CN113169516B - 一种具有更大动态范围的光放大器 - Google Patents

Abstract

一种光放大器，具有正面、背面和光学空腔，所述空腔具有限定在所述正面与所述背面之间的长度，所述空腔包括：与所述正面相邻的第一区段，所述第一区段具有在损失、零偏置和增益之间可控的偏置；以及与所述背面相邻的第二区段，其中，所述第二区段具有在零偏置与增益之间可控的偏置；其中，所述第一区段的长度短于所述第二区段的长度。

Description

一种具有更大动态范围的光放大器

背景技术

本发明涉及光放大器器件，例如涉及扩大这种器件的输入功率范围。

高性能、低成本的半导体光放大器(semiconductor optical amplifier，SOA)和可变光衰减器(variable optical attenuator，VOA)模块用于大容量和高速光接入网等应用。

传统的光放大器或衰减器通常包括半导体块，所述半导体块具有正面、与正面相对的背面以及形成在二者之间的光学空腔。该空腔传统上包括插入p型或n型半导体材料层之间的有源层，并限定了波导结构，该波导结构可以是脊形波导(ridge waveguide，RW)或埋入异质结构(buried heterostructure，BH)波导。抗反射(anti-reflection，AR)涂层等一个或多个涂层可以涂覆到正面和背面。

这种器件可以由电流源、电压源或可切换源驱动，以便通过来自器件有源区域或由器件有源区域本身产生的刺激或吸收，使得沿着空腔传播的光具有增益(放大)或损失(衰减)。

需要紧凑型模块，可以在没有前向纠错(forward error correction，FEC)的情况下，在0km至40km的距离内工作，或在有FEC的情况下，在80km的距离内工作。在当前一代模块中，这是通过使用单独打包的SOA和VOA组件来实现的。但是，对于计划中的下一代模块来说，使用两个芯片且采用单独封装会造成过大体积及过高费用。

一种方法是用雪崩光电二极管(avalanche photodiode，APD)取代接收模块中的鉴相器。但是，这种方法在没有FEC(ER4精简版)的情况下，只能覆盖30km的传输距离，这低于ER4标准要求的40km距离。

还提出了几种其它方法，包括使用与SOA集成的激光器为自动增益控制提供保持光束。如US2006/0215255A1中公开的，还提出了一种方法，使用具有多个等长区段的器件，该器件可以独立地正向偏置以提供增益，或零偏置或反向偏置以提供衰减。

希望生产一种改进的SOA器件，该器件可以在较宽的输入功率范围内工作。

发明内容

根据一个方面，提供了一种光放大器，具有正面、背面和光学空腔，所述空腔具有限定在所述正面与所述背面之间的长度，所述空腔包括：与所述正面相邻的第一区段，所述第一区段具有在损失、零偏置和增益之间可控的偏置；以及与所述背面相邻的第二区段，其中，所述第二区段具有在零偏置与增益之间可控的偏置；其中，所述第一区段的长度短于所述第二区段的长度。

这样使得器件在更宽的输入功率动态范围内工作，并确保了来自第二较长增益区段的输出功率保持接收功率检测器可以接受的最小功率与最大功率之间的功率水平，同时也确保了SOA输出处的信号功率不会变得饱和导致SOA在信号数据上形成图案。

这些区段可以是以特定方式可偏置的连续区域。这些区段可以沿着所述空腔的长度延伸。所述第一区段的所述长度可以小于所述第二区段的所述长度的80％或60％或50％。

该空腔可以包括衬底和与所述衬底光耦合的波导。所述波导可以是脊形波导。所述波导可以是埋入异质结构波导。因此，所描述的技术与各种器件结构兼容。

所述波导关于平行于所述空腔的所述长度的轴线对称。这是一种方便的波导配置，易于制造。

所述衬底可以是半导体衬底。所述衬底可以包括第一掺杂类型的第一半导体层、与所述第一类型相反的第二掺杂类型的第二半导体层以及位于所述第一半导体层与所述第二半导体层之间的有源区，所述第一半导体层和所述第二半导体层在所述放大器的所述背面与所述正面之间延伸的方向上伸长。这是一种与常见半导体产品制造方法兼容的结构。

