SOA半导体光放大器及其应用

本文主要是介绍SOA半导体光放大器及其应用，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

---翻译自Michael Connelly于2015年发表的文章

1.简介

在过去的二十五年里，光纤通信网络的部署和容量迅速增长。这种增长得益于新光电技术的发展，这些技术可用于利用光纤的巨大带宽。如今，运行的系统比特率已超过 100 Gb/s。光技术是全球信息的主要载体。它也是实现未来网络的核心，而未来网络将具备社会所要求的能力。这些能力包括几乎无限的带宽，可传输几乎任何类型的通信服务，以及完全透明，允许终端升级容量和灵活的通道路由。光网络的许多进步都得益于光放大器。

光放大器可分为两类：光纤放大器（OFA）和半导体光放大器（SOA）。然而，由于光半导体制造技术和器件设计的进步，SOA 在不断发展的光通信网络中的应用前景十分广阔。SOA 不仅可用作一般增益元件，还具有许多功能性应用，包括光开关和波长转换。这些功能无需将光信号转换到电域，是透明光网络所需要的。

本文回顾了 SOA 技术和在新兴光通信网络中的应用。

2.SOA 基础知识

SOA 的原理图如图 1 所示。该器件由电流驱动。器件中的有源区通过受激发射将增益传递给输入信号（图 2）。输出信号伴有噪声。这种叠加噪声即放大自发辐射（ASE），由放大过程产生。表 1 对 OFAs 和 SOAs 进行了比较。

SOAs 对偏振敏感。这是由波导结构和增益材料等多种因素造成的。使用方形截面波导和应变量子阱材料可以提高偏振灵敏度。

SOA 的增益受输入信号功率和放大过程中产生的内部噪声的影响。如图 3 所示，随着输入信号功率的增加，增益也会降低。这种增益饱和会导致信号严重失真。当 SOA 用作波分复用（WDM）系统中的多通道放大器时，它还会限制可实现的增益。

SOAs 通常用于放大调制光信号。如果信号功率较高，增益就会出现饱和。如果放大器的增益动态变化是一个缓慢的过程，那么这个问题就不会很严重。

然而，在 SOAs 中，增益动态由载流子重组寿命（几百皮秒）决定。这意味着放大器增益会对输入信号功率的变化做出相对较快的反应。这种动态增益会导致信号失真，随着调制信号带宽的增加，失真会变得更加严重。这些影响在多通道系统中更为重要，因为动态增益会导致通道间串音。这与光纤放大器形成鲜明对比，光纤放大器的重组寿命仅为几毫秒，因此信号失真可以忽略不计。

SOAs 还表现出非线性行为。这些非线性会导致频率啁啾和产生互调产物等问题。不过，非线性特性也可用于将 SOAs 用作波长转换器等功能器件。

3.基本网络应用。

SOAs 在光通信系统中的主要应用可分为三个方面：(a) 后置放大器或增压放大器，用于提高发射器激光功率；(b) 在线放大器，用于补偿中长途链路中的光纤和其他传输损耗；(c) 前置放大器，用于提高接收器灵敏度（图 4）。在光通信链路中加入光放大器可提高系统性能并降低成本。表 2 列出了此类应用对光放大器的主要要求。

3.a. - 增压放大器。

升压放大器的功能是在传输前增加高功率输入信号。表 3 列出了增压放大器的主要应用。在光传输器中增强激光功率可以构建传输距离更远的中程链路。这种链路只需在发射器和接收器之间铺设一条光纤即可。由于传输链路中没有有源元件，因此可靠性和性能都得到了提高。

在长途链路中，使用升压放大器可以增加链路功率预算，减少所需的在线放大器或再生器的数量。升压放大器在分路损耗大或抽头数量多的配电网络中也很有用（图 5）。当需要同时放大不同波长的多个输入信号时（如波分复用传输），也需要增益放大器。

3.b. - 前置放大器

光前置放大器的功能是在检测和解调之前提高光数据信号的功率电平。功率电平的增加可以提高接收器的灵敏度。这样就可以构建更长的无重复链路。前置放大光接收器的原理图如图 6 所示。接收器由一个光前置放大器、一个窄带光滤波器和光电二极管组成，然后是后置检测电路和决策电路。

