用于光通信系统的半导体光放大器

摘要

本发明涉及一种用于光通信系统的半导体光放大器，其特征在于，所述半导体光放大器的有源层的结构为包括第一有源层和第二有源层的双有源层结构。有利地，所述第一有源层为量子阱层并且所述第二有源层为量子点层。依据本发明的用于光通信系统的半导体光放大器的3dB增益带宽能够达到至少100nm的带宽，从而能够覆盖时分波分复用无源光网络(TWDM-PON)以及波分复用无源光网络(WDM-PON)的最新设计要求，一方面能够实现上下行信号的半导体光放大器的复用，从而减少光放大器的数量并且降低光放大器乃至整个无源光网络的架构成本；此外还减小了由于数量众多的光放大器所带来的功率损害并且减小了其所引入的噪声从而提高了整个系统的信号传输性能。

说明书

技术领域

本发明涉及光通信技术，具体地，涉及一种用于通信系统中的 用于光通信系统的半导体光放大器。

背景技术

FSAN和ITU-T最近已经宣布下一代无源光网络NGPON2应当 能够达到超过40km的无源可达范围而且其功率预算应当不小于 29dB并且支持至少1∶64的分光比。因此，存在一种对于上行信号和 下行信号的信号放大的持续的需求。未来的时分波分复用无源光网络 (TWDM-PON)的波长范围为上行波长窗处于C-波段(1524-1544nm) 而下行信号波长范围在L+波段(1596-1603nm)。另一方面，波分复 用无源光网络(WDM-PON)采用包含C和L波段的全光谱范围即从 1524nm到1625nm的全波段。

对于TWDM/WDMPON信号放大来说，传统的光纤放大器由 于其有限的放大波长窗(仅仅为从1530至1560nm)而不能放大L波 段，因此，不再适用于下一代的TWDM/WDMPON。替代的解决方 案使用半导体光放大器SOA，因为其放大范围在1280nm至1650nm 范围内，但是传统的可用的半导体光放大器诸如InGaAsP或者 GaInNAs量子阱SOA仍会遭受小于3dB增益带宽(通常为60nm)， 因此尤其是对于WDM-PON来说限制了有效的传输信道数量。

图1示出了依据现有技术的长距离无源光网络架构100。从图 中可以看出，依据介绍此附图的文献“R.Bonk，etal，″LongReach PassiveOpticalNetworkArchitectures.″InProceedingsofPhotonic Networks：15.ITGSymposium，pp.1-5.VDE，2014”可知，在图1中的 结构(b)中需要2(x-1)个半导体光放大器，一方面其数量的上升 带来了不利的成本和额外的能源消耗的上升，而且由于每个SOA半 导体光放大器仅仅能够处理上行光或者下行光，所以在放大阶段必须 先引入光栅来分开上行光和下行光，而且在处理之后再要经过光栅进 行混合，这样一来便引入了额外的噪声，使得传输性能下降了。

发明内容

根据上述对背景技术以及存在的技术问题的理解，本发明提出 了一种用于光通信系统的半导体光放大器，其特征在于，所述半导体 光放大器的有源层的结构为包括第一有源层和第二有源层的双有源 层结构。

依据本发明的用于光通信系统的半导体光放大器的3dB增益带 宽能够达到至少100nm的带宽，从而能够覆盖时分波分复用无源光网 络(TWDM-PON)以及波分复用无源光网络(WDM-PON)的最新设 计要求，一方面能够实现上下行信号的半导体光放大器的复用，从而 减少光放大器的数量并且降低光放大器乃至整个无源光网络的架构 成本；此外还减小了由于数量众多的光放大器所带来的功率损害并且 减小了其所引入的噪声从而提高了整个系统的信号传输性能。

在依据本发明的一个实施例中，所述第一有源层为量子阱层并 且所述第二有源层为量子点层。本领域的技术人员应当了解，其他合 适的有源层结构也是可行的，本发明的重点在于使用两层有源层而非 如传统的半导体光放大器那样使用单层的有源层。其中，这样的双层 有源层结构能够叠加，即使用多组双有源层来制造半导体光放大器， 这样能够增大半导体光放大器的放大范围。

