專利名稱：分布式反饋抑制半導(dǎo)體光放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及1310nm波段或者1550nm波段兩個(gè)光纖通信窗口的采用分布式反饋抑制技術(shù)的半導(dǎo)體光放大器，屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域。
(二)技術(shù)背景(1)光放大技術(shù)是光通信技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。半導(dǎo)體光放大器對(duì)解決1310nm窗口的傳輸、未來(lái)全光網(wǎng)絡(luò)中的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換和有源光開(kāi)關(guān)、光交換、光子集成(PIC)和光電集成(OEIC)等技術(shù)問(wèn)題具有重要的意義，是光通信研究的和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要領(lǐng)域[1]，[2]。
九十年代中期，半導(dǎo)體光放大器(SOA)的研究水平已經(jīng)達(dá)到了摻鉺光纖放大器的應(yīng)用技術(shù)水平[3]，[4]。但是，由非球微透鏡和隔離器等光學(xué)元件構(gòu)成的外腔反饋抑制系統(tǒng)耦合與封裝工藝非常復(fù)雜和困難，不能滿足工業(yè)化制造的要求，高性能半導(dǎo)體光放大器產(chǎn)品價(jià)格昂貴，不能滿足市場(chǎng)的要求。阻礙了光通信技術(shù)發(fā)展。
(2)外腔反饋是SOA實(shí)現(xiàn)高增益、低噪聲的主要障礙。
SOA的反饋由芯片端面與空氣介質(zhì)和耦合光纖與空氣介質(zhì)共四個(gè)光學(xué)界面的反射造成(圖1)。
SOA的增益G滿足G=(1-R1)(1-R2)Gs(1-R1R2Gs)2+4R1R2Gssin2[2π(v-v0)L/c]]]>R1和R2分別為放大器輸入和輸出兩端的剩余反射率，Gs是單程增益，v為頻率，v0為增益譜的中心頻率，L和c分別是腔長(zhǎng)和光速。
R1和R2反饋存在，構(gòu)成諧振腔。其閾值增益gth為腔內(nèi)損耗αin和端面損耗之和gth=αin+12Lln(1R1R2)---(1)]]>由于SOA是行波工作器件，必須要有足夠高的閾值增益。腔內(nèi)損耗由材料決定，腔長(zhǎng)不可能太小，因?yàn)镾OA的增益是單程增益。從而，足夠低的反饋是既要保證器件有足夠高的偏置，又要保證增益低于閾值的必要條件。高性能SOA要求剩余反射達(dá)到10-6數(shù)量級(jí)[3]，[4]。根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)條件，采用增透膜可以將芯片的端面反射抑制到10-4量級(jí)，進(jìn)一步抑制要采用斜端面結(jié)構(gòu)[5]，[6]。雖然二者的綜合效果可以達(dá)到10-6量級(jí)剩余反射，但是，斜端面結(jié)構(gòu)帶來(lái)芯片端面與耦合光纖的模場(chǎng)失配，引起耦合損耗。反射越低，要求斜角越大，失配越嚴(yán)重，損耗越大。兩端的耦合損耗除了造成信號(hào)功率下降，從而增益下降外，輸入端的損耗尤其惡化器件的噪聲特性。另外，光纖端面的自然反射率為10-2數(shù)量級(jí)，因?yàn)楣に嚿系脑?，鍍膜困難，反射難以抑制。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，如果對(duì)耦合光纖端面形成的外腔未加抑制，器件增益難以超過(guò)14dB。目前市場(chǎng)上已推出的產(chǎn)品，均只能工作在低增益狀態(tài)。