所述空腔的所述第一区段和所述第二区段是独立可偏置的。这样可以使得器件在更宽的动态输入功率范围内工作。

所述光放大器还可以包括位于所述第一区段与所述第二区段之间的第三区段，其中，所述第三区段的长度短于所述第二区段的长度，并且所述第三区段的偏置在增益与损失之间可控。这样可以进一步增加器件的动态功率范围。

所述空腔的所述第一区段、所述第二区段和所述第三区段是独立可偏置的。这样可以使得器件在更宽的动态输入功率范围内工作。

所述第一区段或所述第三区段中的一个的长度可以短于所述第一区段或所述第三区段中的另一个的长度。这些是替代配置。

所述空腔可以相对于垂直于所述背面的方向倾斜。这样可以有助于提高器件的能效。

所述正面和/或所述背面可以是劈裂的面。劈裂是生产空腔正面和背面的一种方便的制造方法。

所述正面和/或所述背面可以涂覆有抗反射涂层。所述涂层可以防止光从所述面反射回空腔，以优化放大效果。

在所述光放大器启动时，所述空腔的所有区段都可以是零偏置的。然后，可以在第一区段测量光电流。这样可以确定器件的输入功率，并可以选择最佳工作范围。

附图说明

现将参考附图通过示例的方式对本发明进行描述。

在附图中：

图1示出了半导体器件的示例的侧视图；

图2示出了沿图1的A-A的横截面；

图3示出了半导体器件的另一个示例的侧视图；

图4至图7示出了计算结果，以指示系统链路长度为40km和80km的典型两区段和三区段芯片所需的相对区段长度；图4和图5分别示出了两区段式器件在40km和80km处的结果；图6和图7分别显示了40km和80km处的三区段式器件的结果；以及

图8示出了所使用的原型芯片的平面图(取自掩模图像)。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的半导体器件的一个示例的侧视图。所述器件包括半导体块，所述半导体块具有正面1、与所述正面相对的背面2以及形成在二者之间的光学空腔。所述空腔的总长度为L。如此处所示，所述空腔可以是直的，或者所述空腔可以是倾斜的，或者相对于垂直于所述正面的方向成一定角度。

在一种实现方式中，所述正面和所述背面可以彼此平行对齐。所述背面可以正交于所述空腔的长度。所述正面也可以正交于所述空腔的所述长度。抗反射(anti-reflection，AR)涂层3可以施加到所述正面和所述背面中的一个或可选地两个上。

该空腔包括有源层5，该有源层可以插入分别以6和7示出的p型与n型半导体材料层之间。该空腔还可以包括层5、6、7和8下面的附加半导体支腿层。在这个例子中，半导体层由InP制成。但是，也可以使用其它半导体材料，如GaAs。形成该空腔的材料可以选择性地掺杂在p型和n型层6、7的区域中。光学空腔还包括蚀刻波导层4，其提供横向波导。

该器件在该空腔的一侧具有公共n电极13，该n电极可以邻近该空腔的底部。在该空腔的相对侧上是连接到第一区段10和第二区段20中的每一个的单独电极11、12，使得每个区段是独立可偏置的。主增益区段20为正向偏置并由电流源驱动。短区段10可以由电压源驱动，但可以由可在电流与电压之间切换的源驱动。向区段10的电极提供正向偏置电流或电压，使得该区段作为增益区段，从而从空腔的该区段激发光发射。当处于零偏置或反向偏置时，区段10由电压源驱动。向电极施加反向偏置电压，使得区段10作为吸收区段，从而在空腔的该区段中吸收光。因此，这些区段是独立可偏置的，并且电极11、12通过蚀刻区段或电绝缘材料区段彼此电隔离。

从SOA器件背面的波导末端发射光，如9所示。

图2示出了沿图1的A-A的垂直截面。在沿着所述空腔的长度的每一点处，波导层4的宽度w限定为垂直于所述空腔的长度。波导的宽度可以是恒定的，也可以沿着空腔的长度变化。在垂直区段中，有源层5、约束改性层8和半导体层6和7都形成波导的一区段，并在垂直方向上引导光。因此，波导由折射率高于周围衬底和包层的任何层或层的组合形成，从而(这些)层可以提供光学引导。

