半導(dǎo)體前置光放大器的設(shè)計(jì)和制作要點(diǎn)

李洵 左成亮 董智星

摘要：介紹了用于接收端探測(cè)器前置放大的半導(dǎo)體光放大器的核心設(shè)計(jì)要點(diǎn)及其與普通半導(dǎo)體激光器在實(shí)際制作中的幾個(gè)不同點(diǎn)。半導(dǎo)體前置光放大器的設(shè)計(jì)核心是如何抑制其中的自發(fā)輻射并被伴隨放大的噪聲，對(duì)于邊入射型的器件還要考慮其增益偏振相關(guān)性的消除。半導(dǎo)體光放大器一般具有少阱和低光場(chǎng)限制因子的長(zhǎng)增益區(qū)結(jié)構(gòu)，在這點(diǎn)上它與高速直調(diào)半導(dǎo)體激光器有著最大的區(qū)別。

半導(dǎo)體光放大器；接收端前置放大；ASE噪聲；增益偏振相關(guān)度；增益-帶寬積；飽和功率

This paper has its focus on the essential design consideration of semiconductor optical amplifiers for optical signal pre-amplification in optical receivers. It also briefs some differences from semiconductor laser diodes in their fabrications. In considering the design of pre-amplifiers， the amplified spontaneous emission （ASE） noise needs to be suppressed and their gain polarization dependence （in edge incidence device only） needs to be eliminated. Semiconductor optical amplifiers also have longer active regions with fewer quantum wells and lower optical confinement factors， which makes them different from directly modulated semiconductor laser diodes.

semiconductor optical amplifier； receiver pre-amplifier； ASE noise； gain polarization correlation； gain bandwidth product； saturation power

半導(dǎo)體光放大器（SOA）的主要作用是對(duì)光信號(hào)功率進(jìn)行直接線性放大，利用其增益飽和所產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)非線性效應(yīng)，SOA還可被用于實(shí)現(xiàn)某些非線性功能，例如：在光轉(zhuǎn)發(fā)器中把某一波長(zhǎng)上的光信號(hào)直接復(fù)制到另一波長(zhǎng)上，在基于波分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的光纖接入網(wǎng)中、在用戶光網(wǎng)絡(luò)單元中對(duì)光信號(hào)進(jìn)行擦除或功率均衡，或在全光網(wǎng)絡(luò)中對(duì)不同波長(zhǎng)光信號(hào)進(jìn)行直接轉(zhuǎn)換或邏輯處理，或?qū)庑盘?hào)的消光比進(jìn)行直接提升等等。

在線性放大應(yīng)用中，對(duì)SOA的具體要求包括高增益、高飽和功率（即能確保線性放大的最高輸出功率）、低噪聲指數(shù)（輸入信號(hào)信噪比與輸出信號(hào)信噪比之比值）、低增益偏振相關(guān)度，及寬增益譜等。這類應(yīng)用具體又可區(qū)分為發(fā)射端光源后置放大，即使用SOA對(duì)激光器輸出的光信號(hào)進(jìn)行放大以提高其入纖功率；在線放大，即使用SOA對(duì)光纖中在線傳輸?shù)墓獠ㄐ盘?hào)進(jìn)行直接放大；接收端探測(cè)器前置放大，即使用SOA對(duì)到達(dá)接收端的光波信號(hào)先進(jìn)行放大再通過(guò)探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。

發(fā)射端光源后置放大主要需要高增益和高飽和功率，當(dāng)用于可調(diào)諧激光器或多波長(zhǎng)激光器陣列合波后的后置放大時(shí)，還要求寬增益譜。由于剛由激光器產(chǎn)生的光波信號(hào)具有很高的信噪比，激光器的輸出光又具有確定的偏振方向，所以對(duì)用于后置放大的放大器噪聲指數(shù)及增益偏振相關(guān)度要求不高。

在線放大對(duì)放大器的特性要求最全面也最高，除需要高增益和高飽和功率之外，還需要考慮如何降低放大器自發(fā)輻射噪聲（ASE）和如何實(shí)現(xiàn)增益的低偏振相關(guān)度。事實(shí)上，前述所有對(duì)于線性放大的一般要求在在線放大應(yīng)用中都需要達(dá)到。