3.c. - 在线放大器

在损耗有限的光通信系统中，在线光放大器可用于补偿光纤损耗，从而克服光再生的需要。在线 SOAs 的主要优点如下对数据速率和调制格式透明（非饱和操作和高比特率）、双向性、波分复用功能、操作模式简单、功耗低和结构紧凑。后两个优点对于远程定位的光学元件非常重要。

3.d. - 传输实验

图 7 显示了波分复用传输实验的一个示例 [2]。发射器由八个激光器组成，通过一个 8:1 耦合器组合。波长范围为 1558-1570 nm，信道间距为 200 GHz。通道的外部调制速率为 20 Gbit/s。三个增效 SOA 用于补偿耦合器和调制器的损耗。传输链路由四个放大的 40 千米单模光纤链路组成，包括色散补偿光纤。跨距损耗为 13 dB。每个放大器 12 至 14 dB 的增益足以补偿链路损耗。接收器由两个 SOA 前置放大器组成，信号通过一个 LiNiO3 调制器解复用为 10 Gbit/s。解复用后的数据由光电二极管检测。所有检测到的信道误码率都< 3 x 10-13。

4.SOA 非线性

SOA 还可用于执行对光学透明网络有用的功能。这些全光功能有助于克服 "电子瓶颈"。这是部署高速光通信网络的一个主要限制因素。其中许多功能应用都基于 SOA 非线性特性。光子集成电路（PIC）的发展使得部署复杂的 SOA 功能子系统成为可能。SOA 中的非线性主要是由放大器输入的载波密度变化引起的。非线性主要有以下四种类型：交叉增益调制（XGM）、交叉相位调制（XPM）、自相位调制（SPM）和四波混合（FWM）。

4.a. - 交叉增益调制

SOA 的材料增益频谱是均匀拓宽的。这意味着放大器中载流子密度的变化将影响所有输入信号，因此一个波长的强信号有可能影响另一个波长的弱信号的增益。这种非线性机制被称为 XGM。最基本的 XGM 情况如图 8 所示，在图 8 中，一束弱 CW 探针光和一束强泵浦光被注入 SOA，在角频率 ω 下有一个小信号谐波调制。放大器中的 XGM 将把泵浦调制强加给探头。这意味着放大器充当了波长转换器的角色。

转换器最有用的性能指标是转换效率，定义为输出探头的调制指数与输入泵的调制指数之比。典型的效率带宽为 10 GHz。

4.b. - 交叉相位调制

SOA 有源区的折射率并非恒定不变，而是取决于载流子密度，因此也取决于材料增益。这意味着通过放大器传播的光波的相位和增益通过增益饱和耦合。这种耦合的强度与线宽增强因子 αl 有关。图 9 显示了 αl 与光子能量的关系图。

如果有多个信号注入 SOA，信号之间就会产生跨相调制 (XPM)。XPM 可用于创建波长转换器和其他功能器件。不过，由于 XPM 只引起相位变化，因此必须将 SOA 置于干涉配置中，利用建设性或破坏性干涉将信号的相位变化转换为强度变化。

4.c. - 四波混合

四波混频（FWM）是一种相干非线性过程，可发生在 SOA 的两个光场之间，一个是角频率为 ω0 的强泵浦，另一个是偏振相同、频率为 ω0 - ω 的弱信号（或探针）。注入的磁场会导致放大器增益在节拍频率 Ω 上受到调制。如图 10 所示，这种增益调制反过来又会在ω0 + Ω 处产生新的场。在 SOAs 中产生的 FWM 可用于多种应用，包括波长转换器、色散补偿器和光解复用器。

5.功能应用

5.a. - 波长转换

全光波长转换器将在宽带光网络中发挥重要作用。它们最重要的功能是避免波分复用网络中光交叉连接的波长阻塞。波长转换器使用一组固定波长，提高了网络的灵活性和容量。波长转换可用于集中网络管理。在分组交换网络中，可调波长转换器可用于解决数据包争用问题，减少光缓冲需求。我们已经看到 SOA 中的 XGM 如何用于波长转换。如图 11 所示，如果 SOA 采用马赫泽恩德配置，SOA XPM 也可用于波长转换。与基于 XGM 的器件相比，这些波长转换器具有更高的功率效率。