波导还具有光学约束因子Γ(伽马)。波导的光学约束因子定义为包含在有源区域或波导核心内的引导模式中的光的比例，即在SOA器件中产生光学增益的结构区段。

所述波导可以是脊形波导。可以通过在波导层4的任一侧的材料中蚀刻平行沟槽，以形成通常小于5μm宽和几百μm长的隔离突出带，从而产生脊形波导。折射率比波导材料低的材料可以沉积在脊的侧面，以将注入的电流引导到脊中。或者，脊可以在不与波导下面的衬底接触的三个侧面上被空气包围。脊提供横向波导，因为有源层上方结构中的其它层具有比蚀刻沟道区域中的空气或钝化层(通常是二氧化硅或氮化硅)更高的折射率。

参考图1，该器件具有一个相对较短长度的第一区段10，与该器件的输入正面1相邻。该第一区段可以正向偏置以向低输入信号提供增益，也可以反向偏置为较大输入信号。第二区段20是增益区域，具有比第一短区段更长的相对长度。第二区段的长度可以是例如比第一区段的长度长2倍、5倍或10倍。

器件输入处的独立可偏置的短区段10可以在增益与损失之间进行数字切换。如上所述，可以通过电压源或可切换源将正向偏置、反向偏置或零偏置施加到短区段10。正向偏置电流施加到第二区段20。这确保了最终增益区段20的输出功率保持在宽输入功率范围的有限输出功率范围内。

图3示出了根据本发明的SOA的另一个示例。该器件沿着空腔的长度具有三个区段30、40、50。该器件具有两个相对较短的区段30、40和更长的增益区段50。每个区段具有相应的p电极14、15、16。该空腔在该空腔与p电极14、15、16的相反侧具有公共n电极17。因此，如上所述，该空腔的每个区段30、40、50是独立可偏置的。

区段30可以比区段40长，或者反之亦然。或者，区段30和40可以具有相等的长度。区段30、40均短于增益区段50。

在器件启动时，各个区段可能都是零偏置的。然后，光电流可以在第一短区段30中测量。这样可以确定器件的输入功率，并可以选择最佳工作范围。

在两区段和三区段器件的实施例中，短SOA增益控制区段10、30、40(也称为短区段)在施加零偏置或反向偏置电压的情况下完全关闭(“关闭”)，通常在0V至–3V之间用作吸收器，或者在正向偏置电压或电流下完全导通(“开启”)以用作放大器。在一个实施例中，短区段也可以在减小的正向偏置下使用。正向偏置的减少量可以取决于短区段的长度。正向偏置从100％的任何减少都是可能的。在某些示例中，正向偏置可以在典型工作电流的10％至30％范围内降低。简单的数字开启/关闭方法还大大简化了所需的控制电子元件。

当电压施加到“开启”状态下的短区段时，选择电压以匹配其典型工作电流下的长增益区段电压，以便这些区段偏置到类似的电流密度。固定的反向偏置电压可用于“关闭”配置。具有一些反向偏置是有利的，因为这可以阻止吸收器被吸收器光饱和。

图4至图7示出了计算结果，以指示系统链路长度为40km和80km的典型两区段和三区段芯片所需的相对区段长度。在这些图附带的表格中，增益和损失值是目标值，增益和短区段长度表示为获得这些目标值而计算的相应长度。具体来说，短区段损失的大小(损失值)是通过对具有相同波导的SOA的初始测量获得的。对于300μm长的SOA，在零偏置或反向偏置下，获得的损失为40dB。图4至图7中配置的短区段长度是通过缩放这样获得的损失值而获得的。增益区段的每单位长度增益值是通过测量不同长度的SOA的光学增益获得的，这些长度例如是300μm至1000μm。鉴相器动态范围为–12dBm至+4.5dBm。在计算中，每个通道SOA的输出功率限制在3dBm，以减少串扰。放大器的最小输入功率(对于最大光纤损失)：40km时为–18dBm(每通道–24dBm)，80km时为–26dBm(每通道–32dBm)(这也假设使用了FEC)。图4至图7中的增益和损失值是从七阱SOA的初始测量数据中提取的。