接收端探測(cè)器前置放大需要在一定的增益下具有極低的噪聲指數(shù)以及低增益偏振相關(guān)度，由于接收端的入射功率很低，所以對(duì)飽和功率要求不高。

由于某些指標(biāo)對(duì)（例如：寬增益譜與低噪聲指數(shù)）與SOA設(shè)計(jì)參數(shù)之間的依賴關(guān)系是互相矛盾的。所以，一般SOA的設(shè)計(jì)制作只能針對(duì)特定的具體需求在不同特性指標(biāo)上有所突出和舍棄。文章中，我們將主要分析與討論用于接收端探測(cè)器前置放大的SOA設(shè)計(jì)與制作要點(diǎn)[1-2]。

1 接收端前置放大器的

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

普通的PIN光電二級(jí)管光電探測(cè)器只能完成光電轉(zhuǎn)換而沒(méi)有增益，所以靈敏度有限；而雪崩光電二極管（APD）實(shí)質(zhì)上是一個(gè)PIN（光電轉(zhuǎn)換）加電放大。盡管其靈敏度較高，但因電放大過(guò)程受載流子渡越時(shí)間限制，帶寬一般難以達(dá)到50 GHz以上。如果我們把上述過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)楣夥糯蠹覲IN（光電轉(zhuǎn)換），則在保持高靈敏度的同時(shí)還可以解決帶寬受限問(wèn)題，因SOA的基帶寬度可遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于50 GHz。理論上行波型SOA中的入射光波僅單程穿越增益區(qū)，所以對(duì)信號(hào)的基帶帶寬沒(méi)有限制。此時(shí)，穿越增益區(qū)波導(dǎo)所花費(fèi)的時(shí)間僅引起延遲，其效果與在普通波導(dǎo)例如光纖中傳輸是一樣的，只是光信號(hào)的幅度被放大而已。諧振型SOA的入射光會(huì)在增益區(qū)中往復(fù)折返傳輸，所以其信號(hào)基帶寬度受到光波信號(hào)穿越增益區(qū)所需要的時(shí)間限制，但即使增益區(qū)的長(zhǎng)度達(dá)到1 mm，光波信號(hào)的穿越時(shí)間也不到10 ps，所以一般SOA的基帶寬度達(dá)到100 GHz是容易做到的。這樣采用SOA做前置放大加PIN的方案在增益-帶寬積上是可以大大優(yōu)于APD的。但是相比于APD，SOA的ASE噪聲會(huì)對(duì)靈敏度帶來(lái)嚴(yán)重影響，所以可用于接收端前置放大的SOA需要解決的首要問(wèn)題是如何有效地抑制其ASE噪聲。

其次，對(duì)于面入射型的PIN，SOA與之集成的最簡(jiǎn)便方式是也采用垂直腔面入射式的結(jié)構(gòu)。這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，又能通過(guò)一次外延生長(zhǎng)制備，還具有便于二維陣列集成等優(yōu)點(diǎn)。它的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是由于其波導(dǎo)的圓對(duì)稱性，只要使得材料增益支持平面內(nèi)的偏振，則整個(gè)器件的增益就不存在偏振相關(guān)性。但這種器件的一個(gè)突出缺點(diǎn)是其增益區(qū)受外延層厚度限制而無(wú)法做長(zhǎng)，于是整個(gè)SOA的單程增益過(guò)低。為了等效延展增益區(qū)長(zhǎng)度，必須設(shè)計(jì)反射Bragg光柵形成諧振光腔，以使入射光波信號(hào)在被置于諧振腔內(nèi)的增益區(qū)往復(fù)折返。但這樣做的代價(jià)是損失了增益譜帶寬，從而導(dǎo)致面入射型的SOA-PIN的增益帶寬積一般只能做到在100 dB-nm左右。為了突破對(duì)增益-帶寬的這一限制，有必要采用邊入射型的（即傳統(tǒng)的）SOA結(jié)構(gòu)，它的增益區(qū)長(zhǎng)度可以不受限制，但一個(gè)必須要解決的問(wèn)題就是要消除器件增益的偏振相關(guān)性[3-5]。

