一文了解SOA的纹波

什么是光谱纹波

我们在SOA/RSOA/SLD的ASE（放大的自发辐射）光谱测试中，经常会观察到光谱中有周期性的变化，通常我们称之为纹波。在实际应用中，我们大多不希望这些纹波的存在。

图1 某款SOA的ASE谱纹波示例

ASE光谱纹波与增益纹波的区别

在SOA/RSOA的使用时，ASE光谱比较容易测量，增益谱测量则比较复杂。图2是我们对同一个SOA器件做的ASE谱和增益谱的对比测试（注：增益谱中的快速变化是测量误差），可以看到增益谱的纹波与ASE谱的纹波波形和周期一致，但增益谱纹波明显小于ASE谱纹波，图2中ASE纹波约为2dB，增益谱纹波0.2dB。尽管幅度差异较大，但由于ASE光谱测量的简便性，我们仍可以使用ASE谱纹波来快速评估增益谱纹波。

图2 某款SOA的ASE谱纹波和增益谱纹波对比示例

纹波产生

纹波与端面反射率及增益直接相关。激光振荡条件为（GsR）2=1，其中Gs为单程增益，R代表端面反射率，为了避免激光振荡，应尽可能减少光反射回有源区域，如果反射率不够低，则在增益谱中会观察到纹波。

如上面公式，纹波深度m是前后端面反射率R1,R2和单程增益Gs的函数。例如，当R1和R2为10-4，Gs为20dB时，m=0.09dB。根据公式，减小纹波的方法就是减少增益和端面反射率。使用SOA时则可通过减小偏置电流方式来减小增益，但通常的应用中，我们需要较高的增益，因此在实际设计中，就只有一个方式就是尽可能减少端面反射率，通常需要<10-4。

除了芯片本身的端面发射外，芯片的封装，以及SOA的使用不当也会带来纹波或激射。

纹波抑制方法

1.芯片设计

SOA设计中一定要尽量减少光反射到有源区域，通常应<10-5。如果反射率不够低，则在增益谱中会观察到纹波。当纹波深度大于3dB时，此时通常被称为FP光放大器。尽管腔谐振可以增强小信号增益，但端面反射通常会影响SOA的性能。谐振波长的波动导致信号增益的变化。此外，过大的端面反射率会降低载流子密度、增益带宽和输出饱和功率，并提高噪声系数。

有多种芯片设计方法可以减少腔体谐振，这些方法相互组合可以实现更低反射率。

有多种芯片设计方法可以减少腔体谐振，这些方法相互组合可以实现更低反射率。

在芯片端面上使用抗反射涂层ARC，当具有适当厚度和折射率的介电材料层沉积到器件面上时，会形成滤光，适当设计的多层AR涂层可以在较宽的带宽上产生低至10-3的反射率。ARC涂层同样可以降低耦合输入损耗，并改善噪声系数。

倾斜有源波导，使得光被反射远离有源区。Zah等人在1987年首次采用了斜波导，角度通常在5°到10°之间，与偏振无关，可以在大波长范围内将反射率降低10-4以下。随着倾角的增加，远场不对称性开始降低与光纤的耦合效率。因此，最佳倾斜角度在7-10度之间。

使用锥形波导变细或使用窗口区域（即在端面之前终止波导），以便使模式轮廓扩展。以这种方式，仅光场的少部分被反射回有源区域。

在商用品中，通常采用斜波导和AR涂层组合的方式，这既降低了涂层公差要求，又确保了10-5量级的低反射率，以确保增益波纹保持在1dB以下。

2.封装设计

封装中避免光路中的反射可减少封装带来的纹波效应，耦合时注意避免在芯片、透镜、准直器、隔离器、光纤端面上形成FP腔，芯片和透镜等应镀有对应波长的增透膜。

3.SOA的使用

在SOA使用的光路搭建中，通常增加光隔离器或滤波器来避免反射，如下图所示。

一个纹波问题分析实例

（摘自华莱光电公众号）

从下图实测的VCSEL光谱图来看，主峰包络上出现了明显的周期性调制结构（干涉条纹样的波动），这是典型的干涉条纹叠加现象。

【观察特征】

测量范围为 1.0 nm（从 1541.726 nm 到 1542.726 nm）‍

中心波长约 1542.2 nm‍

在主峰顶和左右边沿区域均有周期性振荡调制‍

周期约为 0.1 nm 

【可能成因分析】

光路中存在反射面干涉（最常见）

如：光纤端面 ↔ VCSEL 芯片 ↔ 透镜 等形成虚拟 Fabry-Pérot 腔。

【成因可能】

① 光路中存在多余反射面，形成干涉腔

如 VCSEL 芯片与 collimator、尾纤、连接器、测试光纤末端之间形成虚拟 FP腔

多个面之间的微小反射叠加会导致拍频干涉（modulation on envelope）

用之前公式估算（周期 ≈ 0.1 nm）

条纹周期 Δλ 与腔长 L 的关系：

Δλ ≈λ2/(2nL)

例如波长为 1542 nm，干涉周期为 0.1 nm，计算可得腔长约：

L=λ2/(2nΔλ )=15422/(2*1.45*0.1)≈8.2mm

表明可能是光纤、准直透镜之间，或是器件封装内的反射造成的。

表明这个调制来自一个约 8 mm 的光学路径反射腔，很可能是光纤端面 ↔ 激光器 ↔ collimator 之间。

② VCSEL结构本身的腔内多模干涉

如果是多纵模激射，也可能产生频谱上的拍频调制。

但这种调制往往在频率上不这么规律、对称，图中更像是外腔干涉造成的清晰周期结构。

③ 测试平台反射干扰

光谱仪输入端或尾纤反射回波造成反馈干涉。

特别是若使用 FC/PC 连接器，建议用 FC/APC 斜面尾纤进行验证。

 

操作建议	作用
更换为FC/APC光纤	避免光纤端面反射
增加光隔离器	阻断反馈，改善谱稳定性
使用匹配液/凝胶或吸光材料处理光纤端面	减少尾纤反射
改变尾纤长度或绕圈验证条纹周期变化	判断干涉强是否在尾纤路径中
替换为宽带光源测试统一光路	若无条纹，确认是激光器反馈引起的

 

【总结判断】

从图上看，干涉条纹清晰、等间距、周期性良好，更倾向于是测量系统中的 FP 反射形成的干涉条纹，不是激光器本身的固有模式结构，而是外腔干涉造成的调制现象，源头可能是尾纤、准直透镜与器件之间形成了反射腔。优化耦合光路（隔离+斜面+减少反射面）后再测，基本可以消除这个条纹调制。

审核编辑 黄宇