半导体光放大器SOA增益特性仿真

----翻译自Farah Diana Mahad等人2015年文章 

1.摘要

半导体光放大器SOA目前在一些通信网络中常被用作功率放大器或前置放大器。然而，在未来全光开关、再生以及波长转换方案中，半导体光放大器也有望成为多功能元件的有力候选。鉴于此，本文旨在对半导体光放大器的性能进行仿真，以优化其放大和开关功能。研究采用OptSim软件对半导体光放大器进行建模与仿真；为验证仿真结果，还采用MATLAB数学模型辅助半导体光放大器的设计。通过该模型可知，在非饱和区域，仿真结果与数学计算结果的增益差值小于1dB。数学分析结果与仿真结果吻合良好，仅因软件本身在匹配半导体光放大器增益动态特性方面存在局限性，导致出现微小偏差。

2.关键词

半导体光放大器SOA、增益特性、饱和区域、非饱和区域

3.引言

半导体光放大器SOA技术因其商业价值和在光纤通信系统中的未来潜力而备受关注。半导体光放大器的基本原理与工作在阈值偏置附近的激光二极管十分相似，不同之处在于半导体光放大器具有内部抗反射涂层，可将其反射率降至接近零。在通信网络中，半导体光放大器通常通过充当功率放大器、在线放大器[1]或前置放大器，在通信链路的不同节点对光信号进行再生。

然而，由于半导体光放大器无需进行光电转换，且近年来光半导体制造技术和器件设计取得了突飞猛进的发展，它们在未来全光通信网络中展现出作为器件元件的巨大潜力。因此，除放大功能外，半导体光放大器还可在未来全光开关[2,3,4]、再生和波长转换[5,6]方案中用作多功能元件。

4.数学模型

半导体光放大器主要有三种类型：行波型、法布里-珀罗型和注入锁定型。本文所建立模型的半导体光放大器为行波型放大器，该放大器具有波长平坦增益，同时考虑了载流子时间动态特性和饱和特性。在这种行波型光放大器中，其端面涂有抗反射涂层，使得光波仅能单次穿过二极管的粒子数反转区域。

当光和偏置电流注入半导体光放大器时，其有源区的增益会发生变化，这种变化可通过增益特性方程来描述。放大器的非饱和增益介质由非饱和增益系数g0描述，其表达式如下[7]：

式中，Γ为限制因子，a为材料增益，I为注入半导体光放大器的偏置电流，τs为自发载流子寿命，e为电子电荷，N0为透明载流子浓度。

半导体光放大器的有源区体积V为：

其中，L、W和D分别表示有源区的长度、宽度和厚度。

行波型放大器的单程增益（也称为放大器的非饱和增益）G0可表示为：

放大器增益G可通过以下公式计算得出：

式中，Pout为光输出功率，Ps为放大器的饱和功率，其表达式为：

在公式（5）中，h为普朗克常数，w0为光频率，σm为有源区的截面积（约等于W*D）。由公式（4）可知，当Pout与Ps处于同一数量级时，增益G会从G0开始下降；同时，从公式（4）还可推断出，当半导体光放大器的输入光功率较低时，其增益高于输入光功率较高时的增益，这就是增益饱和现象产生的原因。

5.建模与仿真

研究采用OptSim软件对半导体光放大器进行建模与仿真。为使半导体光放大器同时具备放大器和开关的功能，将其偏置电流设定为最佳值250mA。通过向半导体光放大器通入电流，实现放大和开关功能。半导体光放大器系统的仿真示意图如图1所示，该系统包含多个元件，如激光器、光衰减器、半导体光放大器、带通滤波器、低通滤波器和PD；同时，采用光功率计和示波器分别测量功率信号和Q因子。

仿真过程采用不归零NRZ伪随机码（PRBS）信号，数据速率为2.5Gb/s，中心波长为1550nm。在半导体光放大器之后有带通滤波器，目的是去除信号带宽外额外的ASE；其中，15dB的Attenuator1用于模拟实际的光通信系统环境，Attenuator2则用于平衡增益与损耗。仿真中所使用的半导体光放大器参数选自先前的研究成果[8]，具体参数如表1所示。

表一仿真参数

6.结果与讨论

在先前的研究[9]中，已初步探究了输入功率对半导体光放大器增益特性和Q因子的影响。图2和图3分别展示了采用OptSim软件仿真半导体光放大器时，输出功率随输入功率的变化关系以及增益特性。在半导体光放大器达到饱和状态之前，输出功率与输入功率呈线性增长关系；当半导体光放大器达到饱和状态后，有源区的载流子会逐渐耗尽，进而导致放大器增益下降。

在达到饱和值之前，半导体光放大器可有效作为恒定增益放大器工作，此时输出信号不受半导体光放大器非线性响应的影响。通过软件测量可知，非饱和区域的增益约为35.7dB；同时，根据曲线估算，当输出功率达到约7dBm时，半导体光放大器开始进入饱和状态。

为验证仿真结果，研究采用数学模型辅助半导体光放大器的设计。数学分析过程如下：利用MATLAB和 Excel，将半导体光放大器参数代入现有文献[7,10]中的增益特性方程，通过公式（4）计算得出结果，并绘制如图4所示的曲线。从图中可以看出，在非饱和区域，仿真结果与数学计算结果的增益差值约为10dB。

产生这一差值的原因是，该方程未考虑半导体光放大器的内部波导散射损耗。因此，对公式（1）进行修正，修正后的公式如下：

式中，αs为内部波导散射损耗。图5展示了考虑内部波导散射损耗后的结果，由图可知，在非饱和区域，仿真结果与数学计算结果的增益差值小于1dB。

7.结论

本文对偏置电流为额定值250毫安时半导体光放大器的增益响应进行了仿真。利用文献中的半导体光放大器参数，通过数学分析对仿真结果进行了验证。数学分析结果与仿真结果吻合良好，仅因软件本身在匹配半导体光放大器超快增益动态特性方面存在局限性，导致出现微小偏差。这些结果为确定实际半导体光放大器增益和开关功能的最佳工作点提供了有用的操作信息。

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半导体光放大器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。

天津见合八方光电科技有限公司是一家专注国产半导体光放大器SOA研发和生产的高科技企业，目前已推出多款半导体光放大器SOA产品(850nm,1060nm,1270nm,1310nm, 1550nm,1625nm)以及增益芯片RSOA产品(850nm,1310nm,1550nm)，公司已建立了万级超净间实验室，拥有较为全面的光芯片的生产加工、测试和封装设备，并具有光芯片的混合集成微封装能力。目前公司正在进行NLL/ECL+SOA的混合集成器件、大功率SOA器件的研发工作，并可对外承接各种光电器件测试、封装和加工服务。