在依据本发明的一个实施例中，所述第一有源层和所述第二有 源层的材料是相同的。本领域的技术人员应当了解，材料不同也是可 能的，只要其能够实现本发明的作用。而材料相同的设置能够更加便 于制造和有利于成本的控制。

在依据本发明的一个实施例中，所述第一有源层和/或所述第二 有源层的材料为铟砷氮钾或铟钾砷磷。本领域的技术人员应当了解， 其他材料也是可能的，只要其能够实现本发明的作用。

在依据本发明的一个实施例中，所述第一有源层和所述第二有 源层之间的能级差保持在预定阈值之下，以增强电子在所述第一有源 层和所述第二有源层之间的相互作用。

在依据本发明的一个实施例中，所述预定阈值为电子热能量。

在依据本发明的一个实施例中，所述电子热能量的值为25meV。

在依据本发明的一个实施例中，所述第一有源层和所述第二有 源层之中的电子浓度大体上相等，以确保所述第一有源层和所述第二 有源层均达到预定的放大条件。

在依据本发明的一个实施例中，所述半导体光放大器的3dB增 益带宽能够达到至少100nm的带宽。

在依据本发明的一个实施例中，包括第一有源层和第二有源层 的所述双有源层结构的顶部和底部分别覆盖一层砷钾铝包层。

在依据本发明的一个实施例中，所述砷钾铝层远离所述双有源 层结构的一侧具有砷化钾阻挡层或者砷化钾衬底层。

在依据本发明的一个实施例中，所述砷化钾衬底层远离所述双 有源层结构的一侧具有底部接触面和/或所述砷化钾层远离所述双有 源层结构的一侧具有顶部接触面。

依据本发明的用于光通信系统的半导体光放大器的3dB增益带 宽能够达到至少100nm的带宽，从而能够覆盖时分波分复用无源光网 络(TWDM-PON)以及波分复用无源光网络(WDM-PON)的最新设 计要求，一方面能够实现上下行信号的半导体光放大器的复用，从而 减少光放大器的数量并且降低光放大器乃至整个无源光网络的架构 成本；此外还减小了由于数量众多的光放大器所带来的功率损害并且 减小了其所引入的噪声从而提高了整个系统的信号传输性能。

附图说明

通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述， 本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1示出了依据现有技术的长距离无源光网络架构100；

图2示出了依据本发明所述的用于光通信网络的半导体光放大 器的结构示意图200；

图3描述了当一个量子点和一个量子阱相互作用下的电子散射 过程并定义了相对应的时间常数示意图；

图4示出了在依据本发明的一个实施例的半导体光放大器的末 端上的量子阱和量子点中的电子和光子浓度示意图400；

图5示出了材料增益谱的比较图500；

图6示出了信号放大增益和输入光功率的关系图600；

图7示出了三组双有源层半导体光放大器的结构及能量列表示 意图700；

图8示出了叠加的材料增益谱的比较图800；以及

图9示出了信号放大增益谱的比较图900。

在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示相同或 相似的装置(模块)或步骤。

具体实施方式

在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分 的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的 特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施 例。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其他实施 例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并 非限制性的，且本发明的范围由所附的权利要求所限定。

图1示出了依据现有技术的长距离无源光网络架构，由于该架 构已经在背景技术部分加以描述，故在此为了避免重复描述而省略掉 了。

本发明提出了一种用于光通信系统的半导体光放大器，其特征 在于，所述半导体光放大器的有源层的结构为包括第一有源层和第二 有源层的双有源层结构。

依据本发明的用于光通信系统的半导体光放大器的3dB增益带 宽能够达到至少100nm的带宽，从而能够覆盖时分波分复用无源光网 络(TWDM-PON)以及波分复用无源光网络(WDM-PON)的最新设 计要求，一方面能够实现上下行信号的半导体光放大器的复用，从而 减少光放大器的数量并且降低光放大器乃至整个无源光网络的架构 成本；此外还减小了由于数量众多的光放大器所带来的功率损害并且 减小了其所引入的噪声从而提高了整个系统的信号传输性能。

