基于半導(dǎo)體光放大器的激光器研究進展

摘要：光放大器作為光纖通信中必不可少的器件，促進了波分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展，解決了光纖通信的無電再生中繼問題。半導(dǎo)體光放大器（SOA）具有寬功率譜、可調(diào)諧波長、便于集成等光學(xué)特性，在激光器中有廣泛的應(yīng)用。文章介紹了半導(dǎo)體光放大器的激光器的研究進展，并列出了其不同的性能參數(shù)，提出了今后在科學(xué)創(chuàng)新和技術(shù)突破方面的研究重點。

關(guān)鍵詞：光纖通信；半導(dǎo)體光放大器；光學(xué)特性；激光器

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.05.047

中圖分類號：TN 248" " " " " " " "文獻標(biāo)示碼：A" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）05-0-03

Abstract： As an essential device in optical fiber communication， optical amplifiers have promoted the development of wavelength division multiplexing technology， and solved the problem of no power regenerative relay in optical fiber communication. Semiconductor optical amplifiers （SOA） have wide power spectrum， tunable wavelength， easy integration and other optical characteristics， and are widely used in lasers. This article introduces the research progress of semiconductor optical amplifier lasers， lists their different performance parameters， and puts forward the research focus on scientific innovation and technological breakthroughs in the future.

Key words： optical fiber communication; semiconductor optical amplifier; optical characteristics; laser

大容量光纖通信時代到來后，光放大技術(shù)迅速發(fā)展。光放大器基于受激輻射或受激散射，實現(xiàn)對輸入光信號的放大。按照工作原理，光放大器可分為半導(dǎo)體放大器（SOA）、光纖放大器。其中，半導(dǎo)體放大器憑借增益帶寬寬、集成性好、適用波長范圍廣等優(yōu)點，廣泛地應(yīng)用于光通信中。

本文介紹了基于半導(dǎo)體光放大器的激光器，根據(jù)半導(dǎo)體放大器與激光器集成的結(jié)構(gòu)方式、材料類型、適用范圍，將其分為若干種，并通過帶寬寬度、偏振特性、波長范圍、輸出功率等性能參數(shù)，分析采用不同半導(dǎo)體光放大器的激光器的優(yōu)缺點，以期能為光放大器的進一步研究與發(fā)展提供參考。

1" 半導(dǎo)體光放大器簡介

1.1 光放大器介紹

大部分光放大器基于受激輻射或受激散射原理，通過一定方式實現(xiàn)對光信號的放大，其機理與激光器相同[1]。在結(jié)構(gòu)上光放大器是一個沒有反饋或反饋較小的激光器，當(dāng)達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)時就會產(chǎn)生光增益，實現(xiàn)對光的放大。光纖放大器又分為摻雜光纖放大器與非線性光纖放大器兩類。

摻雜光纖放大器就是指在光纖的纖芯中摻雜稀土金屬粒子（鉺、鐠、銩）等激光工作物質(zhì)，形成增益帶寬較寬的摻雜光纖，并在泵浦光作用下直接作用于特定波長的光信號。目前研究最多的便是摻鉺光纖放大器，其增益帶在1 310 nm附近。而利用強光源激發(fā)光纖，并使其產(chǎn)生非線性效應(yīng)的放大器就是非線性光纖放大器。這種激光器需要大功率的泵浦源，因而在使用中受到一定的限制。非線性光纖放大器包括受激喇曼散射光纖放大器（SRS）、受激布里淵散射光纖放大器（SBS）、四波混頻光纖放大器（FWM）等。

