III. SOA 芯片表征

A. SOA 芯片光學(xué)表征設(shè)置

SOA的光學(xué)表征設(shè)置示意圖如圖7a)所示。我們使用了一個(gè)可調(diào)諧激光器（波長(zhǎng)范圍為1510-1630nm），其輸出功率固定，作為輸入信號(hào)源，以便在大光譜范圍內(nèi)進(jìn)行表征。值得注意的是，該激光器還選擇了較大的最大輸出功率（>12 dBm），以便研究飽和輸出功率。在激光器之后，我們放置了一個(gè)可變光衰減器（VOA），用于控制輸入信號(hào)的電平。由于SOA對(duì)偏振敏感，因此在SOA之前插入了偏振控制器。SOA的輸出在光譜分析儀（OSA）上進(jìn)行測(cè)量。此外，在SOA的輸入和輸出端使用了3-dB光耦合器，以便在光功率計(jì)（OPM）上監(jiān)測(cè)放大的自發(fā)輻射功率電平。

被測(cè)設(shè)備（DUT）是一個(gè)安裝在氮化鋁載體上的SOA芯片，芯片通過(guò)引線(xiàn)鍵合與載體連接。由于載體上裝有熱敏電阻、熱電冷卻器（TEC）和TEC控制器，因此該設(shè)備可在控制溫度下進(jìn)行測(cè)試。使用電流源為芯片提供偏置。通過(guò)探針在載體上建立電接觸。

如圖7b所示，通過(guò)定制的透鏡-光纖組件將光耦合進(jìn)芯片波導(dǎo)和從芯片波導(dǎo)出耦合。測(cè)得的光耦合損耗為每端面1dB。請(qǐng)注意，使用三軸線(xiàn)性平臺(tái)控制光路對(duì)準(zhǔn)，并根據(jù)光譜分析儀（OSA）上的輸出信號(hào)峰值功率進(jìn)行優(yōu)化。

在表征之前，使用具有波長(zhǎng)校準(zhǔn)功能的光功率計(jì)（OPM）對(duì)設(shè)置進(jìn)行校準(zhǔn)。接下來(lái)，根據(jù)光譜分析儀上的峰值功率測(cè)量，推導(dǎo)出輸出鏈路的功率損耗。這一步驟針對(duì)感興趣的不同波長(zhǎng)重復(fù)進(jìn)行。

完成校準(zhǔn)后，在20℃的受控溫度下，對(duì)各種芯片設(shè)計(jì)的光纖到光纖增益、噪聲系數(shù)和飽和輸出功率進(jìn)行了表征。

B. SOA 芯片光學(xué)表征結(jié)果與分析

我們測(cè)試了三種芯片設(shè)計(jì)：一種是沒(méi)有UC區(qū)段（稱(chēng)為STD，即0% UC），另外兩種UC區(qū)段的比例分別為43%和56%（分別稱(chēng)為43% UC和56% UC）。所有芯片的長(zhǎng)度均為4mm。

光是從上包層側(cè)注入的。否則，飽和輸出功率將受到UC區(qū)段較低飽和功率的限制。

在1.3A的偏置電流下，我們首先通過(guò)可變光衰減器（VOA）將小信號(hào)輸入功率設(shè)置為-25 dBm，對(duì)器件進(jìn)行了表征。

在圖8中，我們將測(cè)量得到的小信號(hào)增益光譜與第II-C節(jié)中所述模型得到的模擬光譜進(jìn)行了比較。除了長(zhǎng)波長(zhǎng)處外，兩者在1 dB范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的一致性。長(zhǎng)波長(zhǎng)處的不一致性是由于提取的材料增益在長(zhǎng)波長(zhǎng)處存在較大的不準(zhǔn)確性。

