半導體前置光放大器的設計和制作要點

李洵 左成亮 董智星

摘要：介紹了用于接收端探測器前置放大的半導體光放大器的核心設計要點及其與普通半導體激光器在實際制作中的幾個不同點。半導體前置光放大器的設計核心是如何抑制其中的自發輻射并被伴隨放大的噪聲，對于邊入射型的器件還要考慮其增益偏振相關性的消除。半導體光放大器一般具有少阱和低光場限制因子的長增益區結構，在這點上它與高速直調半導體激光器有著最大的區別。

半導體光放大器；接收端前置放大；ASE噪聲；增益偏振相關度；增益-帶寬積；飽和功率

This paper has its focus on the essential design consideration of semiconductor optical amplifiers for optical signal pre-amplification in optical receivers. It also briefs some differences from semiconductor laser diodes in their fabrications. In considering the design of pre-amplifiers， the amplified spontaneous emission （ASE） noise needs to be suppressed and their gain polarization dependence （in edge incidence device only） needs to be eliminated. Semiconductor optical amplifiers also have longer active regions with fewer quantum wells and lower optical confinement factors， which makes them different from directly modulated semiconductor laser diodes.

semiconductor optical amplifier； receiver pre-amplifier； ASE noise； gain polarization correlation； gain bandwidth product； saturation power

半導體光放大器（SOA）的主要作用是對光信號功率進行直接線性放大，利用其增益飽和所產生的穩態及動態非線性效應，SOA還可被用于實現某些非線性功能，例如：在光轉發器中把某一波長上的光信號直接復制到另一波長上，在基于波分復用無源光網絡的光纖接入網中、在用戶光網絡單元中對光信號進行擦除或功率均衡，或在全光網絡中對不同波長光信號進行直接轉換或邏輯處理，或對光信號的消光比進行直接提升等等。

在線性放大應用中，對SOA的具體要求包括高增益、高飽和功率（即能確保線性放大的最高輸出功率）、低噪聲指數（輸入信號信噪比與輸出信號信噪比之比值）、低增益偏振相關度，及寬增益譜等。這類應用具體又可區分為發射端光源后置放大，即使用SOA對激光器輸出的光信號進行放大以提高其入纖功率；在線放大，即使用SOA對光纖中在線傳輸的光波信號進行直接放大；接收端探測器前置放大，即使用SOA對到達接收端的光波信號先進行放大再通過探測器進行光電轉換。

發射端光源后置放大主要需要高增益和高飽和功率，當用于可調諧激光器或多波長激光器陣列合波后的后置放大時，還要求寬增益譜。由于剛由激光器產生的光波信號具有很高的信噪比，激光器的輸出光又具有確定的偏振方向，所以對用于后置放大的放大器噪聲指數及增益偏振相關度要求不高。

在線放大對放大器的特性要求最全面也最高，除需要高增益和高飽和功率之外，還需要考慮如何降低放大器自發輻射噪聲（ASE）和如何實現增益的低偏振相關度。事實上，前述所有對于線性放大的一般要求在在線放大應用中都需要達到。

接收端探測器前置放大需要在一定的增益下具有極低的噪聲指數以及低增益偏振相關度，由于接收端的入射功率很低，所以對飽和功率要求不高。

由于某些指標對（例如：寬增益譜與低噪聲指數）與SOA設計參數之間的依賴關系是互相矛盾的。所以，一般SOA的設計制作只能針對特定的具體需求在不同特性指標上有所突出和舍棄。文章中，我們將主要分析與討論用于接收端探測器前置放大的SOA設計與制作要點[1-2]。