在依据本发明的一个实施例中，所述第一有源层为量子阱层并 且所述第二有源层为量子点层。本领域的技术人员应当了解，其他合 适的有源层结构也是可行的，本发明的重点在于使用两层有源层而非 如传统的半导体光放大器那样使用单层的有源层。其中，这样的双层 有源层结构能够叠加，即使用多组双有源层来制造半导体光放大器， 这样能够增大半导体光放大器的放大范围。

在依据本发明的一个实施例中，所述第一有源层和所述第二有 源层的材料是相同的。本领域的技术人员应当了解，材料不同也是可 能的，只要其能够实现本发明的作用。而材料相同的设置能够更加便 于制造和有利于成本的控制。

在依据本发明的一个实施例中，所述第一有源层和/或所述第二 有源层的材料为铟砷氮钾或铟钾砷磷。本领域的技术人员应当了解， 其他材料也是可能的，只要其能够实现本发明的作用。

在依据本发明的一个实施例中，所述第一有源层和所述第二有 源层之间的能级差保持在预定阈值之下，以增强电子在所述第一有源 层和所述第二有源层之间的相互作用。

在依据本发明的一个实施例中，所述预定阈值为电子热能量。

在依据本发明的一个实施例中，所述电子热能量的值为25meV。

在依据本发明的一个实施例中，所述第一有源层和所述第二有 源层之中的电子浓度大体上相等，以确保所述第一有源层和所述第二 有源层均达到预定的放大条件。

在依据本发明的一个实施例中，所述半导体光放大器的3dB增 益带宽能够达到至少100nm的带宽。

在依据本发明的一个实施例中，包括第一有源层和第二有源层 的所述双有源层结构的顶部和底部分别覆盖一层砷钾铝包层。

在依据本发明的一个实施例中，所述砷钾铝层远离所述双有源 层结构的一侧具有砷化钾阻挡层或者砷化钾衬底层。

在依据本发明的一个实施例中，所述砷化钾衬底层远离所述双 有源层结构的一侧具有底部接触面和/或所述砷化钾层远离所述双有 源层结构的一侧具有顶部接触面。

依据本发明的用于光通信系统的半导体光放大器的3dB增益带 宽能够达到至少100nm的带宽，从而能够覆盖时分波分复用无源光网 络(TWDM-PON)以及波分复用无源光网络(WDM-PON)的最新设 计要求，一方面能够实现上下行信号的半导体光放大器的复用，从而 减少光放大器的数量并且降低光放大器乃至整个无源光网络的架构 成本；此外还减小了由于数量众多的光放大器所带来的功率损害并且 减小了其所引入的噪声从而提高了整个系统的信号传输性能。

以下参照附图进一步描述本发明的具体实施例以及利用 MATLAB进行的仿真结果以便介绍本发明的优点以及可实现性。但 是，后续的示例仅仅是示例性的而非限制性的，即不脱离本发明的双 有源层的构思的半导体光放大器均落入本发明的保护范围。

图2示出了依据本发明所述的用于光通信网络的半导体光放大 器的结构示意图200。从图中可以看出，所提出的SOA结构(见图2) 和传统量子阱SOA比较相似，此SOA被加工成浅刻蚀的脊形波导结 构，其长度为1.5mm脊宽为5μm。SOA的两个端面都采用防反射 涂层以抑制面反射率使之低于0.005％，以确保单通特性。此外，该 波导与端面呈8°倾斜，以进一步减少面反射率。因此，当输入光波水 平地射入SOA的任意一个端面，其将沿SOA长度方向传播，并通过 波导内电子和空穴的受激复合被放大。