SOA的噪聲機(jī)制為自發(fā)發(fā)射與自發(fā)發(fā)射拍噪聲和信號(hào)與自發(fā)發(fā)射拍噪聲。前者可以通過(guò)窄帶濾波器濾去，因而噪聲指數(shù)F為F=2χnsp+χnsp2mtΔf⟨nin⟩---(2)]]>χ是與單程增益和反射有關(guān)的常數(shù)，mt為1或2，視偏振而定，Δf為濾波器的帶寬，<nin>是輸入端的光子密度，nsp是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)參數(shù)nsp=ΓTsponΓTstim-αvg---(3)]]>Γ是光場(chǎng)限制因子，α是損耗系數(shù)，vg是群速度，Tspon，Tstim分別是自發(fā)發(fā)射速率和受激發(fā)射速率。因?yàn)橥馇环答仯骷ぷ髟诘推孟拢⑷胼d流子濃度低，受激發(fā)射弱，自發(fā)發(fā)射的噪聲功率相對(duì)強(qiáng)，噪聲指數(shù)高。據(jù)申請(qǐng)人以前的工作，偏置90mA下，噪聲指數(shù)的測(cè)量值一般在10dB以上。相關(guān)報(bào)道小于7dB噪聲指數(shù)的SOA，對(duì)應(yīng)400mA偏置工作狀態(tài)。
反饋帶來(lái)的另一個(gè)副作用是引起增益波動(dòng)，由反饋對(duì)增益的調(diào)制造成m=(1+R1R2Gs1-R1R2Gs)2---(4)]]>在密集波分復(fù)用傳輸系統(tǒng)中，要求增益波動(dòng)小于0.5dB，實(shí)際更低。如果要求小于0.2dB，假設(shè)芯片的單程增益為30dB，則剩余反射應(yīng)達(dá)到10-5。
(3)到目前為止，國(guó)際上抑制外腔反饋的技術(shù)是采用復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)[3]，[4]，例如，采用非球透鏡、光隔離器和斜端面光纖(圖2)。
非球透鏡實(shí)現(xiàn)芯片與光隔離器、光隔離器與光纖之間的模場(chǎng)匹配，隔離器抑制反饋。這樣一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的耦合封裝非常困難，幾乎不可能批量生產(chǎn)。
(4)針對(duì)以上問(wèn)題，本發(fā)明申請(qǐng)人提出一種新的技術(shù)思想，采用非對(duì)稱的有源波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，在芯片有源區(qū)的內(nèi)部自行實(shí)現(xiàn)反饋抑制。本技術(shù)的理論依據(jù)是光場(chǎng)沿彎曲波導(dǎo)增益?zhèn)鞑サ倪^(guò)程中，產(chǎn)生彎曲損耗，局部損耗的大小和傳播方向與波導(dǎo)切向的夾角相關(guān)。在非對(duì)稱的彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，波導(dǎo)側(cè)面任一位置的前向波和反射波因?yàn)椴ㄊ阜较蚺c波導(dǎo)切向具有不同的夾角，因而可以在前向波損耗不大的條件下，盡量增大反射波的損耗，使反射場(chǎng)的能量沿波導(dǎo)側(cè)向包層釋放。另外，同樣由于前向波和反射波因?yàn)椴煌ㄊ阜较虻脑颍斐刹煌南嘁?，形成相位干擾。以上兩個(gè)原因，使得振蕩所需的振幅和相位匹配條件難以滿足，實(shí)現(xiàn)高注入下的行波工作。本發(fā)明與現(xiàn)有半導(dǎo)體光放大器反饋抑制技術(shù)的不同之處在于后者是針對(duì)外腔的抑制，而本發(fā)明則是針對(duì)反饋光場(chǎng)振幅和相位的抑制。
(5)在國(guó)家自然科學(xué)基金的支持下，本發(fā)明申請(qǐng)人開(kāi)展了針對(duì)這一技術(shù)的研究工作集中在有源彎曲波導(dǎo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)上。研究針對(duì)圖3所示的SOA物理模型，采用時(shí)域有限差分法(FDTD)設(shè)計(jì)和仿真。以Maxwell方程為基礎(chǔ)，在給定有源波導(dǎo)增益系數(shù)的條件下，輸入一高斯光脈沖，對(duì)不同彎曲有源波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的SOA模型進(jìn)行FDTD方法的設(shè)計(jì)仿真。通過(guò)優(yōu)化輸出和反饋的比值來(lái)優(yōu)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。由此獲得所希望的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