1 接收端前置放大器的

設計要點

普通的PIN光電二級管光電探測器只能完成光電轉換而沒有增益，所以靈敏度有限；而雪崩光電二極管（APD）實質上是一個PIN（光電轉換）加電放大。盡管其靈敏度較高，但因電放大過程受載流子渡越時間限制，帶寬一般難以達到50 GHz以上。如果我們把上述過程轉變為光放大加PIN（光電轉換），則在保持高靈敏度的同時還可以解決帶寬受限問題，因SOA的基帶寬度可遠遠大于50 GHz。理論上行波型SOA中的入射光波僅單程穿越增益區，所以對信號的基帶帶寬沒有限制。此時，穿越增益區波導所花費的時間僅引起延遲，其效果與在普通波導例如光纖中傳輸是一樣的，只是光信號的幅度被放大而已。諧振型SOA的入射光會在增益區中往復折返傳輸，所以其信號基帶寬度受到光波信號穿越增益區所需要的時間限制，但即使增益區的長度達到1 mm，光波信號的穿越時間也不到10 ps，所以一般SOA的基帶寬度達到100 GHz是容易做到的。這樣采用SOA做前置放大加PIN的方案在增益-帶寬積上是可以大大優于APD的。但是相比于APD，SOA的ASE噪聲會對靈敏度帶來嚴重影響，所以可用于接收端前置放大的SOA需要解決的首要問題是如何有效地抑制其ASE噪聲。

其次，對于面入射型的PIN，SOA與之集成的最簡便方式是也采用垂直腔面入射式的結構。這種方式結構簡單，又能通過一次外延生長制備，還具有便于二維陣列集成等優點。它的一個顯著優點是由于其波導的圓對稱性，只要使得材料增益支持平面內的偏振，則整個器件的增益就不存在偏振相關性。但這種器件的一個突出缺點是其增益區受外延層厚度限制而無法做長，于是整個SOA的單程增益過低。為了等效延展增益區長度，必須設計反射Bragg光柵形成諧振光腔，以使入射光波信號在被置于諧振腔內的增益區往復折返。但這樣做的代價是損失了增益譜帶寬，從而導致面入射型的SOA-PIN的增益帶寬積一般只能做到在100 dB-nm左右。為了突破對增益-帶寬的這一限制，有必要采用邊入射型的（即傳統的）SOA結構，它的增益區長度可以不受限制，但一個必須要解決的問題就是要消除器件增益的偏振相關性[3-5]。

1.1 對ASE噪聲的抑制

前文已經說明為了盡量降低對放大后的光波信號的信噪比劣化，在SOA設計中首先要考慮的是如何使輸入耦合損耗降至最低，以保證入射信號功率不受損失。減小耦合損耗的一般方法是在波導的輸入（或同時在輸出）端口設計一個集成的模斑變換器，從而擴大波導在端口的模斑，使其與光纖的模斑盡量匹配。需要注意的是：這個模斑變換器需要有注入也同時提供增益，或者是透明的，而不能對入射信號光波有吸收，否則同樣劣化信噪比，失去了模斑變換的意義。一個典型的帶有楔形模斑變換器設計的SOA如圖1所示。盡管這種變換器設計和制作簡單，但只對展寬截面光場的橫向分布比較有效，對更為嚴重的也是耦合損耗主要來源的縱向分布展寬作用微小。為了解決這一問題，可以在增益區之下引入第二波導，并利用楔形區通過逐漸減弱脊條對光場的限制使得光場逐漸下移，直至其部分耦合至第二波導，這樣整個縱向光場分布將被增益波導和下埋第二波導的共同作用所展寬，從而有效地解決耦合問題。這種變換器的設計和制作我們正在進行之中，更詳細的討論已超出了本文的范圍。

降低放大器的ASE噪聲需要降低增益區內的載流子濃度，由于隨機的自發輻射正比于高能級上（即導帶內）的電子占有率，所以高（反轉）載流子濃度必然導致高ASE噪聲。降低載流子濃度自然是與追求高增益及高飽和功率相矛盾的，但考慮到ASE噪聲的貢獻主要來自于臨近輸入端口的放大器前段，所以可以考慮采用沿波導的非均勻增益區結構或非均勻注入在維持增益的同時抑制ASE噪聲。由于垂直方向的結構是依靠外延技術逐層生長的，盡管有選擇區域外延生長技術（SAG）可以在局部連續或突變性地改變生長平面內的薄層厚度，但在垂直方向上引入容易控制的層厚漸變結構仍然是很不方便的。一般方便采用的只有在水平方向上引入喇叭形結構以增加入射端口的波導寬度，這樣在同樣的注入條件下由于入射端口附近的增益區體積增大[6]，載流子濃度必然降低。特別需要我們注意的是：為保持注入電流的一致，電極條形必須仍然是均勻的，否則由于同一電極上的電壓一致，電極的寬窄只會影響到注入電流而不會改變電極下的電流密度。以脊波導為示例，這樣的結構示意如圖2。

