基于IMOS平台的偏振不敏感SOA设计

摘要

我们报道了IMOS平台中偏振不敏感SOA的设计，在60 nm带宽和26 dB输入功率范围内，最坏情况下偏振灵敏度为0.8 dB，500μm长的SOA提供21dB的峰值增益。

1. 简介

全光交换机将是一项关键技术，可以持续提高数据中心的光通信容量，以满足稳定流量增长的要求。基于高性能、低成本和可扩展的半导体光放大器（SOA）的光交换适用于高带宽和低延迟的应用。在基于SOA的全光交换中，由于几何不对称导致的SOA的偏振敏感一直是主要问题之一。这需要额外的片外偏振处理电路带来了操作复杂性，或芯片上的偏振分集方案同样增加了电路复杂性[1]。在多量子阱（MQW）SOA中，除了几何尺寸带来限制因子差异外，类TE和类TM场材料增益的不对称性导致偏振灵敏度随着电流和波长的变化而发生显著变化[2]。因此，在宽的输入功率范围、宽的带宽和驱动电流范围内实现良好的偏振不敏感一直是具有挑战性的。偏振不敏感（PI）SOA已经使用应变MQW[3]、厚有源层体[4，5]和应变有源体层[6]实现。厚体有源层方法使得两种偏振的限制因子相似。然而，厚体有源SOA可能需要高驱动电流和3dB增益带宽，并且输出饱和功率可能随着厚度的增加而降低。应变体有源层可以在满足开关应用要求的低驱动电流下提供良好的偏振不敏感性、宽增益带宽和所需的高输出饱和功率。

由于膜平台的折射率对比，硅上磷化铟膜（IMOS）平台已经证明了低损耗和紧凑的无源器件[7]。高性能MQW C波段偏振相关SOA已经在该平台上实现。因此，在膜平台中研究PI-SOA的目的是利用平台的这些积累，并在平台中设计高性能和紧凑型光开关的组件。我们主要目的是针对数据中心内部通信的光交换机的O波段SOA设计。

在这项工作中，我们首次提出了一种适用于IMOS平台上光交换应用的O波段PI-SOA设计。我们使用应变的薄体有源层来实现偏振不敏感。我们研究了偏振灵敏度随波长、输入功率和电流密度的变化。最后，我们预测了所设计的SOA的峰值增益和增益带宽。

2.偏振不敏感SOA设计

对基于SOA的交换机的一般要求是可扩展性、良好的信号完整性、高带宽和无损操作。这些交换机指标是相互关联的，主要受交换机中使用的SOA性能的影响。因此，要在所有这些指标中获得良好的性能，SOA需要具有高的输入功率动态范围和输出饱和功率、足够的增益、宽的3dB增益带宽和低噪声系数。本工作中的SOA设计满足了这些要求。

我们使用PhotonDesign（Harold和PICWAVE）的工具对PI-SOA进行建模。图1a显示了SOA结构的横截面视图。我们在薄体有源层中添加0.18%的拉伸应变（图1a中的红色区域）。以增加TM场的材料增益，并平衡由几何不对称引起的限制因子差异。我们为分离约束异质结构（SCH）选择了体发射波长为1.05µm（Q1.05）的四元材料（InGaAsP），以提供足够的势垒高度来提供足够的约束。这提供了足够的导带和价带偏移以将电子限制在导带中并且将空穴限制在价带中以获得更好的器件效率。SCH尺寸的选择通过影响限制因子而促进了具有较小应变的偏振不敏感性。有源区（芯和SCH）的总厚度为300nm。

有源器件采用双波导方法与无源波导单片共集成[8]。在两个横向锥形窗口中，有源区是横向锥形的，以将场垂直推向波导，如图1bc所示。我们优化了快速锥形窗口长度，L1=7.2µm和L2=25.5µm，以实现TM 90%和TE 93%的耦合效率。如图1c所示，TE场从有源区到波导的转变发生在TM场之前。

图1a）器件结构全叠层b）垂直轴上的器件锥形截面c）TE和TM从有源到无源的过渡

3.偏振灵敏度和增益

偏振灵敏度计算为类TE偏振增益（GTE）和类TM偏振增益（GTM）之差的绝对值，即|GTE-GTM|。图2a绘制了输入功率的偏振灵敏度，从-20 dBm到6 dBm。我们可以从图2a中观察到，对于26dB的模拟输入功率范围和在中心波长λ=1310nm处从2kA/cm2到6kA/cm2的偏置电流，偏振相关增益小于0.5dB。该设计在4kA/cm2下进行了优化，并且在该电流密度附近偏振灵敏度非常低。当我们远离最佳电流时，偏振灵敏度略高。图2a中的摆动是由于低输入功率下噪声的随机性和测量期间使用的2kA/cm2的离散电流密度步长的影响。在最佳驱动电流点处获得小于0.1dB的偏振灵敏度。

图2b显示了在小信号输入功率的情况下改变电流密度和波长以抑制输入功率效应的偏振灵敏度。该设计在4kA/cm2下进行了优化，并且在该电流密度附近偏振灵敏度较低。当我们离开最佳工作点时，偏振灵敏度略高。对于长波长和低电流或高电流和短波长，观察到大约0.8dB的最坏情况灵敏度。从图2b中的深蓝色区域观察到，在波长λ=1310 nm和电流I=4 kA/cm2的最佳设计点处，偏振灵敏度约为0.1 dB。

图2偏振灵敏度变化。a） 电流密度和输入功率为λ=1310 nm。b） 具有波长和驱动电流。

图3a显示了在6kA/cm2驱动电流密度下，SOA长度为300µm、400µm和500µm的增益。对于500µm长的SOA，我们获得了10 dBm的输出饱和功率和21 dB的线性峰值增益。增益的结果表明，我们可以用它实现光开关。例如，一个路径中有3个SOA级联的16×16最先进的基于SOA的光开关在最坏的情况下具有58dB的路径损耗[9]。如果我们使用500µm长的SOA，它可以提供大约21dB的增益。考虑到每个SOA的最大1dB偏振相关损耗，3个SOA可以提供60dB的净增益，克服所有片上损耗。

最后，所设计的SOA在4kA/cm2的电流密度下具有约80nm的3dB增益带宽（图第3b段）。因此，SOA可以切换WDM信号，例如，来自CWDM4收发器的WDM信号。

图3 a）在6 kA/cm2驱动电流密度下，300µm、400µm和500µm SOA增益与输出功率的关系。b） 小信号增益与波长的关系。

4.结论

我们提出了适用于光开关应用的IMOS平台中的O波段偏振不敏感SOA的设计。仿真结果表明，500µm长的器件在6kA/cm2的偏置电流密度下可以提供21dB的输出峰值增益和约10dBm的输出饱和功率。随着输入功率和电流密度的变化，偏振灵敏度显示出高达0.5dB的变化。电流密度的影响也与变化的波长范围相关。结果表明，最坏情况下的偏振灵敏度约为0.8dB，而在最佳工作条件下仅为0.1dB。所获得的峰值增益、输出饱和功率、增益的偏振灵敏度和3dB增益带宽表明了所设计的SOA适用于基于偏振不敏感SOA的光开关应用。