劉 松,王海龍,陳廷廷(曲阜師范大學(xué),山東曲阜273165)

端面反射率對單端反射半導(dǎo)體光放大器的影響*

劉 松,王海龍,陳廷廷
(曲阜師范大學(xué),山東曲阜273165)

本文考慮了光子密度、增益譜色散、放大自發(fā)輻射噪聲(ASE)、端面反射率和載流子濃度對折射率的影響,并采用細(xì)化分段法及四階龍格-庫塔法求解速率方程及光場傳輸方程,分析了不同端面反射率時(shí)單端反射半導(dǎo)體光放大器(RSOA)的動(dòng)態(tài)特性。結(jié)果表明端面反射率的適當(dāng)增加,可以使增益得到提高,增益恢復(fù)時(shí)間減少,ASE輸出功率增加,消光比下降。理論分析為優(yōu)化RSOA的動(dòng)態(tài)特性具有一定的指導(dǎo)意義。

單端反射半導(dǎo)體光放大器 龍格-庫塔法 放大自發(fā)輻射噪聲 端面反射率

0 引 言

半導(dǎo)體光放大器憑借其顯著的非線性效應(yīng)在光信號處理的系統(tǒng)中得到了普遍應(yīng)用,因此從理論上研究半導(dǎo)體光放大器的動(dòng)態(tài)特性具有重要的理論價(jià)值和指導(dǎo)意義。單端反射半導(dǎo)體光放大器[1-3]可以應(yīng)用于波分復(fù)用的無源光網(wǎng)絡(luò)(WDM-PON)的“無色”光網(wǎng)絡(luò)單元ONU中,作為光放大調(diào)制器,用來代替價(jià)格昂貴的可調(diào)激光器以及其他波長選擇器。單端反射半導(dǎo)體光放大器與普通的半導(dǎo)體光放大器相比,不但具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、功耗低的優(yōu)點(diǎn),而且單端反射半導(dǎo)體光放大器還具有很多其它優(yōu)點(diǎn)。第一,輸出光功率能夠獲得雙倍的增益,有利于提高光的放大效果。第二,同時(shí)擁有放大器和調(diào)制器的功能,提高了接收靈敏度。第三,采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的單端反射半導(dǎo)體光放大器,有源層半導(dǎo)體材料帶隙比周圍P區(qū)和N區(qū)小,這樣增加了載流子的濃度。單端反射半導(dǎo)體光放大器在實(shí)際應(yīng)用中也有一些不足,由于單端反射半導(dǎo)體光放大器具有較高的后端面反射率,對反射敏感,所以需要使用特殊設(shè)計(jì)來避免引起激射。而且,目前在實(shí)際應(yīng)用中需要冷卻才能保證達(dá)到所需要的性能指標(biāo)。

隨著光通信技術(shù)的不斷發(fā)展[4],人們對傳輸速度的要求變得越來越高,普通的SOA由于載流子恢復(fù)時(shí)間慢,所以容易造成碼型效應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性缺點(diǎn)就迫切需要改善。本文通過提高端面反射率可以縮短載流子的恢復(fù)時(shí)間,有利于提高信號處理速度,減小輸出的碼型效應(yīng),并且提高了增益。本文研究的半導(dǎo)體光放大器的動(dòng)態(tài)特性,適用于脈沖寬度高于10ps的信號輸入情況,對半導(dǎo)體光放大器的動(dòng)態(tài)理論研究具有一定指導(dǎo)意義。

1 RSOA的工作原理

單端反射半導(dǎo)體光放大器和普通半導(dǎo)體光放大器相比較,改善了輸出消光比退化嚴(yán)重的問題。單端反射半導(dǎo)體光放大器和半導(dǎo)體光放大器的結(jié)構(gòu)相似,但前者的后端面具有一個(gè)高反射的涂層,用來增加反射率。這樣可以降低普通SOA對端面反射率的標(biāo)準(zhǔn),而且制作簡單,具有一定優(yōu)越性以及市場價(jià)值。

如圖1所示是一個(gè)單端反射半導(dǎo)體光放大器的簡單示意圖[5],光信號在經(jīng)過半導(dǎo)體光放大器時(shí)獲得了光功率的放大,在到達(dá)高反射涂層后,絕大部分的光信號被反射按原路返回,反射光又一次經(jīng)過半導(dǎo)體光放大器,功率又一次被放大,透過抗反射涂層從入射口輸出。利用單端反射半導(dǎo)體光放大器,能夠使輸出光功率獲得雙倍增益,這有利于放大效果,并且可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)放大器和調(diào)制器的功能。

