用于自由空间光通信的稳健型的高功率单模1550 nm半导体光放大器

Michelle Labrecque, Jenna Campbella, Allen Chua, Kevin McClunea, Steven Estrellaa, Elliot Burkea, Thomas Liua, Henry Garretta, Matthew Larkinsa, Sarah Kinneya, Gordon Morrisona, Leif Johanssona, Milan Mashanovitcha, Paul Leisherb

摘要

1550 nm波长的瓦级半导体光放大器（SOA）在自由空间光通信（FSO）等多种应用中，是替代掺铒光纤放大器（EDFA）的理想选择。其具有更高的效率、更紧凑的结构和更低的成本，同时能提供高功率衍射极限输出。我们展示了一款单模光纤耦合封装的SOA，在1550 nm波长下可实现大于30 dBm（1.2 W）的连续波出纤功率[1]，总增益为16 dB，这得益于锥形半导体放大器在衍射极限输出方面的最新进展。文中给出了初步的通信测量结果，在输出功率大于1 W时实现了眼图张开，适用于10 Gbps差分相移键控（DPSK）通信格式。目前，瓦级的准直和光纤耦合SOA已实现量产并向客户供货。

关键词：高功率二极管激光器；高光束质量；高亮度光源；自由空间光通信；1550 nm；半导体光放大器

1.引言

自由空间点对点光链路能够实现视距内收发器之间的长距离数据通信。自由空间光通信（FSO）在航天和军事应用中特别受关注，它能够在航天器、飞机和地面收发器之间实现高速通信，通信距离可能极长。这些系统需要高功率光放大器和高亮度输出。半导体二极管激光器在高功率激光系统中常发挥作用，因其能以良好的电光转换效率输出高功率。然而，传统的高功率边缘发射面阵激光器存在亮度低的问题（单位角度功率低），这意味着从大面积发射区域发出的能量无法聚焦到远距离目标上的小光斑处。这限制了高功率激光器的实用性。因此，二极管激光器常被用于泵浦其他光有源增益介质，比如光纤激光器或固体激光器。这些激光器以单空间模式工作，从而提供所需的高亮度输出。在这类系统中，光纤激光器或固体激光器可被称为 “亮度转换器”，因为它将高效率的二极管泵浦光束转换为高亮度光束。但这种转换过程会降低整个系统的效率，因为必须考虑二极管激光器的电光转换效率，以及因二极管激光器泵浦而产生的增益介质的光-光转换效率。此外，为降低效率，这些级联激光系统往往部件繁多，每个部件都需要热管理。随着技术的进步，一直存在将系统朝着更低成本、更小尺寸、更轻重量和更低功耗（c-SWAP）方向推进的动力。只要这些c-SWAP方面的改进不以牺牲性能为代价，就能使用户受益。

与标准方法相比，一种颇具吸引力的替代系统架构是省去亮度转换组件，在最终应用中直接使用二极管。这种直接二极管解决方案可以更加紧凑、高效且具有成本效益。然而，要实现这种方法，需要在高功率、高亮度边发射二极管和放大器的亮度方面取得进展。在此，我们报告了在15xx nm波长波段下，亮度超过先前报道性能的器件[2]。这些器件具有显著优势，能够使直接二极管系统具备可行性

2.锥形半导体放大器工作原理

这里介绍的半导体光放大器基于锥形芯片架构，可用于实现具有接近衍射极限光束质量的高输出功率。以下描述该放大器的工作原理。芯片由两个部分组成：前置放大器（pre - amp）部分和锥形功率放大器（PA）部分，如图1所示。种子光耦合到前置放大器，它具有脊形波导结构，波导几何形状为单空间模式，起到空间模式滤波器的作用。该部分输出的光随后注入到功率放大器中，功率放大器是一个未蚀刻的模式扩展区域，其中基模高斯光束可因衍射而自由扩展。用于注入电流的喇叭形电极在该区域进行图案化，其角度与注入光束的自然衍射角相匹配。这一部分用于高效放大来自前置放大器的信号。由于光束可自由扩展，光模式的横截面积随位置增加。这种设计有两个重要作用：第一，它使峰值强度远低于传统高功率单模脊形波导放大器中的情况，从而保证良好的可靠性；第二，它大大降低了器件的热阻，使得功率提取比传统单模器件更高。尽管基于锥形或喇叭形放大器几何结构的器件已制造出来，甚至在过去多年实现了商业化，但它们一直存在光束质量在高工作电流下退化的问题[3-6]。我们已经确定了导致这种光束质量退化的根源，通过解决这一根源问题，我们得以消除这种影响并提升器件性能，实现高单模功率输出，进而取得重大突破成果。