降低ASE噪聲的再一個可能途徑是使自發輻射的光場盡量不被耦合到波導之中，這就要求波導具有盡可能低的數值孔徑。由于低數值孔徑與低光場限制因子的波導設計要求實質上是一致的，所以無須再采取附加措施。只是低數值孔徑的波導不利于入射光場的耦合，所以在入射端口尤其需要采取上述提到的特別措施。由于在入射端口附近特別需要抑制自發輻射，而模斑變換器的設計必然會增大波導數值孔徑，從而使得自發輻射光場更容易地被耦合到波導之中。這樣看來：理想的集成模斑變換器設計最好是采用無需注入的對入射光波長透明的寬帶隙半導體的材料，這樣就可以避免在此段具有較高數值孔徑的波導內產生自發輻射[7]。

為了確認上述對噪聲抑制的主要分析結果，這里再進一步展示一些仿真計算的對比結果。在輸入端口附近和在輸出端口附近抑制自發輻射的不同效果對比如圖3所示。

在同一注入但不同增益區體積下（從而載流子濃度不同）SOA的ASE噪聲功率如圖4所示。

在不同注入但相同增益區體積下（從而載流子濃度也不同）SOA的ASE噪聲功率如圖5所示。

由于載流子濃度相同但光場限制因子不同（即數值孔徑不同），從而導致波導捕捉自發輻射光場的能力有所不同，SOA的ASE噪聲功率如圖6所示。

顯然，所有的這些仿真計算的結果與我們之前的分析是完全一致的。

盡管提高增益和飽和功率及抑制噪聲對波導的設計要求是一致的，但其對增益區內的載流子濃度的要求卻是相反的，這意味著提高增益和飽和功率及抑制噪聲對于電流注入的要求是相矛盾的。由于抑制ASE噪聲需要在輸入端口附近施行，而由于沿途放大的作用，靠近輸出端口的增益區波導內光功率顯然更高。這樣在輸出端口附近的增益更容易飽和，于是提高飽和功率需要在輸出端口附近施行。很顯然，如果我們使得注入電流沿增益區波導長度方向呈非均勻分布，注入電流密度在輸入端口處最低，而后沿波導往輸出端口方向逐漸增高，這樣就可以使增益區內的載流子濃度在輸入端口附近較低，而在輸出端口附近較高，于是可以同時滿足抑制噪聲和提高飽和功率的要求。這樣設計的器件與普通均勻注入器件特性的對比如圖7所示，采用非均勻注入后對ASE噪聲的抑制以及對飽和功率的提高作用是十分明顯的[8]。

利用噪聲的非相干性，還可以考慮在頻域上或空域上濾除ASE噪聲。例如：可以考慮在放大器后集成一個光頻段的窄帶帶通濾波器，利用濾波器的選頻特性可以濾除通帶外的ASE噪聲，而通帶內的光波信號是不受影響的。實現這種方案的一個方便途徑是在波導的輸出端面蒸鍍具有帶通特性的膜系，使得通帶外的ASE噪聲被阻擋而無法輸出。空域上噪聲濾除的方式可以采用干涉的方法，即利用光波信號的相干性設計基于波導的干涉裝置（例如：波導光柵），受干涉的影響，光波信號被集中在輸出端口，而不受干涉影響的ASE噪聲卻無法集中在空間的某個特別之處，這樣就可以在空間上適度分離光波信號和噪聲，使得ASE噪聲被部分濾除。