圖1 單端反射半導(dǎo)體光放大器結(jié)構(gòu)Fig.1 RSOA structural diagram

2 理論模型

描述受激輻射復(fù)合引起載流子消耗而導(dǎo)致增益飽和速率方程如下所述[6]:

I為泵浦電流,ηI為電流注入效率,e為電子電量,V為半導(dǎo)體材料有源區(qū)的體積,Γ為模場限制因子,vg為光在有源區(qū)內(nèi)的群速度,Si為第i束光的光子密度,非受激輻射復(fù)合消耗載流子的速率為:

式中Anrad、Brad、Caug分別為線性非輻射復(fù)合系數(shù),雙分子輻射復(fù)合系數(shù)和俄歇復(fù)合系數(shù)。

半導(dǎo)體材料的增益系數(shù):

若有外部信號光注入半導(dǎo)體光放大器,其傳輸方程為:

自發(fā)輻射噪聲的傳輸,包括已產(chǎn)生的ASE噪聲沿有源區(qū)產(chǎn)生受激放大,同時(shí)也有新產(chǎn)生的自發(fā)輻射光子的加入,其傳輸方程為[6]:

式中χ是自發(fā)輻射譜的有效耦合系數(shù)。

通過求解微分方程(1)、(3)、(4)和(5),研究變化的輸入光信號經(jīng)過SOA的特性。采用較為精確的四階龍格-庫塔法進(jìn)行載流子濃度的更新,這種方法更新收斂性好,適用于穩(wěn)態(tài)初始化和動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型。首先由細(xì)化分段模型(M=30,N=100)求得各段信號光場輸出和載流子濃度動(dòng)態(tài)模型初始值。采用細(xì)化分段的處理方式可以一定程度減少在運(yùn)算過程中求解矩陣耗時(shí)過長的問題。由于采用的信號是隨時(shí)間變化的信號,對信號功率包絡(luò)進(jìn)行時(shí)間上的離散化,取樣間隔為:

式中,vg是光的群速度,dz=L/(M×N),L為有源區(qū)的長度,M為對有源區(qū)分段的段數(shù),N為第i(i=1,2,3,…,M)段中的分段段數(shù)。然后利用四階龍格-庫塔解速率方程,更新載流子的濃度。

3 仿真實(shí)驗(yàn)和討論

對RSOA不同端面反射率產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行比較研究,采用的仿真參數(shù)可參考表1[7]。

表1 RSOA參數(shù)表Table 1 RSOA parameters

圖2 增益恢復(fù)時(shí)間和后端面反射率的關(guān)系Fig.2 Relationship between gain recovery time and rear facet reflectivityy

圖2 給出了不同后端面反射率的單端反射半導(dǎo)體光放大器和增益恢復(fù)時(shí)間關(guān)系的曲線圖,其中有源區(qū)長度為500μm,注入的電流為150 mA,保持光功率P=-10 dB。由圖中可以看出,增益恢復(fù)時(shí)間隨后端面反射率的增大而減少,當(dāng)R2=0.01時(shí),增益恢復(fù)時(shí)間為122 ps,當(dāng)R2=0.1時(shí),增益恢復(fù)時(shí)間降低為75 ps。后者比前者的增益恢復(fù)時(shí)間下降了約38.5%。這是由于增大后端面反射率,反射回來的光就會(huì)增加,能夠使得光子的濃度越來越大,載流子和光子之間的相互作用就隨之越來越強(qiáng),所以增益的恢復(fù)就會(huì)隨之加快,從而表現(xiàn)出隨著后端面反射率的增大增益恢復(fù)時(shí)間減少。

圖3 ASE輸出功率和后端面反射率的關(guān)系Fig.3 Relationship between ASE output power and rear facet reflectivity

由圖3可以看出,隨著后端面反射率的增加,放大自發(fā)輻射噪聲的功率也提高了。半導(dǎo)體中自發(fā)輻射出來的光子會(huì)沿有源區(qū)長度傳輸,處于增益帶內(nèi)的部分會(huì)受激放大。在增大后端面反射率后,有源區(qū)內(nèi)自發(fā)輻射出來的光子由于后端面反饋?zhàn)饔玫玫搅思訌?qiáng),所以輸出的自發(fā)輻射噪聲的功率增加。當(dāng)入射光功率較小時(shí),信號光很可能淹沒在噪聲功率中,ASE的噪聲就不能忽略不計(jì)了。當(dāng)入射光功率較大時(shí),信號光的功率相對于噪聲功率大的多,此時(shí)ASE的噪聲可以忽略不計(jì)。