光束质量退化部分是由光模式轮廓与电流注入轮廓不匹配导致的。在功率放大器区域传播的光模式横向横截面近似高斯分布，而电流注入的横向横截面却常呈顶帽状。因此，与光模式边缘区域相比，重叠区域的载流子能更有效地通过辐射复合转化为光子，使得光束中心的载流子密度和增益饱和程度更高。这就造成了载流子密度的横向不均匀性，使光模式产生“等离子体透镜”效应，即光模式折射率对载流子密度呈现连续波（CW）或准连续波依赖特性。此外，器件中存在热梯度，中心温度往往高于边缘温度。这就形成了一种众所周知的热透镜效应[7-9]。载流子透镜和热透镜共同作用，导致锥形激光器和放大器的光束质量下降。基模之外任何细丝中的光强增加，都会使输出光束不再符合衍射极限。随着这些细丝在更高驱动电流下光强增加，锥形二极管激光器和放大器的光束质量会进一步退化。我们采用针对性的工程设计和电流注入轮廓优化方法，使注入轮廓与基本光模式更好匹配，从而提升了锥形半导体光放大器的单模输出功率。

3.结果

半导体光放大器（SOA）器件通过标准的纳米制造工艺技术在磷化铟（InP）外延片上制造，这些工艺包括接触金属沉积、电介质沉积、反应离子干法刻蚀以及衬底减薄和金属化。晶圆制造完成后，对晶圆条进行解理，并在前后腔面施加抗反射（AR）电介质涂层。单个SOA器件使用硬焊料在膨胀匹配衬底上进行芯片对芯片的双面组装，并集成到紧凑的双端口光纤耦合封装中（见图2）。带有定制光学元件的透镜在SOA芯片的输入和输出端进行主动对准并固定在封装内。输入和输出光纤均为保偏（PM）单模光纤（FC/APC连接器，纤芯直径为8μm）。

3.1 连续波种子光下的放大器特性表征

将封装好的半导体光放大器（SOA）用稳定的窄线宽分布式反馈（DFB）激光器作为种子光，在室温20℃下以连续波（CW）模式进行特性表征，结果如图2所示。在种子光功率固定为50 mW的情况下，绘制了SOA功率和电压随SOA电流变化的曲线。当SOA电流为7.5 A时，实现了超过1.2 W的输出功率，这对应着器件的电光转换效率为14%。在此过程中，我们测量了准直光束的光功率为1.8 W，因此光纤耦合效率为65%，工作点如图中插图所示，该插图是双端口光纤耦合封装的计算机辅助设计（CAD）渲染图。同时还绘制了DFB种子光以及封装好的SOA输出光的光谱。在输入功率约为40 mW、SOA电流固定为7.5 A的情况下，绘制了封装好的SOA的光功率、增益（以dB为单位）和总增益随种子光功率变化的曲线。封装好的SOA在1.2 W输出功率下的增益为15 dB。这些结果有望通过推出紧凑、高效的光纤耦合SOA产品，在1550 nm市场引发变革。

3.2 数据通信中的放大器特性表征

为确定半导体光放大器（SOA）在高速数据通信应用中使用幅度调制（AM）输入信号时的性能，采用了图3所示的方案。脉冲图案发生器（PPG）生成码长为27-1的非归零开关键控（NRZ, OOK）周期伪随机二进制序列（PRBS），该序列驱动带有集成射频（RF）驱动器的调制器，并注入稳定的分布式反馈（DFB）激光源。信号以2.5 Gbps速率调制，种子光经过一个由商用掺铒光纤放大器（COTS EDFA）组成的双级放大，在以下描述的各种实验装置中与封装好的SOA进行对比。放大器输出经过衰减，由内置光电探测器转换为电信号，由数据通信分析仪（DCA）进行分析。眼图通过触发数字示波器中的时钟信号输出进行显示。

图4左侧展示了对脉冲图案发生器（PPG）输出的2.5 Gbps电比特序列眼图的直接测量结果，右侧是掺铒光纤放大器（EDFA）单级放大后的眼图，其平均输入和输出功率分别为10 mW和400 mW 。EDFA输出的眼图张开，具有明显的高、低电平以及清晰的比特转换，这是EDFA数据通信幅度调制（AM）输出的特征。在EDFA后添加一个光谱滤波器，并将封装好的半导体光放大器（SOA）作为第二级放大。EDFA的平均功率降低，使得35 mW的平均输入功率耦合到SOA的输入端，此时SOA驱动电流为5 A ，输出功率约为550 mW 。此设置的眼图如图5左侧所示，在比特上升沿转换时可明显看到功率过冲。这种过冲可归因于载流子寿命导致的图案相关性，当SOA增益超过放大器的饱和强度时，就会出现这种效应。在图案效应仍然明显（图5右侧）的情况下，SOA作为平均输入种子功率为5 mW、平均输出功率为300 mW的单级放大器使用。除了初步测量外，还需要进一步研究，以确定封装好的SOA在数据通信中的实用性。