否則，對(duì)于任何設(shè)計(jì)，3-dB增益帶寬均測(cè)得超過(guò)87nm，覆蓋了C波段和L波段的大部分區(qū)域。然而，在1575nm處，56% UC設(shè)計(jì)的光纖到光纖增益最高，達(dá)到了40dB，比標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的增益高出10dB。值得注意的是，盡管增益值很大，但在光譜分析儀（OSA）上以0.03nm的分辨率測(cè)量時(shí)，在1.3A偏置電流下的放大自發(fā)輻射（ASE）光譜上測(cè)得的波紋可忽略不計(jì)，即小于0.1dB。這得益于根據(jù)第II-B節(jié)中提出的波紋估算而精心設(shè)計(jì)的波導(dǎo)和錐度。實(shí)際上，通過(guò)使用較大的脊寬來(lái)減小波導(dǎo)模式發(fā)散，從而實(shí)現(xiàn)了非常低的端面反射率。

在圖9中，展示了在光譜分析儀上以0.2nm分辨率測(cè)得的噪聲系數(shù)（NF）。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的噪聲系數(shù)在1600nm處測(cè)得為5.5dB，在較短的波長(zhǎng)處增加到8dB。例如，可以通過(guò)增加輸入部分的能隙來(lái)改善短波長(zhǎng)的噪聲系數(shù)。然而，對(duì)于UC設(shè)計(jì)以及從UC部分注入光的情況，與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的噪聲系數(shù)相比，在1600nm處UC設(shè)計(jì)的噪聲系數(shù)差0.3dB，在短波長(zhǎng)處差0.5至1dB。這與我們之前的理論計(jì)算分析不同——兩個(gè)部分的噪聲系數(shù)應(yīng)該相似。我們認(rèn)為，這可能是由于制造問(wèn)題導(dǎo)致的UC部分傳播損耗較大，或者是由于UC部分增益介質(zhì)在輸入處具有較大的ASE功率但飽和功率較小而引起的空間燒孔（SHB）現(xiàn)象。但是，這將在下一節(jié)中得到緩解。

在圖10中，展示了在1.3A電流、20°C溫度和1600nm波長(zhǎng)下，不同芯片設(shè)計(jì)的增益隨輸出功率的變化情況。圖中的標(biāo)記是測(cè)量結(jié)果，而實(shí)線(xiàn)則是根據(jù)第II-C節(jié)中介紹的模型得到的模擬結(jié)果。模擬結(jié)果與測(cè)量結(jié)果非常吻合，增益值的差異在0.5dB以?xún)?nèi)，這符合測(cè)量精度和重復(fù)性。

從這些曲線(xiàn)中，我們通過(guò)3-dB增益壓縮插值得到了飽和輸出功率Psat。對(duì)于56% UC、43% UC和0% UC設(shè)計(jì)的芯片，飽和輸出功率分別測(cè)得為21.4dBm、21dBm和20dBm。因此，由于較小的有源區(qū)體積，UC部分可以使飽和輸出功率增加高達(dá)1.5dB。

圖5中插值得到的Psat模擬結(jié)果在圖11中進(jìn)行了繪制，并與UC比例進(jìn)行了對(duì)比，同時(shí)為了考慮光耦合損耗，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了1-dB的減法處理。這些模擬結(jié)果與測(cè)得的光纖到光纖Psat值進(jìn)行了比較。兩者結(jié)果非常一致（差異為0.2dB），且都在測(cè)量精度和重復(fù)性范圍內(nèi)。因此，在1.3A電流和1600nm波長(zhǎng)下，對(duì)于4mm長(zhǎng)的芯片，根據(jù)模型預(yù)測(cè)，56% UC的SOA的飽和輸出功率高于43% UC的SOA。

因此，這些結(jié)果驗(yàn)證了用于設(shè)計(jì)這種新型雙區(qū)芯片的模型的準(zhǔn)確性，該模型能夠在中等偏置電流下同時(shí)實(shí)現(xiàn)大增益和高飽和輸出功率。