在非对称 MZI 波长转换器中，λ2 处的连续波输入通过耦合器不对称地分配到 MZI 的每个臂上。λ1 处的强度调制信号以非对称方式使每个 SOA 饱和，从而在输入 CW 信号中产生不同的相移。输出耦合器将分裂的 CW 信号重新组合，使其产生建设性或破坏性干扰。实际干涉状态取决于干涉仪臂之间的相对相位差，而相位差则取决于 SOA 偏置电流和输入光功率。

SOA FWM 可用于构建波长转换器。其基本方案如图 10 所示，将连续波泵浦信号和调制探头输入信号注入 SOA，产生新的调制信号。然而，当泵信号和探头信号之间的频率失谐值适中时，转换效率相对较低。要在 SOA 中实现高效的 FWM，泵浦和探头的极化状态必须完全相同。图 12 显示了一个更高效的 FWM 波长转换器示例。在这一方案中，输入泵浦的极化状态为 45o 相对于偏振分光器 PBS1 的偏振轴。这意味着一半的泵功率与信号的共偏振分量一起输送到每个 SOA。这些信号在每个 SOA 中混合，产生具有相同偏振的共轭信号。来自 SOA 的正交偏振共轭信号在偏振分束器 PBS2 的输出端重新组合。如果 SOA 具有相同的增益和转换效率，那么该方案将与偏振无关。

5.b. - 光闸

未来的高速波分复用（WDM）和波分复用（TDM）光通信网络需要高速光开关（或闸门），这种开关可以通过光学或电子方式控制。这种光开关可以使用 SOA 制造。控制 SOA 栅极的最简单方法是打开或关闭器件电流。SOA 栅极的最大优点是可以集成形成栅极阵列。在图 13 所示的 2 x 2 开关模块中，通过打开相应的 SOA，可将输入数据包路由到任何输出端口。

电流开关 SOA 的开关时间约为 100 ps。使用置于非线性环路镜中的 SOA，可以实现更快的开关时间（图 14）。将 SOA 置于偏离光纤环镜中心的位置，并通过 50:50 耦合器将数据注入环镜，即可实现切换。两个反向传播的数据脉冲流异步到达 SOA。开关脉冲的时间安排在一个数据脉冲之后，而在其副本之前到达。开关脉冲的功率经过调整，以向副本传递 π 弧度的相位变化，因此当两个反向传播分量返回耦合器时发生干扰，数据脉冲就会被切换掉。这种设备也被称为 TOAD（太赫兹光非对称解复用器），因为它也可用于高速 TDM 脉冲流的解复用。

5. c. - 光逻辑

光逻辑可用于高速光网络中的全光信号处理应用。图 15 显示了可用于实现光逻辑门的三种 SOA 配置。

5. d. - 多路复用器

光时分解复用器（OTDDM）和分插复用器（ADM）是光时分复用（OTDM）网络节点所需的关键部件。在 ADM 中，一个信道从传入的 TDM 数据流中删除，其他信道不受干扰。在空闲的时隙中插入数据脉冲，就可以增加一个新的信道。

包含 SOA 的 MZI 交换机也可用作 ADM。可以进行多种配置，其中一种如图 16 所示。在这种配置中，40 Gb/s 的输入数据信号被分成两个驱动信号。其中一个驱动信号延迟半个比特周期。干涉仪的配置是，当干涉仪上臂出现未延迟的信号脉冲时，输入的 10 GHz 脉冲就会被引导到下降端口。同时，3 x 10 GHz 脉冲流被导入直通端口。当延迟信号脉冲出现在干涉仪的下臂时，数据就会被引导到远离落射端口的地方。输入数据脉冲引起的 SOA 增益饱和会改变下降脉冲和直通脉冲的振幅，因此也会发生脉冲放大和重塑，即该装置具有 2R 再生器的功能。如果与用于重定时的光时钟恢复相结合，它将发挥 3R 再生器的功能。只需向添加端口发送添加通道数据脉冲，就可以将数据添加到输出数据的空闲时隙中。

