----翻譯自Farah Diana Mahad等人2015年文章

1.摘要

半導體光放大器SOA目前在一些通信網(wǎng)絡(luò)中常被用作功率放大器或前置放大器。然而，在未來全光開關(guān)、再生以及波長轉(zhuǎn)換方案中，半導體光放大器也有望成為多功能元件的有力候選。鑒于此，本文旨在對半導體光放大器的性能進行仿真，以優(yōu)化其放大和開關(guān)功能。研究采用OptSim軟件對半導體光放大器進行建模與仿真；為驗證仿真結(jié)果，還采用MATLAB數(shù)學模型輔助半導體光放大器的設(shè)計。通過該模型可知，在非飽和區(qū)域，仿真結(jié)果與數(shù)學計算結(jié)果的增益差值小于1dB。數(shù)學分析結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，僅因軟件本身在匹配半導體光放大器增益動態(tài)特性方面存在局限性，導致出現(xiàn)微小偏差。

2.關(guān)鍵詞

半導體光放大器SOA、增益特性、飽和區(qū)域、非飽和區(qū)域

3.引言

半導體光放大器SOA技術(shù)因其商業(yè)價值和在光纖通信系統(tǒng)中的未來潛力而備受關(guān)注。半導體光放大器的基本原理與工作在閾值偏置附近的激光二極管十分相似，不同之處在于半導體光放大器具有內(nèi)部抗反射涂層，可將其反射率降至接近零。在通信網(wǎng)絡(luò)中，半導體光放大器通常通過充當功率放大器、在線放大器[1]或前置放大器，在通信鏈路的不同節(jié)點對光信號進行再生。

然而，由于半導體光放大器無需進行光電轉(zhuǎn)換，且近年來光半導體制造技術(shù)和器件設(shè)計取得了突飛猛進的發(fā)展，它們在未來全光通信網(wǎng)絡(luò)中展現(xiàn)出作為器件元件的巨大潛力。因此，除放大功能外，半導體光放大器還可在未來全光開關(guān)[2,3,4]、再生和波長轉(zhuǎn)換[5,6]方案中用作多功能元件。

4.數(shù)學模型

半導體光放大器主要有三種類型：行波型、法布里-珀羅型和注入鎖定型。本文所建立模型的半導體光放大器為行波型放大器，該放大器具有波長平坦增益，同時考慮了載流子時間動態(tài)特性和飽和特性。在這種行波型光放大器中，其端面涂有抗反射涂層，使得光波僅能單次穿過二極管的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)區(qū)域。

當光和偏置電流注入半導體光放大器時，其有源區(qū)的增益會發(fā)生變化，這種變化可通過增益特性方程來描述。放大器的非飽和增益介質(zhì)由非飽和增益系數(shù)g0描述，其表達式如下[7]：

式中，Γ為限制因子，a為材料增益，I為注入半導體光放大器的偏置電流，τs為自發(fā)載流子壽命，e為電子電荷，N0為透明載流子濃度。

半導體光放大器的有源區(qū)體積V為：

其中，L、W和D分別表示有源區(qū)的長度、寬度和厚度。

行波型放大器的單程增益（也稱為放大器的非飽和增益）G0可表示為：

放大器增益G可通過以下公式計算得出：

式中，Pout為光輸出功率，Ps為放大器的飽和功率，其表達式為：

在公式（5）中，h為普朗克常數(shù)，w0為光頻率，σm為有源區(qū)的截面積（約等于W*D）。由公式（4）可知，當Pout與Ps處于同一數(shù)量級時，增益G會從G0開始下降；同時，從公式（4）還可推斷出，當半導體光放大器的輸入光功率較低時，其增益高于輸入光功率較高時的增益，這就是增益飽和現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。

5.建模與仿真

研究采用OptSim軟件對半導體光放大器進行建模與仿真。為使半導體光放大器同時具備放大器和開關(guān)的功能，將其偏置電流設(shè)定為最佳值250mA。通過向半導體光放大器通入電流，實現(xiàn)放大和開關(guān)功能。半導體光放大器系統(tǒng)的仿真示意圖如圖1所示，該系統(tǒng)包含多個元件，如激光器、光衰減器、半導體光放大器、帶通濾波器、低通濾波器和PD；同時，采用光功率計和示波器分別測量功率信號和Q因子。