理論和方法如下考慮注入載流子對(duì)材料折射率的影響以及色散效應(yīng)，有源介質(zhì)折射率的變化為
δn(N,ω)=c2πω∫-∞∞g(N,ω)ω-ω′dω′---(5)]]>其中，N和ω分別是注入載流子濃度和光場(chǎng)角頻率，g(N，ω)增益系數(shù)。
有源介質(zhì)的極化率為χ(N,ω)=2ϵrδn(N,ω)-jg(N,ω)k---(6)]]>將極化率表示成如下的洛侖茲形式χ^(N,ω)=χ0(N)+Σl=1NAl(N)jΓl(N)+(δ0+ω-δl(N))χ0(N)=2ϵrδn0(N)-jg0(N)k---(7)]]>其中，χ0(N)，A1(N)，Γ1(N)，δ1(N)為待定參數(shù)，它們只是載流子濃度N的函數(shù)，而 ωc為中心角頻率，Eg為禁帶寬度。
利用插值方法可以給出χ0(N)，A1(N)，Γ1(N)，δ1(N)的解析關(guān)系。
對(duì)于非磁性介質(zhì)，Maxwell方程的兩個(gè)旋度方程為▿×E‾=-μ0∂H→∂t▿×H→=∂D→∂t---(8)]]>其中D→=ϵE→+P→=ϵ0ϵrE→+P→.]]> 為介質(zhì)的極化強(qiáng)度，由下式給出。P→=P0→+P1→+P2→+·····]]>(9)其中P→0(ω)=ϵ0ϵrχ0(N)E→(ω)P→l(ω)=ϵ0ϵrχ^l(N,ω)E→(ω),l=1,2···---(10)]]>χ^l(N,ω)=Al(N)jΓl(N)+(δ0+ω-δl(N))]]>上式的作傅立葉變換為P→0=ϵ0ϵrχ0(N)E→(t)dP→l(t)dt=jϵ0ϵrAl(N)[Γl(N)-j(δ0-δl(N))]exp{[Γl(N)-j(δ0-δl(N))]t}×[∫0texp[-[Γl(N)-j(δ0-δl(N))]s]·E→(s)ds]+jϵ0ϵrAl(N)E→(t)---(11)]]>采用二能級(jí)增益介質(zhì)系統(tǒng)，其增益系數(shù)可以寫(xiě)為[6]
g(ω)=g01+(ω-ω0)2T22---(12)]]>式中，g0是取決于放大器泵浦水平的增益峰值，ω為入射光頻率，ω0為原子躍遷頻率。T2為偶極子弛豫時(shí)間(T2≈0.1ps)。
因而，δn(ω)=c2πω∫-∞∞g01+(ω′-ω0)2T221ω-ω′dω′=cg02ωT2(ω-ω0)1+(ω-ω0)2T22---(13)]]>χ(ω)=cg0T2ϵr[-ω0+jα][1ω-ω-ω0(ω-ω0)2+α2+jα(ω-ω0)2+α2]---(14)]]>其中，α＝1/T2。
對(duì)(2-6)式作傅立葉變換可得χ(t)=cg0T2ϵr[-ω0+jα][1-e(jω0-α)t+je(jω0-α)t],t>0cg0jT2ϵr[-ω0+jα],t=0cg0T2ϵr[-ω0+jα][-1+e(jω0+α)t+je(jω0+α)t],t<0---(15)]]>同樣，由(2-6)式和(2-2b)式可以得到極化強(qiáng)度的表示為Pr(ω)＝ε0χ(ω)E(ω)＝ε0βE(ω)/{ω[ω-ω0+jα]}(16)其中，β=cg0/(T2ϵr).]]>上式的傅立葉變換為∂P→r(t)∂=e(jω0+α)t[c0-∫0tϵ0βe-(jω0+α)sds]---(17)]]>當(dāng)Pr(t)在起始點(diǎn)處為一緩變函數(shù)時(shí)，可以認(rèn)為t＝0時(shí)刻有∂P→r(t)/∂t|t=0=0,]]>由此有c0＝0(18)將上述極化矢量代入Maxwell方程的兩個(gè)旋度方程為得到∂Ez∂y-∂Ey∂z=-μ0∂Hx∂t∂Ex∂z-∂Ez∂x=-μ0∂Hy∂t∂Ey∂x-∂Ex∂y=-μ0∂Hz∂t∂Hz∂y-∂Hy∂z=ϵ∂Ex∂t+∂Prx∂t∂Hx∂z-∂Hz∂x=ϵ∂Ey∂t+∂Pry∂t∂Hy∂x-∂Hx∂y=ϵ∂Ez∂t+∂Prz∂t---(19)]]>利用直角坐標(biāo)系下的Yee網(wǎng)格算法，得到其離散形式。