1.2 半導(dǎo)體光放大器介紹

半導(dǎo)體光放大器（SOA）由半導(dǎo)體材料制成，其放大特性主要取決于有源層的介質(zhì)特性和激光腔的特性。半導(dǎo)體光放大器的機理同樣是通過粒子數(shù)反轉(zhuǎn)發(fā)光，但是發(fā)光的媒介并不是稀有元素，而是電子空穴對。由一些半導(dǎo)體材料形成的PN結(jié)有源區(qū)在入射光子的作用下會發(fā)生受激輻射而產(chǎn)生光放大。根據(jù)激勵不同其分為光致發(fā)光、電致發(fā)光以及陰極發(fā)光。半導(dǎo)體光放大器的體積小、結(jié)構(gòu)簡單、易于集成，適用于不同波長的光信號。但是它與光纖的耦合損耗較大、放大器增益受偏振影響大、噪聲串碼較大，使得半導(dǎo)體光放大器在使用時受到一定的限制。下面主要介紹基于半導(dǎo)體光放大器的一些激光器的研究進展。

2" 基于半導(dǎo)體光放大器的激光器研究進展

王華、姚敏玉等人研究了采用半導(dǎo)體光放大器的多波長光纖環(huán)形激光器。這種光纖環(huán)形激光器由馬赫-曾德爾光纖干涉儀和半導(dǎo)體光放大器構(gòu)成。在實驗中，所采用的透射型馬赫-曾德爾光纖干涉儀由兩個3 dB光纖耦合器焊接而成，制作簡單，插入損耗較小。在激光器的起振過程中，干涉儀對環(huán)形腔內(nèi)的放大自發(fā)輻射光進行周期性濾波，以自由譜區(qū)為時間間隔，使得落在半導(dǎo)體光放大器增益范圍內(nèi)的透射峰中心波長附近的光起振，形成穩(wěn)定的多波長激射[2]。同時半導(dǎo)體光放大器中載流子弛豫時間短（100 ps），遠小于環(huán)腔渡越時間，因此當(dāng)外界環(huán)境變化導(dǎo)致環(huán)內(nèi)產(chǎn)生小幅擾動時，并不會形成弛豫振蕩。換句話說，這種激光器具有十分穩(wěn)定的性能。此外，實驗表明，這種激光器實現(xiàn)了間隔100 GHz的穩(wěn)定多波長連續(xù)光激射，消光比大于30 dB，總輸出功率為5.1 dBm，利用輸出波長隨半導(dǎo)體光放大器驅(qū)動電流減小或腔內(nèi)損耗增大而藍移的特性，實現(xiàn)了輸出波長的調(diào)諧。這種激光器憑借自身優(yōu)異、穩(wěn)定的性能，在光學(xué)通信領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用。

潘洪剛、于晉龍等人研究了基于半導(dǎo)體光放大器的脈寬可調(diào)諧暗脈沖激光器。傳統(tǒng)意義上的脈沖激光器是指亮脈沖激光器，工作機理是靠連續(xù)光波下光強的驟然上升。亮脈沖激光器在光波導(dǎo)中傳輸時亮脈沖的傳輸損耗大、抗噪聲性小[3]。因此，他們研究出一種抗噪性更好、損耗更小的暗脈沖光纖激光器，它依靠穩(wěn)定連續(xù)的光波下光強的突然下降，具有亮脈沖光纖激光器無可比擬的優(yōu)點。利用半導(dǎo)體光放大器可實現(xiàn)一種脈寬可調(diào)諧的暗脈沖光纖激光器。實驗中利用SOA的非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)（NPR），輸出脈沖經(jīng)歷一系列不同的變化可產(chǎn)生暗脈沖輸出。此外通過改變反饋腔長度可以實現(xiàn)暗脈沖的脈寬調(diào)諧，最終得到脈寬為5.91～22.34 ns可調(diào)的暗脈沖。經(jīng)研究，暗脈沖可應(yīng)用于光通信、光邏輯等領(lǐng)域，同時為半導(dǎo)體光放大器與光纖激光器的集成提供參考。