1.1 對(duì)ASE噪聲的抑制

前文已經(jīng)說(shuō)明為了盡量降低對(duì)放大后的光波信號(hào)的信噪比劣化，在SOA設(shè)計(jì)中首先要考慮的是如何使輸入耦合損耗降至最低，以保證入射信號(hào)功率不受損失。減小耦合損耗的一般方法是在波導(dǎo)的輸入（或同時(shí)在輸出）端口設(shè)計(jì)一個(gè)集成的模斑變換器，從而擴(kuò)大波導(dǎo)在端口的模斑，使其與光纖的模斑盡量匹配。需要注意的是：這個(gè)模斑變換器需要有注入也同時(shí)提供增益，或者是透明的，而不能對(duì)入射信號(hào)光波有吸收，否則同樣劣化信噪比，失去了模斑變換的意義。一個(gè)典型的帶有楔形模斑變換器設(shè)計(jì)的SOA如圖1所示。盡管這種變換器設(shè)計(jì)和制作簡(jiǎn)單，但只對(duì)展寬截面光場(chǎng)的橫向分布比較有效，對(duì)更為嚴(yán)重的也是耦合損耗主要來(lái)源的縱向分布展寬作用微小。為了解決這一問(wèn)題，可以在增益區(qū)之下引入第二波導(dǎo)，并利用楔形區(qū)通過(guò)逐漸減弱脊條對(duì)光場(chǎng)的限制使得光場(chǎng)逐漸下移，直至其部分耦合至第二波導(dǎo)，這樣整個(gè)縱向光場(chǎng)分布將被增益波導(dǎo)和下埋第二波導(dǎo)的共同作用所展寬，從而有效地解決耦合問(wèn)題。這種變換器的設(shè)計(jì)和制作我們正在進(jìn)行之中，更詳細(xì)的討論已超出了本文的范圍。

降低放大器的ASE噪聲需要降低增益區(qū)內(nèi)的載流子濃度，由于隨機(jī)的自發(fā)輻射正比于高能級(jí)上（即導(dǎo)帶內(nèi)）的電子占有率，所以高（反轉(zhuǎn)）載流子濃度必然導(dǎo)致高ASE噪聲。降低載流子濃度自然是與追求高增益及高飽和功率相矛盾的，但考慮到ASE噪聲的貢獻(xiàn)主要來(lái)自于臨近輸入端口的放大器前段，所以可以考慮采用沿波導(dǎo)的非均勻增益區(qū)結(jié)構(gòu)或非均勻注入在維持增益的同時(shí)抑制ASE噪聲。由于垂直方向的結(jié)構(gòu)是依靠外延技術(shù)逐層生長(zhǎng)的，盡管有選擇區(qū)域外延生長(zhǎng)技術(shù)（SAG）可以在局部連續(xù)或突變性地改變生長(zhǎng)平面內(nèi)的薄層厚度，但在垂直方向上引入容易控制的層厚漸變結(jié)構(gòu)仍然是很不方便的。一般方便采用的只有在水平方向上引入喇叭形結(jié)構(gòu)以增加入射端口的波導(dǎo)寬度，這樣在同樣的注入條件下由于入射端口附近的增益區(qū)體積增大[6]，載流子濃度必然降低。特別需要我們注意的是：為保持注入電流的一致，電極條形必須仍然是均勻的，否則由于同一電極上的電壓一致，電極的寬窄只會(huì)影響到注入電流而不會(huì)改變電極下的電流密度。以脊波導(dǎo)為示例，這樣的結(jié)構(gòu)示意如圖2。

降低ASE噪聲的再一個(gè)可能途徑是使自發(fā)輻射的光場(chǎng)盡量不被耦合到波導(dǎo)之中，這就要求波導(dǎo)具有盡可能低的數(shù)值孔徑。由于低數(shù)值孔徑與低光場(chǎng)限制因子的波導(dǎo)設(shè)計(jì)要求實(shí)質(zhì)上是一致的，所以無(wú)須再采取附加措施。只是低數(shù)值孔徑的波導(dǎo)不利于入射光場(chǎng)的耦合，所以在入射端口尤其需要采取上述提到的特別措施。由于在入射端口附近特別需要抑制自發(fā)輻射，而模斑變換器的設(shè)計(jì)必然會(huì)增大波導(dǎo)數(shù)值孔徑，從而使得自發(fā)輻射光場(chǎng)更容易地被耦合到波導(dǎo)之中。這樣看來(lái)：理想的集成模斑變換器設(shè)計(jì)最好是采用無(wú)需注入的對(duì)入射光波長(zhǎng)透明的寬帶隙半導(dǎo)體的材料，這樣就可以避免在此段具有較高數(shù)值孔徑的波導(dǎo)內(nèi)產(chǎn)生自發(fā)輻射[7]。