Ex(r→,n+1)=Ex(r→,n)+Δtϵ[∂Hz∂y-∂Hy∂z]-Δtϵ∂Prx(r→,t)∂t|t=n+12Ey(r→,n+1)=Ey(r→,n)+Δtϵ[∂Hx∂z-∂Hz∂x]-Δtϵ∂Pry(r→,t)∂t|t=n+12Ez(r→,n+1)=Ez(r→,n)+Δtϵ[∂Hy∂x-∂Hx∂y]-Δtϵ∂Prz(r→,t)∂t|t=n+12---(20)]]>∂Prx(r→,t)∂t|t=n+12=-ϵ0e(α+jω0)(n+12)Δt{Σl=1nβEx(r→,l)Δte-(α+jω0)lΔt+β3Ex(r→,n)-Ex(r→,n-1)2Δte-(α+jω0)(N+12)Δt}∂Pry(r→,t)∂t|t=n+12=-ϵ0e(α+jω0)(n+12)Δt{Σl=1nβEy(r→,l)Δte-(α+jω0)lΔt+β3Ey(r→,n)-Ey(r→,n-1)2Δte-(α+jω0)(n+12)Δt}∂Prz(r→,t)∂t|t=n+12=-ϵ0e(α+jω0)(n+12)Δt{Σl=1nβEz(r→,l)Δte-(α+jω0)lΔt+β3Ez(r→,n)-Ez(r→,n-1)2Δte-(α+jω0)(n+12)Δt}---(21)]]>選擇調(diào)制高斯脈沖作為輸入光E(t)=cos(ω0t)e-(t-nTmT)2---(22)]]>其頻域形式為E(ω)=πmT2e-m2T2(ω+ω0)24e-jnT(ω+ω0)[1+ej2nTω0em2T2ωω0]---(23)]]>經(jīng)過(guò)合理的分析，取高斯脈沖參數(shù)m＝19，n＝1，T＝0.7×10-15s。
用于三維仿真的物理模型如(圖3)所示。陰影部分為吸收層，吸收層內(nèi)部為計(jì)算區(qū)域。計(jì)算區(qū)域中，在z軸方向的左側(cè)底部是入射光區(qū)；右側(cè)是輸出的光纖部分，其中，中間為光纖芯，兩側(cè)為光纖包層。計(jì)算區(qū)域的中間為半導(dǎo)體光放大器芯片。為了計(jì)算方便，我們將光纖和增透膜之間的區(qū)域及入射光區(qū)定義為真空。
利用時(shí)域有限差分方法求解Maxswell方程，給出計(jì)算區(qū)域中電磁場(chǎng)的分布。根據(jù)電磁場(chǎng)的分布，可以得到1)輸出光纖處透射的電磁能量2)入射光區(qū)接收到的反射能量利用入射光區(qū)的反射能量與輸出光纖處透射的能量比來(lái)對(duì)彎曲波導(dǎo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖1是光纖直接耦合形成光學(xué)界面的示意圖；圖2是采用光隔離器的SOA結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是用于FDTD仿真的SOA芯片結(jié)構(gòu)物理模型；圖4是有源彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖。
(四)具體實(shí)施一個(gè)設(shè)計(jì)的實(shí)例見(jiàn)(圖4)。
材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)如下有源層厚度d＝1.0μm光纖芯直徑D＝10.0μm有源波導(dǎo)折射率(InGaAsP)3.5包層折射率(InP)3.2光纖芯折射率(SiO2)1.46光纖包層折射率(SiO2)1.45波長(zhǎng)1.55μmR/R1/R2＝1/1.58/0.42仿真結(jié)果輸出光功率1.0mW，對(duì)應(yīng)相同長(zhǎng)度(直線長(zhǎng)度)的彎曲波導(dǎo)和直波導(dǎo)的反饋之比約為5.3％(五)主要參考文獻(xiàn)[1]Stephen Hardy，SONATA project to play all-optical tune，Lightwave，1998，September，23-24.Stephen Hardy，Amplifier research seeks to open‘seeks window’，Lightwave，1998，November，36-38.Tiemeijer L.F.