圖4 保持光穩(wěn)態(tài)增益與后端面反射率的關(guān)系Fig.4 Relationship between gain and rear facet reflectivity

圖5 消光比與后端面反射率的關(guān)系Fig.5 Relationship between extinction ratio and rear facet reflectivity

由圖4可以看出,隨著后端面反射率的增加,保持光穩(wěn)態(tài)增益也增大了。這是因?yàn)樵龃蠛蠖嗣娣瓷渎?反射回來的光就會(huì)增加,消耗更多有源區(qū)內(nèi)的載流子,從而保持光獲得更大的增益。當(dāng)有源區(qū)內(nèi)的載流子濃度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),保持光的增益變化也達(dá)到穩(wěn)態(tài)。為了能夠獲得較大的保持光穩(wěn)態(tài)增益,可以通過適當(dāng)?shù)脑黾雍蠖嗣娣瓷渎?但是后端面反射率增加到一定程度,保持光會(huì)達(dá)到增益飽和。圖4中, R2=0.06和R2=0.1的增益相差較小,如果這時(shí)繼續(xù)增加后端面反射率增益也不會(huì)提高。

由圖5可以看出,隨著后端面反射率的增加,消光比減小了。這是因?yàn)殡S后端面反射率的增加,使反射回來的反向的光功率增大,消耗了更多有源區(qū)內(nèi)的載流子,減小了有源區(qū)內(nèi)的載流子濃度,使泵浦光信號“1”和“0”獲得增益都下降,且“1”信號增益比“0”信號增益下降幅度大,導(dǎo)致輸出信號的消光比減小。所以為了獲得較高的輸出消光比,應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)?shù)倪x用反射率低的RSOA。

4 結(jié) 語

本文研究了不同后端面反射率對單端反射半導(dǎo)體光放大器的的影響。結(jié)果表明隨著后端面反射率的增加,增益恢復(fù)時(shí)間減少,R2=0.1時(shí)的增益恢復(fù)時(shí)間相比于R2=0.01時(shí)的增益恢復(fù)時(shí)間減少了約38.5%。隨著后端面反射率的增加,保持光穩(wěn)態(tài)增益也獲得了增加。但是后端面反射率也不是越大越好,增加后端面反射率的同時(shí)也會(huì)帶來ASE噪聲輸出功率增加,轉(zhuǎn)換光消光比減小的問題,而且后端面反射率增大到一定程度,保持光的穩(wěn)態(tài)增益也會(huì)達(dá)到飽和。所以選擇適當(dāng)?shù)暮蠖嗣娣瓷渎什拍鼙ＷC單端反射半導(dǎo)體的實(shí)際應(yīng)用。

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LIU Song(1989-),male,postgraduate, mainly engaged in optical communications and optical networking.

王海龍(1971—),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)楣馔ㄐ拧雽?dǎo)體光電子學(xué)等;

WANGHai-Long(1971-),male,professor,doctoral tutor,mainly engaged in optical communications,semiconductor optoelectronics,etc.

陳廷廷(1989—),女,碩士研究生,主要研究方向?yàn)楣馔ㄐ偶肮饨M網(wǎng)。

CHEN Ting-ting(1989-),female,graduate student,majoring in optical communications and optical networking.

Impact of Facet Reflectivity on Single-Port Coup led SOA

LIU Song,WANG Hai-long,CHEN Ting-ting
(Qufu Normal University,Qufu Shandong 273165,China)

The influence of refractive index cuased by photon density,gain spectrum dispersion,amplified spontaneous emission noise(ASE),facet reflectivity and carrier concentration is discussed,and the rate equations and light-field transfer equations are solved by the refined sectionalization and Runge-Kutta method.Meanwhile the dynamic characteristics of different facet reflectivity coefficients of RSOA are also analyzed.Results show that a proper increase of facet reflectivity could raise the gain of SOA and ASE output power,decrease the gain recovery time and extinction ratio.This theoretical analysis could serve as a reference for the optimization of RSOA dynamic characteristics.

RSOA;Runge-Kuttamethod;amplified spontaneous emission noise(ASE);facet reflectivity

Shandong Province Natural Science Foundation(No.ZR2010FM023)and State Key Laboratory of Functional Materials for Informatics open topic(No.SKL201307)funded

date：2014-10-24;Revised date：2015-01-07

山東省自然科學(xué)基金(No.ZR2010FM023)以及信息功能材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)開放課題(No.SKL201307)資助

TN929.1

A

1002-0802(2015)02-0161-04

劉 松(1989—),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)楣馔ㄐ偶肮饨M網(wǎng);

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.02.009

2014-10-24;

2015-01-07