仿真過程采用不歸零NRZ偽隨機碼（PRBS）信號，數(shù)據(jù)速率為2.5Gb/s，中心波長為1550nm。在半導體光放大器之后有帶通濾波器，目的是去除信號帶寬外額外的ASE；其中，15dB的Attenuator1用于模擬實際的光通信系統(tǒng)環(huán)境，Attenuator2則用于平衡增益與損耗。仿真中所使用的半導體光放大器參數(shù)選自先前的研究成果[8]，具體參數(shù)如表1所示。

表一仿真參數(shù)

6.結(jié)果與討論

在先前的研究[9]中，已初步探究了輸入功率對半導體光放大器增益特性和Q因子的影響。圖2和圖3分別展示了采用OptSim軟件仿真半導體光放大器時，輸出功率隨輸入功率的變化關(guān)系以及增益特性。在半導體光放大器達到飽和狀態(tài)之前，輸出功率與輸入功率呈線性增長關(guān)系；當半導體光放大器達到飽和狀態(tài)后，有源區(qū)的載流子會逐漸耗盡，進而導致放大器增益下降。

在達到飽和值之前，半導體光放大器可有效作為恒定增益放大器工作，此時輸出信號不受半導體光放大器非線性響應的影響。通過軟件測量可知，非飽和區(qū)域的增益約為35.7dB；同時，根據(jù)曲線估算，當輸出功率達到約7dBm時，半導體光放大器開始進入飽和狀態(tài)。

為驗證仿真結(jié)果，研究采用數(shù)學模型輔助半導體光放大器的設(shè)計。數(shù)學分析過程如下：利用MATLAB和Excel，將半導體光放大器參數(shù)代入現(xiàn)有文獻[7,10]中的增益特性方程，通過公式（4）計算得出結(jié)果，并繪制如圖4所示的曲線。從圖中可以看出，在非飽和區(qū)域，仿真結(jié)果與數(shù)學計算結(jié)果的增益差值約為10dB。

產(chǎn)生這一差值的原因是，該方程未考慮半導體光放大器的內(nèi)部波導散射損耗。因此，對公式（1）進行修正，修正后的公式如下：

式中，αs為內(nèi)部波導散射損耗。圖5展示了考慮內(nèi)部波導散射損耗后的結(jié)果，由圖可知，在非飽和區(qū)域，仿真結(jié)果與數(shù)學計算結(jié)果的增益差值小于1dB。

7.結(jié)論

本文對偏置電流為額定值250毫安時半導體光放大器的增益響應進行了仿真。利用文獻中的半導體光放大器參數(shù)，通過數(shù)學分析對仿真結(jié)果進行了驗證。數(shù)學分析結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，僅因軟件本身在匹配半導體光放大器超快增益動態(tài)特性方面存在局限性，導致出現(xiàn)微小偏差。這些結(jié)果為確定實際半導體光放大器增益和開關(guān)功能的最佳工作點提供了有用的操作信息。

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)半導體光放大器SOA基礎(chǔ)知識，助力SOA技術(shù)的發(fā)展和應用。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確性，但不排除存在誤差、遺漏或語義解讀導致的不完全準確性，建議讀者閱讀原文或?qū)φ臻喿x，也歡迎指出錯誤，共同進步。

天津見合八方光電科技有限公司是一家專注國產(chǎn)半導體光放大器SOA研發(fā)和生產(chǎn)的高科技企業(yè)，目前已推出多款半導體光放大器SOA產(chǎn)品(850nm,1060nm,1270nm,1310nm, 1550nm,1625nm)以及增益芯片RSOA產(chǎn)品(850nm,1310nm,1550nm)，公司已建立了萬級超凈間實驗室，擁有較為全面的光芯片的生產(chǎn)加工、測試和封裝設(shè)備，并具有光芯片的混合集成微封裝能力。目前公司正在進行NLL/ECL+SOA的混合集成器件、大功率SOA器件的研發(fā)工作，并可對外承接各種光電器件測試、封裝和加工服務(wù)。