，High performance MQW laser amplifiers for transmission systemsoperating in the 1310nm window at 10Gbit/s and beyond，Proceedings of 21th Europeconference on optical communication，ECOC’95-Brussel，259-266.L.F.Tiemeijer et al.，Packaged high gain unidirectional 1300nm MQW amplifiers，Proc.45thElec.Comp.& Tech.Conf.，1995，751-758[4]段子剛等，一種適合于大量制備行波SOA增透膜新技術(shù)，激光技術(shù)，2004年第5期。Duan Zigang，Huang Dexiu，Experimental study on semiconductor optical amplifierswith angled facets，Chinese Journal of lasers B，Vol.8，N1，F(xiàn)eb.20，1999.
權(quán)利要求
1 分布式反饋抑制半導(dǎo)體光放大器，其芯片結(jié)構(gòu)在于因?yàn)椴▽?dǎo)彎曲的非對(duì)稱性，結(jié)構(gòu)上具有光場(chǎng)傳輸?shù)姆较蛐裕?br> 2 分布式反饋抑制半導(dǎo)體光放大器，其芯片結(jié)構(gòu)在于在有源波導(dǎo)的輸入和輸出端分別具有直波導(dǎo)部分，以改善波導(dǎo)輸入、輸出模場(chǎng)與耦合光纖模場(chǎng)的匹配；
3 分布式反饋抑制半導(dǎo)體光放大器，其芯片結(jié)構(gòu)在于芯片端面采用采用自然解理面的垂直端面，在需要更高程度反饋抑制的條件下，采用傾斜端面；
4 分布式反饋抑制半導(dǎo)體光放大器，其芯片結(jié)構(gòu)在于有源波導(dǎo)的彎曲部分具有變化的曲率半徑。沿著光場(chǎng)傳播方向曲率半徑逐步減小，在彎曲波導(dǎo)與直波導(dǎo)的連接處采用光滑連接過(guò)渡。
全文摘要
采用非對(duì)稱彎曲有源波導(dǎo)芯片結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體光放大器，適用于1310nm波段和1550nm波段。屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域。這種新型結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體光放大器的特點(diǎn)在于通過(guò)引入非對(duì)稱彎曲損耗，在芯片內(nèi)部分布式地減少甚至消除反饋，并通過(guò)引入波導(dǎo)側(cè)面上的古斯－漢森(Goos－Hanchen)位移形成的反射相移來(lái)擾動(dòng)反射場(chǎng)的相位，使光場(chǎng)偏離振蕩條件，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體光放大器在高注入下行波工作，達(dá)到高增益和低噪聲的目的。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于不需要對(duì)耦合光纖形成的外腔采用自由空間隔離器和非球透鏡等分立光學(xué)元件構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)來(lái)加以抑制，避免了這些微小器件對(duì)準(zhǔn)、耦合和封裝上的困難，降低了工藝要求，有利于實(shí)現(xiàn)高增益半導(dǎo)體光放大器低成本條件下的工業(yè)化制造，還可以不采用斜端面芯片結(jié)構(gòu)來(lái)抑制芯片增透后的有效剩余反饋，避免斜腔輸出的模場(chǎng)與耦合光纖的模場(chǎng)嚴(yán)重失配造成的耦合損耗。
文檔編號(hào)G02F1/39GK101063731SQ20061008006
公開(kāi)日2007年10月31日 申請(qǐng)日期2006年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月30日
發(fā)明者段子剛 申請(qǐng)人:深圳大學(xué)