王永福、王肇穎等人研究了基于兩只半導(dǎo)體光放大器級聯(lián)結(jié)構(gòu)的多波長光纖激光器。多波長光纖激光器具有與光纖及光纖器件的良好兼容性，以SOA為增益介質(zhì)的光纖激光器更能產(chǎn)生穩(wěn)定的多波長輸出。實驗中構(gòu)造了一種基于兩只半導(dǎo)體激光器級聯(lián)結(jié)構(gòu)的多波長光纖激光器，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)級聯(lián)結(jié)構(gòu)SOA在增益譜寬、平坦度和峰值增益方面皆優(yōu)于單只SOA[4]。室溫下功率不平坦度小于±3 dB，線寬小于0.102 nm，信噪比大于25 dB，總輸出功率為1.94 mW。

吳薇、劉辛等人研究了基于半導(dǎo)體光放大器的可調(diào)諧激光器。SOA有較快的響應(yīng)速度、較高的穩(wěn)定性。相較于EDFA而言，能有效減小鎖模光纖激光器輸出脈沖的振幅擾動，并可抑制超模噪音。實驗中用到了激光鎖模方法。半導(dǎo)體光放大器自發(fā)輻射產(chǎn)生多縱模光，經(jīng)光纖法布里-珀羅腔（F-P）窄帶濾波，輸出滿足當(dāng)前腔長的縱模，在循環(huán)中，縱模再次進入半導(dǎo)體光放大器中放大，最后經(jīng)由耦合器輸出部分能量，其余在腔內(nèi)再次循環(huán)放大。FP的腔長按照掃頻周期變化，使通過的縱模也不斷變化，實現(xiàn)可調(diào)諧輸出。此時掃頻周期等于縱模繞腔一周的時間，使得每個模式都可以被精確鎖定[5]。經(jīng)測量，當(dāng)輸出激光的中心頻率控制在1 310 nm附近時，輸出光功率約為30 dBm，得到的光質(zhì)較好、穩(wěn)定性優(yōu)良。

Sookyoung Roh等人研究了基于半導(dǎo)體光放大器的通道間距和波長可調(diào)多波長光纖環(huán)形激光器。為了提高多波長激光器的可調(diào)性、波長間距和通道數(shù)等，實驗中采用了SOA作為增益介質(zhì)，并采用基于可調(diào)諧偏振分集環(huán)配置（PDLC）的梳狀濾波器。該濾波器由偏振分束器（PBS）、三個波片和偏振差分延遲線（DDL）組成。從整體上看，該激光器由半導(dǎo)體光放大器、光學(xué)隔離器、耦合器、偏振控制器（PC）、可調(diào)諧PDLC梳狀濾波器組成，環(huán)形腔是單向的，由兩個光隔離器保證，梳狀濾波器通過環(huán)形腔的兩個端口耦合到環(huán)形腔上，使用PC調(diào)節(jié)腔的整體增益譜。實驗中測量出插入損耗為8 dB，最大偏振靈敏度為0.5 dB，信噪比大于25 dB，泵浦功率為150mA，輸出飽和功率為11 dBm。這種激光器實現(xiàn)了激光波長和波長間距的連續(xù)可控，具有優(yōu)越的性能。

Jehan Akbar等人研究了一種集成錐形光放大器的高功率AlGaInAs鎖模DBR激光器。這種激光器具有獨特的錐形結(jié)構(gòu)，工作在1.5 μm區(qū)段。實驗中采用了一種工作頻率在38 GHz鎖模DBR激光器，該器件擁有三個QW增益區(qū)域和一個無源遠場還原層（FRL）。這種激光器總長2 200 μm，包含1 020 μm的增益段、30 μm飽和吸收段、150 μm DBR段以及955 μm的錐形SOA段。在接近變換限制輸出的鎖模條件下，器件平均輸出功率為200 mW，輸出峰值功率大于1.2 W，最小脈沖持續(xù)時間為4.3 ps。在不同的SOA驅(qū)動電流下，錐形SOA的集成有助于提高輸出功率，同時對于光脈沖質(zhì)量沒有實質(zhì)性的負面影響。通過增加腔內(nèi)反射器的反射帶寬，減小脈沖寬度，增加峰值功率等，可以進一步提高輸出功率性能。