1.2 增益偏振相關性的消除

針對如何降低SOA的增益偏振相關度或徹底消除其增益偏振相關性已有了大量的工作報道，其方案主要有以下3類：

（1）消除材料增益的偏振相關性并采用對稱波導設計，例如：使用體材料增益區結合基本呈正方形截面的掩埋結構，如圖8所示。

（2）使材料增益與波導非對稱各自引起的偏振相關性相消，例如：脊波導結構對與橫磁波（TE）偏振一般有著更大的光場限制因子，所以需要對增益區材料施以一定的張應變。由于張應變材料對于橫電波（TM）偏振的增益貢獻更大，所以一旦做到對TE和TM 2個偏振的模式增益（即光場限制因子與材料增益之積）一致，則因[eΓTEgTEL=eΓTMgTML]，所以整個器件增益的偏振相關性即可被消除。值得注意的是：完美的補償實際上是很難實現的，所以采用這種方案一般需要結合在平面內漸變彎曲波導的方法對不同偏振進行二次補償，如圖9所示。這種補償的原理為：平面內彎曲波導會使得水平偏振光產生輻射泄漏，而垂直偏振光所受到的影響則很小。考慮到自由空間中的平面波在波的傳播方向上不會有電磁偏振這一基本效應，我們就不難理解產生這一效應的原因。事實上，一旦波導在平面內產生彎曲，則導波的傳輸必然開始偏向水平偏振的方向，但是偏振方向不可能與傳播方向一致（盡管這里波導中的導波不是自由空間平面波，這一結論還是近似成立的），所以水平偏振的導波必然會隨著波導彎曲程度的加大而逐漸截止傳播，并轉化為輻射波泄漏。垂直偏振的導波其偏振方向始終是與波導方向垂直的，所以受波導彎曲的影響相對比較小。

（3）采用集總補償，即使入射光波先直接經歷一次放大，還需再使其偏振態旋轉90°（或增益波導旋轉90°）后再經歷一次相同的放大。這樣即使入射光的偏振與水平方向有任意不確定的夾角[θ]，其所經歷的增益為：

該增益與入射角無關。基于同樣的想法，我們還可以設計一個波導式線偏-圓偏轉換器，圓偏光被均勻材料反射后再經歷同一結構反向傳輸后會被扭轉90°。利用這一特性容易得到反射式的增益偏振無關放大器。因為入射光在經過同一段增益區的往返程上偏振態正好相差90°，所以正好同樣滿足上述條件。這一器件的結構示意如圖10。類似的方法還有把增益區波導同時設計成一個針對任意入射角的180°旋偏器，如圖11所示，在這樣的器件中入射光所經歷的增益是：

該增益仍然與入射角無關。

2 接收端前置放大器的

基本制作工藝要點

前面的討論集中在用于接收端前置放大時對SOA設計的一些特殊設計的考慮上；但這些特殊考慮是建立在通用SOA的基本設計和現行制作工藝基礎之上的，不首先了解通用SOA的設計制作要點則任何特殊考慮都無從談起。受篇幅限制，之后的討論將假設讀者已熟知普通半導體激光器的制作工藝。

對普通SOA的基本要求是高增益和高飽和功率，為達此目的，我們顯然希望使SOA的增益區內積存有較高的載流子濃度。由于增益與載流子濃度成正比，所以高載流子濃度導致高增益，這一點直觀上也很容易理解。由于放大飽和是增益區內載流子被耗盡所致，所以高飽和功率一樣也要求增益區內保持有較高的載流子濃度。為了在給定的注入下保持高載流子濃度，最有效的方法顯然是盡可能縮減增益區截面積。由于波導的條寬受光纖耦合及制作工藝限制難以進一步壓縮，那么剩下的方法就只有縮減體材料增益區的厚度或量子阱增益區內量子阱的個數和每個阱的厚度。一般SOA的增益區都是采用單阱或雙阱結構（雙阱主要是為了防止太多的光波橫向場分布在增益區之外的P型摻雜層，因為對光波的非帶間吸收主要來自于P型摻雜所造成的自由載流子吸收），在這點上SOA與半導體激光器（尤其是高速直調半導體激光器）有著顯著的區別。

當增益區的載流子濃度已無法再提高時，還可以通過調整光波導的設計，即利用橫向光場與載流子分別限制促使光波的橫向場分布與增益區有著盡可能小的重疊，這樣才能使得沿波導每個截面上的載流子盡可能不被入射光波光子耗盡，從而提升飽和功率。當然，這樣做的結果會導致單位長度上的增益減小。為了使需求的增益得以滿足，一般可以再延長增益區的長度。事實上，決定放大器增益的基本量是[eΓgL]，所以當材料增g一定時，為增加飽和功率而需要減小的光場限制因子[Γ]可以靠延長增益區長度L補償，從而確保放大器增益不變。在這點上SOA與半導體激光器也有著顯著的區別，而且小光場因子的要求也是與直覺相違背的。