在波分复用网络中添加和删除波长信道的功能对波长路由非常有用。波长 ADM 的功能是分隔特定波长信道，使其不受相邻信道的干扰。这可以通过波长解复用器实现，也可以使用带可调滤波器的集成 SOA，如图 17 所示。滤波器可通过改变其电流进行调节。选定的波长通道经滤波器反射后，由 MQW 部分进行二次放大，并通过环行器提取到下降端口。其余波长通道通过滤波器部分，只需在该部分添加新的波长通道即可。

5. e. - 光脉冲发生器

高速 OTDM 波分复用通信链路需要高重复率波长可调脉冲。在高频率下（大于 10 GHz），用电子手段产生这种脉冲既困难又昂贵。一种光学技术是使用包含 SOA 的锁模光纤环形激光器，如图 18 所示。

法布里-珀罗激光器通过 10 千兆赫的正弦调制进行增益开关。经过 150 米长的高色散光纤传输后，增益开关脉冲中的每个光谱模式都会相对于其最近的模式延迟 25 ps。因此，每个色散脉冲会产生一连串不同波长的脉冲，这些脉冲之间的间隔为 25 ps，从而产生 40 GHz 的有效重复率。使用带有 SOA 作为有源元件的光纤环形激光器，可将脉冲转换为相同（可调）波长的脉冲。40 GHz 的光脉冲流通过环行器插入环形激光器、这将对激光器进行模式锁定。通过选择适当的激光调制频率（10.188 GHz），可以将激光模式锁定在 40.752 GHz（环基频的 3310 次谐波）。光纤激光器的输出波长通过光纤法布里-珀罗滤波器进行选择。输出功率通过光纤耦合器从光纤环中耦合出来。

5. f. - 光时钟恢复

在 OTDM 系统中，光接收器和 3R 再生器都需要时钟恢复。在高速情况下，最好采用光学解决方案来实现时钟恢复。SOA 技术（图 19）使用锁相环和基于 SOA 的干涉开关。在这种配置中，OTDM 数据信号耦合到 SOA 环镜，环镜由可调锁模激光器 (TMLL) 产生的光学控制脉冲序列驱动，其重复频率由压控振荡器 (VCO) 决定。环镜的输出信号由慢速光电二极管检测。输入信号的一部分以控制脉冲的重复频率从环镜中切换出来。当 VCO 频率等于输入信号的基频时，输入信号的切换分量在一个时隙内具有恒定的相位。在这种情况下，光电二极管的输出信号会变成一个直流信号，其振幅与输入信号脉冲和控制脉冲串之间的相位差成正比，即光开关充当了相位比较器的角色。然而，这种误差信号只有一个极性，因此无法区分负相位差和正相位差。这个问题可以通过使用第二个慢速光电二极管检测信号来解决。该光电二极管的输出信号与误差信号相减。由此产生的信号通过一个低通滤波器发送到 VCO。这样就闭合了环路，并将 VCO 频率锁定在输入数据信号的基频上。然后，可以使用耦合器从 TMLL 的输出端提取光时钟脉冲。

6. 结论

SOA 技术能够实现新兴光网络所需的许多全光功能。随着光电集成电路技术的进步和制造成本的降低，SOA 作为基本放大器和功能子系统组件的应用将不断扩大。

7. 参考文献

[1] “Semiconductor Optical Amplifiers”, Michael J. Connelly, 2002, Kluwer Academic Press.

[2] L.H. Spiekman, J.M. Wiesenfeld, A.H. Gnauck, L.D. Garrett, G.N. Van Den Hoven, T. Van Dongen, M.J.H. Sander-Jochem and J.J.M. Binsma, “Transmission of 8 DWDM channels at 20 Gb/s over 160 km of standard fiber using a cascade of semiconductor optical amplifiers” IEEE Photon. Tech. Lett., 12, 717-719, 2000.

[3] M. Osinski and J. Buus, “Linewidth broadening factor in semiconductor lasers - An overview”, J. Lightwave Technol, 23, 9-28 (1987).

注：本文由天津见合八方光电科技有限公司挑选并翻译，旨在推广和分享相关SOA基础知识，助力SOA技术的发展和应用。特此告知，本文系经过人工翻译而成，虽本公司尽最大努力保证翻译准确性，但不排除存在误差、遗漏或语义解读导致的不完全准确性，建议读者阅读原文或对照阅读，也欢迎指出错误，共同进步。