Shuangyi Yan、Jian-guo Zhang等人研究了基于半導(dǎo)體光放大器的線性腔鎖模光纖激光器。SOA在鎖模上有著較為廣泛的應(yīng)用，基于半導(dǎo)體光放大器的非線性，現(xiàn)有多種方法將其應(yīng)用于諧振腔中作為有源鎖模元件。在這些鎖模結(jié)構(gòu)中，均包含有十分敏感的環(huán)形腔，導(dǎo)致實驗難以順利實施。為了提高腔體的穩(wěn)定性，減小誤差，實驗中采用了一種線性結(jié)構(gòu)的10 GHz的鎖模光纖激光器。該線性腔由SOA與偏振控制器組成，擁有超過30 dB的高增益。在鎖模過程中，外部脈沖可以被抑制。可采用偏振控制器來提高脈沖質(zhì)量。腔體長度約為1.7 m，基頻約為58 MHz。鎖模脈沖從環(huán)行器的端口耦合出來。實驗中由70 GHz采樣示波器和70 GHz光電探測器測量無壓縮直接輸出脈沖，脈沖寬度為12 ps，輸出功率約為12 dBm。鎖模脈沖激光器具有良好的長期穩(wěn)定性和簡單的線性結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了約6 MHz的寬鎖模帶寬。簡單線性腔激光器在單片電路中集成具有很大的潛力。基于半導(dǎo)體光放大器的激光器的具體性能參數(shù)如表1所示。

3" 結(jié)束語

半導(dǎo)體光放大器（SOA）是由一些半導(dǎo)體材料形成的PN結(jié)有源區(qū)，在入射光子的作用下會發(fā)生受激輻射而產(chǎn)生光放大。其自身結(jié)構(gòu)簡單、易于集成，且能適合不同波長的光放大，是制作半導(dǎo)體激光器的基礎(chǔ)，在各類激光器的集成中都有廣泛應(yīng)用。目前在所使用的基于半導(dǎo)體光放大器的激光器集成技術(shù)走向成熟的同時，仍需在以下三個方面做出努力。

（1）降低與光纖的耦合損耗。半導(dǎo)體光放大器主要的問題便是與光纖的耦合損耗較大。為提高耦合效率，今后可以利用SOA易于集成的特點，在耦合系統(tǒng)中加入透鏡，以最大程度地降低反射損耗，改善光束的對稱性，實現(xiàn)高效率耦合。

（2）降低SOA的偏振敏感性。SOA的偏振特性主要指對入射光的偏振態(tài)敏感性。若未對SOA進行專門的處理，會使增益的有效帶寬減小。量子阱結(jié)構(gòu)可以有效提高半導(dǎo)體光放大器的穩(wěn)定性，今后可以嘗試研究一種結(jié)構(gòu)簡便且性能優(yōu)越的量子阱結(jié)構(gòu)，以此降低半導(dǎo)體光放大器的偏振敏感性。

（3）集成工藝的優(yōu)化。目前的半導(dǎo)體光放大器與激光器的集成在技術(shù)處理上過于復(fù)雜煩瑣，這使得在光信號傳輸、器件插入損耗方面存在較大損耗，同時成本過高。今后應(yīng)嘗試優(yōu)化集成器件的結(jié)構(gòu)，提高器件精密度。

展望未來，基于半導(dǎo)體光放大器的激光器會在結(jié)構(gòu)與工藝方面取得重大的突破。隨著大容量通信時代的到來，無論是可調(diào)諧激光器還是多波長光纖激光器，都會在光通信中發(fā)揮發(fā)揮重要作用，光放大技術(shù)也會應(yīng)用于各個領(lǐng)域。在今后的研究中，要不斷更新技術(shù)手段，尋求新突破。

參考文獻

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