最后但同樣重要的是，我們將增益和飽和輸出功率的結(jié)果與最先進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行了比較。值得注意的是，Morito的研究小組[5]首先取得了具有競(jìng)爭(zhēng)力的結(jié)果。他們封裝的5nm多量子阱（MQW）SOA模塊在1A偏置電流下實(shí)現(xiàn)了15dB的增益和22dBm的芯片飽和輸出功率。Akiyama的研究小組開(kāi)發(fā)了一種使用傾斜波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的超寬帶量子點(diǎn)（QD）SOA，實(shí)現(xiàn)了25dB的增益和22dBm的飽和輸出功率。Juodawlkis的研究小組報(bào)告了使用InGaAsP-InP量子阱的斜切波導(dǎo)放大器（SCOWA）的成功結(jié)果。這種SCOWA在1.5μm波段實(shí)現(xiàn)了13dB的光纖到光纖增益和29dBm的飽和輸出功率。然而，其1cm的芯片長(zhǎng)度需要非常高的4-5A偏置電流。2017年，III-V Lab[17]開(kāi)發(fā)了一種偏振不敏感模塊，該模塊包含兩個(gè)采用寬帶增益材料的多量子阱SOA，實(shí)現(xiàn)了18.5dB的增益和20dBm的飽和輸出功率。最近，據(jù)報(bào)道，一種高效率的量子點(diǎn)SOA在僅200mA偏置電流下實(shí)現(xiàn)了24dB的高增益和15dBm的飽和輸出功率。

通過(guò)比較，可以看出我們研究的芯片在特定設(shè)計(jì)下（如56% UC設(shè)計(jì)）能夠?qū)崿F(xiàn)與現(xiàn)有先進(jìn)技術(shù)相當(dāng)?shù)脑鲆婧惋柡洼敵龉β?，同時(shí)可能具有更低的偏置電流要求或更緊湊的芯片尺寸。這些結(jié)果驗(yàn)證了我們?cè)谠O(shè)計(jì)這種新型雙區(qū)芯片以實(shí)現(xiàn)大增益和高飽和輸出功率方面的努力是有效的，并表明我們的芯片在性能上具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力。

特別是，考慮到不同的工作電流范圍，我們使用G0乘以Psat的乘積（作為品質(zhì)因數(shù)）來(lái)比較增益和飽和輸出功率之間的權(quán)衡。如圖12所示，56% UC設(shè)計(jì)的品質(zhì)因數(shù)遠(yuǎn)超其他設(shè)計(jì)，實(shí)際上，其領(lǐng)先幅度在10到220倍之間。在這里，我們選擇以線(xiàn)性單位表示品質(zhì)因數(shù)，以使增益和Psat具有相同的重要性水平。即使增益以分貝為單位，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)與UC設(shè)計(jì)之間的品質(zhì)因數(shù)也有顯著提高。

盡管雙區(qū)設(shè)計(jì)達(dá)到了在中等電流下實(shí)現(xiàn)大增益和高飽和輸出功率的初步目標(biāo)，但測(cè)得的噪聲系數(shù)（NF）相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)有所惡化。在下一節(jié)中，我們將介紹一種具有更小噪聲系數(shù)的高級(jí)設(shè)計(jì)。

IV. 降低噪聲系數(shù)的高級(jí)設(shè)計(jì)

A. 噪聲系數(shù)惡化的根本原因分析

雙區(qū)設(shè)計(jì)中噪聲系數(shù)的惡化是由芯片輸入端未鉗制（UC）部分引起的大增益所導(dǎo)致的空間燒孔效應(yīng)（SHB）。實(shí)際上，SHB會(huì)導(dǎo)致載流子密度降低，進(jìn)而增加噪聲系數(shù)，如圖8所示。這表明，為了避免嚴(yán)重的噪聲系數(shù)惡化，不應(yīng)在芯片輸入部分實(shí)現(xiàn)大增益。