图4和图5分别示出了如图1所示的两区段式器件在40km和80km处的结果。当两个区段都开启，第一区段关闭并用作吸收器，且长增益区段开启时，将每通道输出功率绘制为每通道输入功率的函数。在图4中，由于饱和，高输入时的增益将略有翻转，这可能需要增加图4和图5所示的“切换区域”的大小。

当(根据系统规范)考虑到四个发射机通道的功率差异，以及SOA的偏振依赖性和四个波长上的增益斜率时，较大的切换区域有利于确保所有四个通道都在同一配置中。例如，在某些实施方式中，芯片可能具有3dB增益斜率和极化，并且通道寿命结束时与规范之间的功率差可能高达3dB。在这种情况下，具有至少6dB的重叠可能是有利的。SOA的增益和吸收也具有波长依赖性，即也必须适应增益和损失倾斜。也可以调整长增益区段偏置，以改变重叠区域。

在图5中，小的重叠区域表明本实施例可能不会在整个动态范围内工作，因为当考虑到任何功率差异时，四个通道可能不在同一配置中。

图6和图7分别示出了如图3所示的三区段式器件在40km和80km处的结果。对于40km(见图6)，如果总输入功率在–18dBm(每通道平均–24dBm)至–6dBm(每通道平均–12dBm)范围内，则所有三个区段30、40、50应正向偏置(“开启”)，以提供约18dB的最大小信号增益。如果输入功率范围在–6dBm至+4dBm范围内，则靠近输入面的第一短区段30应为零偏置或反向偏置(“关闭”)，以提供约9dB的衰减，而第二短区段40和主增益区段50为正向偏置(“开启”)，以提供约7.5dB的小信号增益。如果输入功率在+4dBm至+9dBm的范围内，则两个前区段30、40应为零偏置或反向偏置(“关闭”)，并且只有长的后区段50为正向偏置，以提供约3dB的净损失。

对于80km的三区段式器件(见图7)，如果总输入功率在–26dBm(每通道平均–32dBm)至–14dBm(每通道平均–20dBm)范围内，则所有三个区段30、40、50都应正向偏置(“开启”)，以提供约21dB的最大小信号增益。如果输入功率范围在–14dBm至–4dBm范围内，则靠近输入面的第一短区段30应为零偏置或反向偏置(“关闭”，0mA)，以提供约9dB的衰减，而第二短区段40和主增益区段50为正向偏置(“开启”)，以提供大约11dB的小信号增益。最后，如果输入功率在–4dBm至+9dBm的范围内，则两个前区段30、40均应为零偏置或反向偏置(“关闭”)，并且只有长的后区段50为正向偏置(“开启”)，以提供0dB净增益。

在设计中，短的SOA增益控制区段要么完全关闭(“关闭”)，要么完全开启(“开启”)，这使用了一个九阱有源层，40μm或更小的吸收器区段覆盖了40km应用的动态范围和四个波长。图8示出了所使用的芯片的示意图，其中，芯片总长度为0.8mm，吸收器区段S1和S2的长度均为0.04mm。

较长的增益区段示出为S3。在本示例中，波导相对于垂直于正面和背面的方向倾斜。这样可以有助于减少输出面上的光反射。该器件能够在最小输入功率下工作，输入灵敏度为–24dBm，也能够在超过最大输入功率的情况下工作而不会引入误差。

短区段中的吸收随波长而变化，并且可选地，可以将反向偏置施加到吸收区段，以减少通道之间的增益变化。

在本发明使用的方法中，该器件将以数字方式在设置的输入功率范围(具有重叠区域以最大限度地减少范围切换和误差突发的机会)内工作，其中，吸收器要么简单地正向偏置以提供增益，要么反向偏置以提供损失。

这样使得器件可以在更宽的输入功率动态范围内工作，从而在工作区域之间设计更多重叠区段，以减少芯片增益、PDG以及通过器件的多个激光通道之间的功率波动方面的制造限制。

这确保了来自最后增益区段和更长增益区段的输出功率维持在接收相位检测器可以接受的最小功率与最大功率之间的功率水平，同时也确保了SOA输出处的信号功率不会变得饱和导致SOA在信号数据上形成图案，而在信号数据上形成图案会降低眼图的质量和接收器中的误码率(bit error rate，BER)。