為了確認(rèn)上述對(duì)噪聲抑制的主要分析結(jié)果，這里再進(jìn)一步展示一些仿真計(jì)算的對(duì)比結(jié)果。在輸入端口附近和在輸出端口附近抑制自發(fā)輻射的不同效果對(duì)比如圖3所示。

在同一注入但不同增益區(qū)體積下（從而載流子濃度不同）SOA的ASE噪聲功率如圖4所示。

在不同注入但相同增益區(qū)體積下（從而載流子濃度也不同）SOA的ASE噪聲功率如圖5所示。

由于載流子濃度相同但光場(chǎng)限制因子不同（即數(shù)值孔徑不同），從而導(dǎo)致波導(dǎo)捕捉自發(fā)輻射光場(chǎng)的能力有所不同，SOA的ASE噪聲功率如圖6所示。

顯然，所有的這些仿真計(jì)算的結(jié)果與我們之前的分析是完全一致的。

盡管提高增益和飽和功率及抑制噪聲對(duì)波導(dǎo)的設(shè)計(jì)要求是一致的，但其對(duì)增益區(qū)內(nèi)的載流子濃度的要求卻是相反的，這意味著提高增益和飽和功率及抑制噪聲對(duì)于電流注入的要求是相矛盾的。由于抑制ASE噪聲需要在輸入端口附近施行，而由于沿途放大的作用，靠近輸出端口的增益區(qū)波導(dǎo)內(nèi)光功率顯然更高。這樣在輸出端口附近的增益更容易飽和，于是提高飽和功率需要在輸出端口附近施行。很顯然，如果我們使得注入電流沿增益區(qū)波導(dǎo)長(zhǎng)度方向呈非均勻分布，注入電流密度在輸入端口處最低，而后沿波導(dǎo)往輸出端口方向逐漸增高，這樣就可以使增益區(qū)內(nèi)的載流子濃度在輸入端口附近較低，而在輸出端口附近較高，于是可以同時(shí)滿足抑制噪聲和提高飽和功率的要求。這樣設(shè)計(jì)的器件與普通均勻注入器件特性的對(duì)比如圖7所示，采用非均勻注入后對(duì)ASE噪聲的抑制以及對(duì)飽和功率的提高作用是十分明顯的[8]。

利用噪聲的非相干性，還可以考慮在頻域上或空域上濾除ASE噪聲。例如：可以考慮在放大器后集成一個(gè)光頻段的窄帶帶通濾波器，利用濾波器的選頻特性可以濾除通帶外的ASE噪聲，而通帶內(nèi)的光波信號(hào)是不受影響的。實(shí)現(xiàn)這種方案的一個(gè)方便途徑是在波導(dǎo)的輸出端面蒸鍍具有帶通特性的膜系，使得通帶外的ASE噪聲被阻擋而無(wú)法輸出。空域上噪聲濾除的方式可以采用干涉的方法，即利用光波信號(hào)的相干性設(shè)計(jì)基于波導(dǎo)的干涉裝置（例如：波導(dǎo)光柵），受干涉的影響，光波信號(hào)被集中在輸出端口，而不受干涉影響的ASE噪聲卻無(wú)法集中在空間的某個(gè)特別之處，這樣就可以在空間上適度分離光波信號(hào)和噪聲，使得ASE噪聲被部分濾除。

1.2 增益偏振相關(guān)性的消除

針對(duì)如何降低SOA的增益偏振相關(guān)度或徹底消除其增益偏振相關(guān)性已有了大量的工作報(bào)道，其方案主要有以下3類：

（1）消除材料增益的偏振相關(guān)性并采用對(duì)稱波導(dǎo)設(shè)計(jì)，例如：使用體材料增益區(qū)結(jié)合基本呈正方形截面的掩埋結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

