纖放大器的LR-PON，例如摻鉺光纖放大器（EDFA），這是因?yàn)镋DFA的工作區(qū)域僅限于C（1524-1544nm）和L（1565-1625nm）波段[3,4]。

而SOA是一種更有前途的技術(shù)，可用于LR-PON[5,6]。這是因?yàn)镾OA可以工作在更寬的波段范圍。SOA提供超寬波長窗口（約 1280–1650nm）、在大輸入功率電平范圍內(nèi)（通常高達(dá) 0dBm）的恒定中等增益（約 15dB）、大增益帶寬（約 60–100nm）和中等噪聲系數(shù)（約7–8dB）[7]。此外，全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)(FSAN)和國際電信聯(lián)盟(ITUT)電信標(biāo)準(zhǔn)化部門最近定義了下一代無源光網(wǎng)絡(luò)（NGPON）波長窗口。在這個窗口內(nèi)，已經(jīng)確定了初步的TWDM-PON，其中，上行波長在C波段，下行波長范圍在L+波段（1596–1603nm）內(nèi)[8]。相比之下，在WDM-PON中，采用了C和L波段（即1524-1625nm）的全光譜[8]。因此，SOA 必須具有至少80nm的3dB帶寬，以完全覆蓋上下行工作波長。

在這項(xiàng)工作中，我們提出了一種新的SOA結(jié)構(gòu)，可以作為雙向器件，在NGPON中同時進(jìn)行上行和下行放大。我們的SOA的3dB增益帶寬顯著擴(kuò)展至107nm（1513–1620nm），具有較大的線性增益（>20dB）和超寬線性輸入范圍（高達(dá)6dBm）。我們對提出的SOA進(jìn)行了處理，使其具有淺蝕刻脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，長度為1.5mm，脊寬為5μm（見圖1）。結(jié)構(gòu)的兩個端面都具有抗反射涂層，可將端面反射率抑制在0.005%以下，從而確保單向傳輸特性。為了進(jìn)一步降低反射率，波導(dǎo)與刻面的法線成8°角傾斜。在我們的設(shè)計中，輸入光波水平進(jìn)入任一端面，從而通過沿SOA長度傳播過程中發(fā)生的電子-空穴激發(fā)復(fù)合被放大。

我們的SOA設(shè)計背后的基本思想是零維淺量子點(diǎn)QD在二維量子阱QW層上生長，從而產(chǎn)生了我們的雙有源層DAL結(jié)構(gòu)。為了獲得圖1所示的外延結(jié)構(gòu)，我們在n摻雜的GaAs襯底上生長QW和QD。有源區(qū)由單層自組裝GaInNAs的量子點(diǎn)QD組成，及一個平均直徑為4nm，7.5nm厚的 GaInNAs量子阱QW 層。我們將GaInNAs材料用于制作量子阱QW和量子點(diǎn)QD結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗cGaAs完全晶格匹配，并且具有通過控制氮組成實(shí)現(xiàn)覆蓋寬范圍光通信波長（1250-1650nm）的潛力[9]。DAL結(jié)構(gòu)的最后一部分是33nm厚的GaAs阻擋層，可提供應(yīng)變釋放。DAL夾在1.2μm厚的p摻雜層和n摻雜的砷化鋁鎵（AlGaAs）包層之間，形成波導(dǎo)的垂直結(jié)構(gòu)。頂部和底部接觸層用于電流供應(yīng)，使電子可以穿透到DAL中。

我們還建立了一個全面的SOA數(shù)字化模型，該模型基于載流子速率和光傳播方程，可用于模擬我們提出的DAL SOA的放大性能[10]。我們計算了與該模型的 QW 和 QD 有源區(qū)域相對應(yīng)的材料增益，并與與傳統(tǒng)QW SOA的材料增益對比，如圖2所示。傳統(tǒng)的量子阱QW SOA僅覆蓋TWDM-PON上行波段，而對于DAL SOA，我們可觀察到兩個正增益峰值，分別對應(yīng)量子阱QW 和量子點(diǎn)QD。

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為了進(jìn)一步檢驗(yàn)DAL SOA的放大性能，我們將兩個光輸入波長（1540和1600nm）注入SOA的兩端，方向相反，模擬TWDM-PON上行和下行光信號。對于不同光輸入功率，兩個信號的放大增益如圖3所示。我們發(fā)現(xiàn)，這兩個信號分別通過QW和QD的受激發(fā)射同時放大。兩種波長的線性增益都在10-15dB范圍內(nèi)。QW+QD有源層的3dB輸入飽和光功率Psat表現(xiàn)了良好的線性特性（>–2dBm），尤其是QD層，其中Psat是>6dBm。

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在我們的工作中，我們還設(shè)計了一個多雙有源層（MDAL） 結(jié)構(gòu)，通過它我們可以進(jìn)一步拓寬我們提出的DAL SOA 的增益范圍。三DAL結(jié)構(gòu)如圖4所示。因此，在MDAL中，總增益是每個單獨(dú)DAL增益的總和。我們對MDAL SOA和傳統(tǒng)多量子阱MQW的增益進(jìn)行了比較-見圖5-結(jié)果顯示，兩種結(jié)構(gòu)的增益頂均平坦，線性增益值明顯（超過20dB）。此外，我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)MQW SOA的3dB增益帶寬為61nm（在1513和1574nm之間）和MDAL SOA的107nm（在1513和1620nm之間）（即帶寬幾乎是其兩倍）。因此，可以使用單個 SOA 設(shè)備來放大最大可能的波長通道數(shù)。因此，我們新穎的寬帶DAL SOA設(shè)計是未來TWDM-PON或WDM-PON基礎(chǔ)設(shè)施的最優(yōu)選擇。

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綜上所述，我們提出了一種新型的雙有源層半導(dǎo)體光放大器DAL SOA設(shè)計，可用于同時進(jìn)行上行和下行信道放大，從而實(shí)現(xiàn)LR-NGPON。我們還開發(fā)了一個全面的數(shù)字模型，其中包括載波速率和光傳播方程。仿真結(jié)果表明，單個DAL SOA的最大增益為15dB。此外，在107nm帶寬（覆蓋C和L波段）上，可以通過多DAL結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)>20dB的增益。我們未來的工作將涉及進(jìn)一步優(yōu)化我們的 DAL SOA 設(shè)計，以實(shí)現(xiàn)增益和帶寬改進(jìn)。我們還希望制作一個用于實(shí)驗(yàn)演示的 DAL SOA 樣本。

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注：本文由天津見合八方光電科技有限公司挑選并翻譯，旨在推廣和分享相關(guān)SOA基礎(chǔ)知識，助力SOA技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。特此告知，本文系經(jīng)過人工翻譯而成，雖本公司盡最大努力保證翻譯準(zhǔn)確性，但不排除存在誤差、遺漏或語義解讀導(dǎo)致的不完全準(zhǔn)確性，建議讀者閱讀原文或?qū)φ臻喿x，也歡迎指出錯誤，共同進(jìn)步。

審核編輯 黃宇