除了在增益區結構上有著上述的基本不同點之外，SOA的制作工藝與一般的半導體激光器沒有太多區別，同樣工作波長的波段也采用同一體系的材料。由于更多地采用了薄增益層設計，甚至有可能需要在增益區中再插入生長薄到只有1～2個單原子層的所謂δ勢壘層，以便通過單獨調控子價帶（重空穴帶）來平衡增益區的TE和TM材料增益，所以對于SOA結構的外延生長使用分子束外延（MBE）設備與使用金屬有機物化學氣相沉積（MOCVD）設備一樣流行。在MBE中還可以使用Be替代Zn作為受主雜質進行P區摻雜，這樣就可以避免因Zn容易擴散而產生PN結移位；而在MOCVD中由于其毒性問題一般不能使用Be源。特別值得注意的是：由于光放大器的增益區需要采用低光場限制因子設計，光場在增益區外的延伸更為顯著，從而與P型摻雜區域的重疊也更為嚴重。由于光場在增益區外呈指數式衰減，我們于是將P型摻雜區的濃度設計成由增益區向外呈指數式上升，這樣可以保證在一定的P型摻雜濃度下光場與P型摻雜區的重疊程度最小，PN結也不至于偏位。

除外延之外，半導體光放大器的制作工藝還主要涉及到氧化物沉積（通過PECVD或ALD等設備進行）、普通光刻、干法刻蝕（通過ICP-RIE或CAIBE等設備進行）或濕法刻蝕、金屬沉積（通過濺射或電子束蒸發），以及端面鍍膜（通過電子束蒸發）等，但這些工藝在一般意義上與制作半導體激光器沒有什么不同，所以這里不再進行深入討論。只是需要注意光放大器對與端面鍍膜，尤其是增透膜的要求遠遠高于激光器。為獲取寬帶低反射的增透膜，一般除了需要采用多層膜系設計外，對電子束蒸鍍過程的精確控制分外重要。一般而言，采用帶有電子回旋共振（ECR）系統的設備比普通設備更有利，采用晶振（寬帶）和光學干涉（單波長高精度）雙重監測控制比單一監測控制更有利。

優良器件的獲得離不開理論設計與制作工藝的密切配合，光放大器中端面反射問題的消除恰是一個典型的例證。在鍍膜工藝的精度達到極限之后，進一步降低端面反射的要點在于如何對端口（主要是輸出端口）進行散斑設計，使得在端口處的截面光場分布盡量均勻，即使得出射光波盡量接近TEM波（或局域化的平面波，注意介質波導中真正的TEM波是不可能存在的）。由于TEM波的傳播方向單一并垂直于截面，理論上容易證明此時的膜系設計可以使得反射最低。很明顯，由于此時的反射方向也單一，所以只要稍許傾斜輸出端口的波導，即可使得僅有的反射也難以重新耦合進入波導造成真正意義上的反射。這種散斑設計總體上的要求與擴束模斑增進與光纖的耦合以及低光場限制因子波導設計都是一致的，只是要求截面上的束（模）斑內部場分布更加均勻。

在SOA的實際應用中還經常要求有較寬的增益譜，所以需要采取措施盡可能地展寬材料增益譜。工藝上的措施包括加大量子阱的應變量，或采用厚度略有不同的多個阱構造增益區，這樣將造成材料增益峰的直接展寬，或各個阱增益峰的錯位，在2個措施共用的情況下效果更為顯著。例如：使用1.5%的壓應變和3個厚度分別為4 nm、5 nm和6 nm的量子阱增益區結構可以獲得100 nm的材料增益峰半高全寬（FWHM），而通過壓應變為1%及厚度為5 nm的單阱常規增益區設計只能獲得60 nm的材料增益峰半高全寬。

3 結束語

作為一個重要的功能性器件，光放大器既可在其線性區被用于光信號的直接線性放大，又可在其飽和區被用于實現某些特定的非線性功能。半導體光放大器自然繼承了半導體器件的所有優點，其發展前景是不言而喻的。但僅就接收端探測器前置放大要求而言，半導體光放大器的噪聲指數仍有下降的空間，其增益-帶寬積也有上升的空間。另一個需要重要考慮點是其增益的偏振相關度，面入射型器件沒有增益的偏振相關性問題，但是增益-帶寬積受限（100 dB-nm）。邊入射型器件的增益-帶寬積理論上可以拓展1 000倍（3 000 dB-nm），但其增益的偏振相關性需要靠特殊的設計措施消除。在制作上半導體光放大器與半導體激光器的主要區別在于前者需要有少阱及低光場限制因子的長增益區，而后者正相反。

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