（2）使材料增益與波導(dǎo)非對(duì)稱各自引起的偏振相關(guān)性相消，例如：脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)與橫磁波（TE）偏振一般有著更大的光場(chǎng)限制因子，所以需要對(duì)增益區(qū)材料施以一定的張應(yīng)變。由于張應(yīng)變材料對(duì)于橫電波（TM）偏振的增益貢獻(xiàn)更大，所以一旦做到對(duì)TE和TM 2個(gè)偏振的模式增益（即光場(chǎng)限制因子與材料增益之積）一致，則因[eΓTEgTEL=eΓTMgTML]，所以整個(gè)器件增益的偏振相關(guān)性即可被消除。值得注意的是：完美的補(bǔ)償實(shí)際上是很難實(shí)現(xiàn)的，所以采用這種方案一般需要結(jié)合在平面內(nèi)漸變彎曲波導(dǎo)的方法對(duì)不同偏振進(jìn)行二次補(bǔ)償，如圖9所示。這種補(bǔ)償?shù)脑頌椋浩矫鎯?nèi)彎曲波導(dǎo)會(huì)使得水平偏振光產(chǎn)生輻射泄漏，而垂直偏振光所受到的影響則很小?？紤]到自由空間中的平面波在波的傳播方向上不會(huì)有電磁偏振這一基本效應(yīng)，我們就不難理解產(chǎn)生這一效應(yīng)的原因。事實(shí)上，一旦波導(dǎo)在平面內(nèi)產(chǎn)生彎曲，則導(dǎo)波的傳輸必然開(kāi)始偏向水平偏振的方向，但是偏振方向不可能與傳播方向一致（盡管這里波導(dǎo)中的導(dǎo)波不是自由空間平面波，這一結(jié)論還是近似成立的），所以水平偏振的導(dǎo)波必然會(huì)隨著波導(dǎo)彎曲程度的加大而逐漸截止傳播，并轉(zhuǎn)化為輻射波泄漏。垂直偏振的導(dǎo)波其偏振方向始終是與波導(dǎo)方向垂直的，所以受波導(dǎo)彎曲的影響相對(duì)比較小。

（3）采用集總補(bǔ)償，即使入射光波先直接經(jīng)歷一次放大，還需再使其偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°（或增益波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)90°）后再經(jīng)歷一次相同的放大。這樣即使入射光的偏振與水平方向有任意不確定的夾角[θ]，其所經(jīng)歷的增益為：

該增益與入射角無(wú)關(guān)?；谕瑯拥南敕?，我們還可以設(shè)計(jì)一個(gè)波導(dǎo)式線偏-圓偏轉(zhuǎn)換器，圓偏光被均勻材料反射后再經(jīng)歷同一結(jié)構(gòu)反向傳輸后會(huì)被扭轉(zhuǎn)90°。利用這一特性容易得到反射式的增益偏振無(wú)關(guān)放大器。因?yàn)槿肷涔庠诮?jīng)過(guò)同一段增益區(qū)的往返程上偏振態(tài)正好相差90°，所以正好同樣滿足上述條件。這一器件的結(jié)構(gòu)示意如圖10。類似的方法還有把增益區(qū)波導(dǎo)同時(shí)設(shè)計(jì)成一個(gè)針對(duì)任意入射角的180°旋偏器，如圖11所示，在這樣的器件中入射光所經(jīng)歷的增益是：

該增益仍然與入射角無(wú)關(guān)。

2 接收端前置放大器的

基本制作工藝要點(diǎn)

前面的討論集中在用于接收端前置放大時(shí)對(duì)SOA設(shè)計(jì)的一些特殊設(shè)計(jì)的考慮上；但這些特殊考慮是建立在通用SOA的基本設(shè)計(jì)和現(xiàn)行制作工藝基礎(chǔ)之上的，不首先了解通用SOA的設(shè)計(jì)制作要點(diǎn)則任何特殊考慮都無(wú)從談起。受篇幅限制，之后的討論將假設(shè)讀者已熟知普通半導(dǎo)體激光器的制作工藝。