从图中可以看出，用于光通信系统的半导体光放大器200的有 源层的结构为包括第一有源层220和第二有源层210的双有源层结 构。此外，包括第一有源层220和第二有源层210的双有源层结构的 顶部和底部分别覆盖一层砷钾铝包层230。该砷钾铝包层230远离所 述双有源层结构的一侧具有砷化钾阻挡层240或者砷化钾衬底层 240。该砷化钾衬底层240远离所述双有源层结构的一侧具有底部接 触面270和/或砷化钾层240远离双有源层结构的一侧具有顶部接触面 280。

此SOA的基本设计思路是在2-D(二维)量子阱层上自发生长一 层0-D浅量子点层，以形成双有源层结构。“浅量子点”表示量子阱 与量子点的能量过渡态之间的能级差要小于电子热能量kBT，约 25meV。

如图2所示的外延结构，量子阱层和量子点层都生长在n+掺杂 的GaAs(001)衬底上。SOA的有源区包括一层直径为4nm厚的自生长 量子点层，并覆盖一层7.5nm厚的量子阱层。我们采用GaInNAs作 为量子阱和量子点的生长材料，因为这种材料晶格完全匹配GaAs。 此外这种材料可以通过控制N元素的成分来改变中心波长，使其能覆 盖广泛的光通信波长，从1.25μm到1.65μm[6]。应变弛豫是由一 层33nm厚的GaAs阻挡层提供的，量子点的面密度约为4×10¹⁰cm^-2。 该双有源层分别由一层1.2μm厚p掺杂的和一层1.2μm厚n掺杂的 AlGaAs包层上下覆盖，以提供垂直波导。在SOA的顶部和底部都分 别生长一层接触层，用于提供电流并使电子渗透到双有源层内。

图3描述了当一个量子点和一个量子阱相互作用下的电子散射 过程并定义了相对应的时间常数。如图所示，所注入的载流子首先松 弛入量子阱层并在其内扩散。他们中的一部分将进一步地被量子点捕 获(τ_d)，而剩余的电子将分别辐射复合(S/τ_P)和非辐射复合(τ_qr)。 在量子点内，一些电子会跃迁回量子阱能级(τ_e)然而剩下的电子同样 将分别辐射复合(S/τ_P)和非辐射复合(τ_r)。针对该SOA设计，量子 阱和量子点之间的能极差为24meV，低于电子热能量。因此在低能级 的量子点内的电子将更容易跃迁到高能级的量子阱内并被量子点重 新捕获，从而增强了电子在这两个有源层之间的相互作用。

以下将参照后面的附图描述电子-空穴动态特性。

所设计的SOA是由连续电流源以及外部注入的光信号同时作 为泵浦。因此，注入光信号在沿波导传播过程中通过材料增益而被放 大。为了模拟这种动态特性，我们解决了在时域(T^z)以及传播方向上 (z)的电子分布。该SOA被均匀分段，每一段内的光信号放大以及电 子浓度的变化可以通过速率方程式求解得出。T^z代表光传播时间，由 T^z＝t-v_g^-1z得出，v_g代表光子群速度而z则表示光沿波导传播方向上 的截面位置。因此，用于描述量子阱及量子点能态内电子浓度动态特 性的速率方程式组可表示为如下：

$\frac{{\mathrm{dN}}_{\mathrm{QW}}(z,T^z)}{{\mathrm{dT}}^z}=\frac{{\mathrm{J\eta }}_i}{{\mathrm{eL}}_W}-\frac{N_{\mathrm{QW}}(z,T^z)}{{\tau }_{\mathrm{qr}}}-\frac{N_{\mathrm{QW}}(z,T^z)}{{\Sigma }_j{\tau }_d^j}+\underset{j}{\Sigma }\left(\frac{N_{\mathrm{QD}}^j(z,T^z)}{{\tau }_e^j}\right)-{\Gamma }_{\mathrm{QW}}{\mathrm{gain}}_{\mathrm{QW}}(z,T^z,h{\omega }_{\mathrm{cv}}\left(\mathrm{QW}\right))S_{\mathrm{QW}}(z,T^z)---\left(1\right)$