尽管以上示例描述了具有脊形波导的器件，但是本发明也可以应用于具有埋入异质结构波导的器件。

波导可以相对于垂直于空腔的正面的方向倾斜，使得波导朝背面向上倾斜。波导可以相对于空腔长度倾斜5°、10°、15°或20°的角度。

该器件可与受益于可变放大的其它器件集成，从而可以在更宽的动态输入功率范围内工作。例如，该器件可以与光学滤波器或解复用器集成，然后是功率检测器或功率检测器阵列。

该器件可以与波分复用一起使用，在所有工作条件下，都应控制增益倾斜和偏振。

申请人在此单独公开本文描述的每一个别特征及两个或两个以上此类特征的任意组合。以本领域技术人员的普通知识，能够基于本说明书将此类特征或组合作为整体实现，而不考虑此类特征或特征的组合是否能解决本文所公开的任何问题；且不对权利要求书的范围造成限制。本申请表明本发明的各方面可由任何这类个别特征或特征的组合构成。鉴于上文描述，对本领域技术人员来说显而易见的是可在本发明的范围内进行各种修改。

Claims (15)

1.一种光放大器，具有正面、背面和光学空腔，所述空腔具有限定在所述正面与所述背面之间的长度，其特征在于，所述空腔包括：

与所述正面相邻的第一区段，所述第一区段具有在损失、零偏置和增益之间可控的偏置；以及

与所述背面相邻的第二区段，其中，所述第二区段具有在零偏置与增益之间可控的偏置；

其中，所述第一区段的长度短于所述第二区段的长度；

所述第一区段被配置为由电压源驱动，或者，被配置为由可切换源驱动；

其中，所述电压源或所述可切换源在向所述第一区段施加正向偏置电压或电流，控制所述第一区段的偏置为所述增益时，所述第一区段作为增益区段；所述电压源或所述可切换源在向所述第一区段施加反向偏置电压，控制所述第一区域的偏置为所述损失时，所述第一区段作为吸收区段。

2.根据权利要求1所述的光放大器，其特征在于，所述空腔包括衬底和与所述衬底光耦合的波导。

3.根据权利要求2所述的光放大器，其特征在于，所述波导是脊形波导。

4.根据权利要求2所述的光放大器，其特征在于，所述波导是埋入异质结构波导。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的光放大器，其特征在于，所述波导关于平行于所述空腔的所述长度的轴线对称。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的光放大器，其特征在于，所述衬底是半导体衬底。

7.根据权利要求6所述的光放大器，其特征在于，所述衬底包括第一掺杂类型的第一半导体层、与所述第一类型相反的第二掺杂类型的第二半导体层以及位于所述第一半导体层与所述第二半导体层之间的有源区，所述第一半导体层和所述第二半导体层在所述放大器的所述背面与所述正面之间延伸的方向上伸长。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的光放大器，其特征在于，所述空腔的所述第一区段和所述第二区段是独立可偏置的。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的光放大器，其特征在于，还包括位于所述第一区段与所述第二区段之间的第三区段，其中，所述第三区段的长度短于所述第二区段的长度，并且所述第三区段的偏置在增益与损失之间可控。

10.根据权利要求9所述的光放大器，其特征在于，所述空腔的第一区段、所述第二区段和所述第三区段是独立可偏置的。

11.根据权利要求9或10所述的光放大器，其特征在于，所述第一区段或所述第三区段中的一个的长度短于所述第一区段或所述第三区段中的另一个的长度。

12.根据权利要求1-11中任一项所述的光放大器，其特征在于，所述空腔相对于垂直于所述背面的方向倾斜。

13.根据权利要求1-12中任一项所述的光放大器，其特征在于，所述正面和/或所述背面是劈裂的面。

14.根据权利要求1-13中任一项所述的光放大器，其特征在于，所述正面和/或所述背面涂覆有抗反射涂层。

15.根据权利要求1-14中任一项所述的光放大器，其特征在于，在所述光放大器启动时，所述空腔的所有区段都是零偏置的。