對(duì)普通SOA的基本要求是高增益和高飽和功率，為達(dá)此目的，我們顯然希望使SOA的增益區(qū)內(nèi)積存有較高的載流子濃度。由于增益與載流子濃度成正比，所以高載流子濃度導(dǎo)致高增益，這一點(diǎn)直觀上也很容易理解。由于放大飽和是增益區(qū)內(nèi)載流子被耗盡所致，所以高飽和功率一樣也要求增益區(qū)內(nèi)保持有較高的載流子濃度。為了在給定的注入下保持高載流子濃度，最有效的方法顯然是盡可能縮減增益區(qū)截面積。由于波導(dǎo)的條寬受光纖耦合及制作工藝限制難以進(jìn)一步壓縮，那么剩下的方法就只有縮減體材料增益區(qū)的厚度或量子阱增益區(qū)內(nèi)量子阱的個(gè)數(shù)和每個(gè)阱的厚度。一般SOA的增益區(qū)都是采用單阱或雙阱結(jié)構(gòu)（雙阱主要是為了防止太多的光波橫向場(chǎng)分布在增益區(qū)之外的P型摻雜層，因?yàn)閷?duì)光波的非帶間吸收主要來(lái)自于P型摻雜所造成的自由載流子吸收），在這點(diǎn)上SOA與半導(dǎo)體激光器（尤其是高速直調(diào)半導(dǎo)體激光器）有著顯著的區(qū)別。

當(dāng)增益區(qū)的載流子濃度已無(wú)法再提高時(shí)，還可以通過(guò)調(diào)整光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)，即利用橫向光場(chǎng)與載流子分別限制促使光波的橫向場(chǎng)分布與增益區(qū)有著盡可能小的重疊，這樣才能使得沿波導(dǎo)每個(gè)截面上的載流子盡可能不被入射光波光子耗盡，從而提升飽和功率。當(dāng)然，這樣做的結(jié)果會(huì)導(dǎo)致單位長(zhǎng)度上的增益減小。為了使需求的增益得以滿足，一般可以再延長(zhǎng)增益區(qū)的長(zhǎng)度。事實(shí)上，決定放大器增益的基本量是[eΓgL]，所以當(dāng)材料增g一定時(shí)，為增加飽和功率而需要減小的光場(chǎng)限制因子[Γ]可以靠延長(zhǎng)增益區(qū)長(zhǎng)度L補(bǔ)償，從而確保放大器增益不變。在這點(diǎn)上SOA與半導(dǎo)體激光器也有著顯著的區(qū)別，而且小光場(chǎng)因子的要求也是與直覺(jué)相違背的。

除了在增益區(qū)結(jié)構(gòu)上有著上述的基本不同點(diǎn)之外，SOA的制作工藝與一般的半導(dǎo)體激光器沒(méi)有太多區(qū)別，同樣工作波長(zhǎng)的波段也采用同一體系的材料。由于更多地采用了薄增益層設(shè)計(jì)，甚至有可能需要在增益區(qū)中再插入生長(zhǎng)薄到只有1～2個(gè)單原子層的所謂δ勢(shì)壘層，以便通過(guò)單獨(dú)調(diào)控子價(jià)帶（重空穴帶）來(lái)平衡增益區(qū)的TE和TM材料增益，所以對(duì)于SOA結(jié)構(gòu)的外延生長(zhǎng)使用分子束外延（MBE）設(shè)備與使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）設(shè)備一樣流行。在MBE中還可以使用Be替代Zn作為受主雜質(zhì)進(jìn)行P區(qū)摻雜，這樣就可以避免因Zn容易擴(kuò)散而產(chǎn)生PN結(jié)移位；而在MOCVD中由于其毒性問(wèn)題一般不能使用Be源。特別值得注意的是：由于光放大器的增益區(qū)需要采用低光場(chǎng)限制因子設(shè)計(jì)，光場(chǎng)在增益區(qū)外的延伸更為顯著，從而與P型摻雜區(qū)域的重疊也更為嚴(yán)重。由于光場(chǎng)在增益區(qū)外呈指數(shù)式衰減，我們于是將P型摻雜區(qū)的濃度設(shè)計(jì)成由增益區(qū)向外呈指數(shù)式上升，這樣可以保證在一定的P型摻雜濃度下光場(chǎng)與P型摻雜區(qū)的重疊程度最小，PN結(jié)也不至于偏位。