$\frac{d{N}_{\mathrm{QD}}^j(z,T^z)}{{\mathrm{dT}}^z}=\frac{G_j{N}_{\mathrm{QW}}(z,T^z)}{{\tau }_d^j}-\frac{N_{\mathrm{QD}}^j(z,T^z)}{{\tau }_e^j}-\frac{N_{\mathrm{QD}}^j(z,T^z)}{{\tau }_r}-{\Gamma }_{\mathrm{QD}}{\mathrm{gain}}_{\mathrm{QD}}(z,T^z,h{\omega }_m;j)S_m\mathrm{QD}(z,T^z)$

其中，η_i表示电流浓度(J)注入效率，而L_W代表量子阱有源层的厚 度。ω_m是光信号频率，频率间隔为Δω_m，m＝1，2，3...2M+1。hω(QW)和hω_m则分别表示量子阱和量子点的过渡态能级。量子点能态密度用高斯分布 G_j表示。Γ_QW和Γ_QD则分别代表量子阱和量子点的电子束缚因素常数。

在方程式(1)中，量子阱的材料增益，gain_QW(z，T^z，hω(QW))， 可通过量子阱能带反交叉模型[7]并通过费米黄金定律求得，其表达式 如(2)所示。然后通过洛伦兹公式L_hom将量子阱材料增益展开，其 最终表达式如(3)所示。其中量子阱增益最大值所对应的能级为电 子能级1-重空穴能级1(e1-hh1)之间的跃迁能量。

量子点材料增益，gain_QD(z，T^zhω_m；j)，是由不同的光子模式以及各 量子点组群决定的。其表达式可以通过Sugawara量子点模型计算得出， 如(4)所示。

${\mathrm{gain}}_{\mathrm{QD}}(z,T^z,h{\omega }_m;j)=\frac{2\pi e^{2}h{N}_D}{c{n}^r{ϵ}_0{m}_0^2}\frac{{{\left|P_{\mathrm{cv}}\right|}_{\mathrm{QD}}}^2}{E_{\mathrm{cvQD}}}\times ({\rho }_c(z,T^z,j)-{\rho }_v(z,T^z,j))G_{\mathrm{inh}}L(E-E_{\mathrm{cvQD}})---\left(4\right)$

其中，ρ_c(z，T^z，j)和ρ_v(z，T^z，j)分别代表导带中电子在相对应的j量子 点组群内的浓度和价带中空穴在相对应的j量子点组群内的浓度。然而 在此模型内，我们假设电中性守恒，因此ρ_v(z，T^z，j)＝1-ρ_c(z，T^z，j)。

量子阱和量子点束缚态的材料增益可由电子速率方程式求得。因 而在光传播方向上每一段的受激光子浓度可根据材料增益进一步求得， 如下所示：

$S_{\mathrm{QW}}(z,T^z)=S_{\mathrm{QW}}(z-1,T^z)+\frac{\partial S_{\mathrm{QW}}(z,T^z)}{\partial z}---\left(5\right)$

$S_m\mathrm{QD}(z,T^z)=S_m\mathrm{QD}(z-1,T^z)+\frac{\partial S_m\mathrm{QD}(z,T^z)}{\partial z}$

电子-光子动态特性决定了SOA在稳定态以及向稳定态瞬时演变 过程中的性能。图4描述了在-20dBm光功率注入下，SOA末端部分量 子阱和量子点能态内电子和光子的分布。泵浦电流设定低于SOA激射 阀值电流浓度(J≈J_th)。图中实线代表量子阱中的电子浓度，虚线表示 量子点中的电子浓度。他们都随着电流注入时间平稳增加并趋向于饱 和。量子阱和量子点内的电子浓度都达到了10¹⁷cm^-3数量级，由此可知 量子阱和量子点可以同时放大信号。这还可以通过比较量子阱和量子点 内产生的光子浓度得到进一步的验证，图4中点线和点虚线分别代表量 子阱和量子点产生的光子浓度，并且两者数值接近，S_QW≈S_QD。因此， 由于量子阱和量子点内的电子浓度几乎相等，增益频谱将会被展宽。