B. 高級(jí)設(shè)計(jì)

因此，為了減輕噪聲系數(shù)的惡化，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新的SOA芯片，將未鉗制部分置于芯片中心，以避免輸入端出現(xiàn)嚴(yán)重的空間燒孔效應(yīng)，同時(shí)在輸入和輸出端使用錐形結(jié)構(gòu)連接標(biāo)準(zhǔn)部分，如圖13所示。此外，為了改善短波長(zhǎng)的噪聲系數(shù)性能，我們重新設(shè)計(jì)了有源區(qū)，并將外延波長(zhǎng)移向C波段。因此，我們將未鉗制比例設(shè)定為50%，并將芯片長(zhǎng)度縮短至3mm。

該芯片已使用第II-B節(jié)中描述的過(guò)程制造完成。由于更改了SOA堆疊，因此還制造了輸入端有未鉗制（UC）部分的芯片和沒(méi)有UC部分的芯片（STD），以便能夠量化UC部分位置對(duì)噪聲系數(shù)（NF）的影響。

使用與之前相同的設(shè)置和測(cè)試過(guò)程，在更節(jié)能的操作條件（1.2A和25℃）下對(duì)新設(shè)計(jì)的芯片進(jìn)行了表征。三種芯片設(shè)計(jì)的增益和NF結(jié)果如圖14所示。與之前觀察到的結(jié)果一樣，具有UC部分的SOA的增益比STD SOA高出多達(dá)13dB。關(guān)于NF，將UC部分置于芯片中間，如預(yù)期所料，其N(xiāo)F與STD SOA相似，而將UC部分置于芯片輸入端則會(huì)導(dǎo)致NF降低0.7dB。在短波長(zhǎng)下，由于基于UC的設(shè)計(jì)的增益峰值位置比STD設(shè)計(jì)的增益峰值位置向更長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)，因此NF也會(huì)隨著先進(jìn)設(shè)計(jì)的采用而降低。不過(guò)，這可以進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整。

因此，為避免空間燒孔效應(yīng)（SHB）導(dǎo)致NF降低，UC部分不應(yīng)置于輸入端，而應(yīng)置于芯片中間。這樣仍然可以實(shí)現(xiàn)大增益和高飽和輸出功率。

V.結(jié)論

通過(guò)對(duì)帶有UC部分的雙區(qū)SOA進(jìn)行精心分配，我們根據(jù)模型預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)了大增益和高飽和輸出功率水平。該設(shè)計(jì)可以在不降低飽和輸出功率（Psat）的情況下顯著提高增益。特別是，在4mm長(zhǎng)的芯片中，使用56%的UC部分，在適中的偏置電流（1.3A）下，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)40dB的增益和21.4dBm的飽和輸出功率。這在我們所知的范圍內(nèi)，是增益和飽和輸出功率之間最佳權(quán)衡的表現(xiàn)。此外，通過(guò)精心定位UC部分，還降低了噪聲系數(shù)。隨著我們工作的推進(jìn)，進(jìn)一步降低噪聲系數(shù)和功耗以滿(mǎn)足工業(yè)化要求將是有益的。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，該設(shè)計(jì)也可以進(jìn)行調(diào)整以滿(mǎn)足其他增益-飽和輸出功率要求。例如，可以減小限制因子，以獲得更高的輸出飽和功率。

--已完結(jié)--

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天津見(jiàn)合八方光電科技有限公司（http://tj.jhbf.cc），是一家專(zhuān)注半導(dǎo)體光放大器SOA研發(fā)和生產(chǎn)的高科技企業(yè)，目前已推出多款半導(dǎo)體光放大器SOA產(chǎn)品（1060nm, 1310nm, 1550nm），公司已建立了萬(wàn)級(jí)超凈間實(shí)驗(yàn)室，擁有較為全面的光芯片的生產(chǎn)加工、測(cè)試和封裝設(shè)備，并具有光芯片的混合集成微封裝能力。目前公司正在進(jìn)行小型SOA器件、DFB+SOA的混合集成器件、可見(jiàn)光波長(zhǎng)SOA器件、大功率SOA器件的研發(fā)工作，并可對(duì)外承接各種光電器件測(cè)試、封裝和加工服務(wù)。