除外延之外，半導(dǎo)體光放大器的制作工藝還主要涉及到氧化物沉積（通過(guò)PECVD或ALD等設(shè)備進(jìn)行）、普通光刻、干法刻蝕（通過(guò)ICP-RIE或CAIBE等設(shè)備進(jìn)行）或濕法刻蝕、金屬沉積（通過(guò)濺射或電子束蒸發(fā)），以及端面鍍膜（通過(guò)電子束蒸發(fā)）等，但這些工藝在一般意義上與制作半導(dǎo)體激光器沒(méi)有什么不同，所以這里不再進(jìn)行深入討論。只是需要注意光放大器對(duì)與端面鍍膜，尤其是增透膜的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于激光器。為獲取寬帶低反射的增透膜，一般除了需要采用多層膜系設(shè)計(jì)外，對(duì)電子束蒸鍍過(guò)程的精確控制分外重要。一般而言，采用帶有電子回旋共振（ECR）系統(tǒng)的設(shè)備比普通設(shè)備更有利，采用晶振（寬帶）和光學(xué)干涉（單波長(zhǎng)高精度）雙重監(jiān)測(cè)控制比單一監(jiān)測(cè)控制更有利。

優(yōu)良器件的獲得離不開(kāi)理論設(shè)計(jì)與制作工藝的密切配合，光放大器中端面反射問(wèn)題的消除恰是一個(gè)典型的例證。在鍍膜工藝的精度達(dá)到極限之后，進(jìn)一步降低端面反射的要點(diǎn)在于如何對(duì)端口（主要是輸出端口）進(jìn)行散斑設(shè)計(jì)，使得在端口處的截面光場(chǎng)分布盡量均勻，即使得出射光波盡量接近TEM波（或局域化的平面波，注意介質(zhì)波導(dǎo)中真正的TEM波是不可能存在的）。由于TEM波的傳播方向單一并垂直于截面，理論上容易證明此時(shí)的膜系設(shè)計(jì)可以使得反射最低。很明顯，由于此時(shí)的反射方向也單一，所以只要稍許傾斜輸出端口的波導(dǎo)，即可使得僅有的反射也難以重新耦合進(jìn)入波導(dǎo)造成真正意義上的反射。這種散斑設(shè)計(jì)總體上的要求與擴(kuò)束模斑增進(jìn)與光纖的耦合以及低光場(chǎng)限制因子波導(dǎo)設(shè)計(jì)都是一致的，只是要求截面上的束（模）斑內(nèi)部場(chǎng)分布更加均勻。

在SOA的實(shí)際應(yīng)用中還經(jīng)常要求有較寬的增益譜，所以需要采取措施盡可能地展寬材料增益譜。工藝上的措施包括加大量子阱的應(yīng)變量，或采用厚度略有不同的多個(gè)阱構(gòu)造增益區(qū)，這樣將造成材料增益峰的直接展寬，或各個(gè)阱增益峰的錯(cuò)位，在2個(gè)措施共用的情況下效果更為顯著。例如：使用1.5%的壓應(yīng)變和3個(gè)厚度分別為4 nm、5 nm和6 nm的量子阱增益區(qū)結(jié)構(gòu)可以獲得100 nm的材料增益峰半高全寬（FWHM），而通過(guò)壓應(yīng)變?yōu)?%及厚度為5 nm的單阱常規(guī)增益區(qū)設(shè)計(jì)只能獲得60 nm的材料增益峰半高全寬。

3 結(jié)束語(yǔ)

作為一個(gè)重要的功能性器件，光放大器既可在其線性區(qū)被用于光信號(hào)的直接線性放大，又可在其飽和區(qū)被用于實(shí)現(xiàn)某些特定的非線性功能。半導(dǎo)體光放大器自然繼承了半導(dǎo)體器件的所有優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展前景是不言而喻的。但僅就接收端探測(cè)器前置放大要求而言，半導(dǎo)體光放大器的噪聲指數(shù)仍有下降的空間，其增益-帶寬積也有上升的空間。另一個(gè)需要重要考慮點(diǎn)是其增益的偏振相關(guān)度，面入射型器件沒(méi)有增益的偏振相關(guān)性問(wèn)題，但是增益-帶寬積受限（100 dB-nm）。邊入射型器件的增益-帶寬積理論上可以拓展1 000倍（3 000 dB-nm），但其增益的偏振相關(guān)性需要靠特殊的設(shè)計(jì)措施消除。在制作上半導(dǎo)體光放大器與半導(dǎo)體激光器的主要區(qū)別在于前者需要有少阱及低光場(chǎng)限制因子的長(zhǎng)增益區(qū)，而后者正相反。

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