以下参照附图描述宽带增益特性。

所设计的双有源层SOA的总材料增益是量子阱材料增益和量子 点材料增益的叠加，如图5实线所示。这和传统量子阱材料进行比较， 如图5虚线所示。由于放大带宽限制，传统量子阱激光器的放大波长范 围只能覆盖TWDMPON的上行波段，然而增益在下行波段范围内降至 零。但是我们所设计的双有源层SOA的材料增益曲线出现了两个正增 益波峰，其分别对应量子阱和量子点。这两个波峰之间的间隔为24meV， 等同于量子阱和量子点之间的能态差。这有力地证明双有源层SOA能 够双向同时放大TWDMPON的上行和下行信号。

为了进一步验证双有源层SOA的信号放大性能，两个反向传播的 光波长(1540nmand1600nm)同时注入SOA的两个不同端面，这两个波 长分别对应TWDMPON的上行和下行波段。图6显示了信号放大增益 随着输入光信号强度变化的曲线图。如图所示，两个光信号(1540nm和 1600nm)通过电子受激辐射同时被量子阱和量子点双有源层放大。这两 个光信号的线性增益都在10-15dB区间内，和[4]中报道的增益值相似。 P_sat代表增益衰减3dB时所对应的输入光功率值。量子阱和量子点有源 层都拥有较好的饱和输入光功率，P_sat＞7dBm，量子点的饱和输入光功 率尤其高。因此，所设计的双有源层SOA被证明能够放大较宽波长范 围的信道，并具有相当宽的线性工作区域。

本领域的技术人员应当了解，以上所描述的一对有源层，即双 有源层的设计能够设置多组，即多层“双有源层”应用。

尽管所设计的双有源层SOA拥有宽频增益频谱并能够同时放大 TWDMPON上行和下行信号，我们仍然能观察到在两个增益正波峰之 间出现了一个不理想的波谷，从而导致增益谱顶部产生明显的波动。这 并不符合WDMPON的设计要求。然而这个缺陷可以通过设计多层双有 源层结构得到改善，并使增益顶部更加平坦。图7给出了一个3层双有 源层SOA的结构示意图，并标识出相对应的参数细节。图8比较了所 设计的多层双有源层SOA的材料增益谱和传统的多层量子阱SOA的材 料增益谱。由图可知，传统的多层量子阱SOA的信号放大区间仍只能 覆盖TWDMPON的上行波段，然而不能放大下行波段信号。但是所设 计的多层双有源层SOA的材料增益谱大幅度增加并扩展，同时最佳覆 盖了TWDMPON的上行和下行波段。

图9比较了所设计的多层双有源层SOA的信号放大增益谱和传统 多层量子阱的信号放大增益谱。这两种结构增益曲线都较为平坦，且线 性增益值都达到了20dB。然而通过比较，传统多层量子阱SOA的3dB 增益带宽为61nm(从1513nm到1574nm)而所设计的多层双有源层 SOA的3dB增益带宽为107nm(从1513nm到1620nm)，几乎是传统 SOA的两倍。这样通过使用单个所设计的多层双有源层SOA可以放大 更多的波长信道。因此所设计的新型双有源层SOA，无论在TWDMPON 还是WDMPON都将是非常有前途的候选。

依据本发明的用于光通信系统的半导体光放大器的3dB增益带 宽能够达到至少100nm的带宽，从而能够覆盖时分波分复用无源光网 络(TWDM-PON)以及波分复用无源光网络(WDM-PON)的最新设 计要求，一方面能够实现上下行信号的半导体光放大器的复用，从而 减少光放大器的数量并且降低光放大器乃至整个无源光网络的架构 成本；此外还减小了由于数量众多的光放大器所带来的功率损害并且 减小了其所引入的噪声从而提高了整个系统的信号传输性能。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施 例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以 其他的具体形式实现本发明。因此，无论如何来看，均应将实施例看 作是示范性的，而且是非限制性的。此外，明显的，“包括”一词不排 除其他元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。装置权利要求中陈 述的多个元件也可以由一个元件来实现。第一，第二等词语用来表示 名称，而并不表示任何特定的顺序。