差分相移键控（DPSK）是另一种常见的数据通信格式，在这种格式中，光程长度被高速调制，同时不改变数据信号的幅度，而是将数据比特编码在输出信号的相对相位中。下面图6所示的实验装置中，幅度调制器被铌酸锂（LiNbO3）调制器取代，由脉冲图案发生器（PPG）驱动输出。此外，在衰减级之后放置了一个10 Gbps非对称马赫-曾德尔干涉仪（AMZI）。AMZI的工作原理是通过将每个比特与前一个比特进行干涉，从而将10 Gbps的相位数据转换为幅度调制数据，产生相长干涉（0-1或1-0比特转换，对应1电平输出）或相消干涉（0-0或1-1比特转换，对应0电平输出）。来自AMZI的幅度调制输出信号随后由数据通信分析仪（DCA）进行测量并呈现为眼图。

图7左侧展示了对脉冲图案发生器（PPG）输出的10 Gbps电眼图的直接测量结果。由于数据速率接近PPG能力的上限，比特转换看起来较为圆滑。由商用掺铒光纤放大器（COTS EDFA）对来自非对称马赫-曾德尔干涉仪（AMZI）的10 Gbps输出进行单级放大后的眼图，如图7右侧所示。此处，比特转换出现了偏移，在第二根AMZI臂（未显示）中没有连续的0电平比特数据，从而产生了镜像反转的眼图。平衡式光探测器可用于改善该实验装置下的眼图。

接下来，在掺铒光纤放大器（EDFA）的输出端添加一个光谱滤波器，然后接入封装好的半导体光放大器（SOA）进行两级放大，眼图如图8左侧所示。此时，输入到EDFA的总功率为6.3 mW，在5 A驱动电流下SOA的输出功率为550 mW。该眼图在定性上与仅使用EDFA时（图7右侧）相似，但有明显张开的眼图和显著的功率过冲图案效应。将SOA的驱动电流增加到7 A时，输出功率超过1 W（图8右侧）。此时，较高电平比特中存在一些额外的噪声，但眼图仍可清晰分辨。这些初步数据表明，锥形SOA在瓦特级差分相移键控（DPSK）格式的高速数据通信中极具潜力，有望替代光纤放大器级联中的一级或多级。

4.结论

配备半导体光放大器（SOA）的自由空间光（FSO）通信系统，相比仅依赖基于光纤信号放大的系统，有望更轻便、紧凑，且具备更高系统效率、更低复杂度和成本。我们近期在高亮度半导体光放大器方面取得的进展，使曾经难以实现的直接二极管解决方案成为可能。初步测量结果表明，瓦特级的差分相移键控（DPSK）信号在10 Gbps速率下，使用1550 nm的锥形SOA具备应用潜力。特别地，更小型且高功率的FSO收发器能够为空间和机载FSO通信系统带来显著优势。

参考文献

[1] J. Campbell et al, "30 dBm single mode fiber-coupled semiconductor optical amplifier at 1550 nm," in 2022 28th International Semiconductor Laser Conference (ISLC), 16-19 Oct. 2022 2022, pp. 1-2, doi: 10.23919/ISLC52947.2022.9943511.

[2] S. Tanaka, S. Tomabechi, A. Uetake, M. Ekawa, and K. Morito, "Record high saturation output power (+20 dBm) and low NF (6.0 dB) polarisation-insensitive MQW-SOA module," Electronics Letters, vol. 42, no. 18, pp. 10591060. [Online]. Available: https://digital-library.theiet.

[3] R. Ostendorf et al, "10 W high-efficiency high-brightness tapered diode lasers at 976 nm," Proc. of SPIE, doi: 10.1117/12.761124 vol. 6876, 2008. [Online].

[4] X. Wang et al, "17-W Near-Diffraction-Limited 970-nm Output From a Tapered Semiconductor Optical Amplifier," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 25, no. 2, pp. 115-118, 2013, doi: 10.1109/LPT.2012.2228185.

[5] S. R. Selmic et al, "Single frequency 1550-nm AlGaInAs-InP tapered high-power laser with a distributed Bragg reflector," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 14, no. 7, pp. 890-892, 2002, doi: 10.1109/LPT.2002.1012375.

[6] M. T. Kelemen, J. Weber, G. Kaufel, R. Moritz, M. Mikulla, and G. Weimann, "8 W high-efficiency high-brightness tapered diode lasers at 976 nm," 2006, vol. 6104, pp. 61040D-61040D-9. [Online].

[7] J. Rieprich, M. Winterfeldt, J. Tomm, R. Kernke, and P. Crump, "Assessment of factors regulating the thermal lens profile and lateral brightness in high power diode lasers," 2017, vol. 10085, pp. 1008502-1008502-10. [Online].

[8] P. Chan, K. Pipe, J. Plant, R. Swint, and P. Juodawlkis, "Temperature mapping and thermal lensing in large-mode, high-power laser diodes," Applied physics letters, vol. 89, no. 20, p. 201110, 2006.

[9] J. G. Bai et al, "Mitigation of thermal lensing effect as a brightness limitation of high-power broad area diode lasers," Proc. of SPIE, doi: 10.1117/12.875849 vol. 7953, pp. 79531F-79531F-7, 2011. [Online].

审核编辑 黄宇