本文主要是介绍提高SOA噪声系数和饱和功率的方法，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！
----翻译自Kevin Carney, Robert Lennox等人撰写的文章
摘要
针对多触点体半导体光放大器（SOA），使用速率方程模型研究了有源层纵向载流子密度分布特性。结果表明，噪声系数和饱和输出光功率都可以通过偏置电流分布进行优化。本文还通过多触点SOA的实验验证了仿真结果。同时采用了使用聚焦离子束增加段间接触电阻，以优化载流子密度控制。最终，在总偏置电流为150mA的情况下，实验得到了3.8 dB的芯片噪声系数和9 dBm的饱和输出功率。
1.简介
半导体光放大器（SOA）作为光通信系统中的非线性器件的潜力导致了过去二十年中实验和理论研究的激增[1]。SOA作为取代光网络中当前信号电域处理方法的替代者，已经引起了人们的兴趣，其可工作在320Gb/s[2]。当工作在饱和条件下，其可用于高速波长转换器和远程调制器[3-5]。此外，SOA还具有成本优势，特别是在制造、低功耗和适合光子集成等方面[6]。
尽管有这些吸引人的特性，但SOA在线性放大系统中的应用有限。虽然在此类应用中有一些SOA应用[7]，但目前掺铒光纤放大器EDFA仍为主流。SOA 作为线性器件的主要局限性之一是高噪声系数NF。迄今为止，已经提出了许多减少NF的方法。通过在同向和反向传输中对保持光束进行光学注入，实现了稳态NF的改善，尤其是载流子密度分布的改变[8]。近期的研究工作则包括对约束因子的改变[9]，垂直腔SOA（具有低模态损耗的额外优势）[10]，以及从独特的波导端接到低内部损耗结构[11]的各种器件结构。此外，还考虑使用侧向激光腔来钳位一部分SOA波导，以塑造载流子密度分布[12]。其中许多方法的结果在NF方面基本上是积极的，但也存在其他缺点。例如，涉及保持光束的解决方案需要额外的设备和费用。降低约束因子以降低NF也会降低光增益，并且垂直腔SOA由于使用谐振腔而受到增益带宽限制。
SOA的另一个缺点是饱和输出光功率Psat相对较低，从而限制了输入功率的动态范围（在该范围内可以干净地放大信号而不会失真）。当SOA用作多通道放大器时，会受到通道串扰的影响。与NF一样，研究人员已经研究了增加Psat的方法这样就可以在不改变其他特性的情况下增加操作范围。提高饱和输出功率的技术包括降低约束因子[9]、使用喇叭形波导[13]、增益箝位[14]、泵浦光束[15]和改变接触电阻以增加沿波导的电流密度[16]。这些技术具有各种缺点，例如降低约束因子时增益降低，增益钳位器件的制造成本增加，以及泵浦光束方案增加了额外成本和系统复杂性。
此前，实验证明，改变多触点SOA中的载流子密度分布会影响芯片NF和Psat。本文的重点是提出一个速率方程模型，用于对这种现象背后的物理现象进行仿真研究。讨论了不同载流子密度分布的仿真结果。结果表明，载流子密度分布可以定制，以在固定的总偏置电流下减小芯片NF或优化Psat。使用多触点 SOA 获得的实验结果与仿真结果进行比较验证。此外，为了实现减少NF的潜力，对接触电阻的良好控制非常重要。使用聚焦离子束FIB技术增加了所制造器件的段间接触电阻，并使实验结果和仿真结果更加一致。
2.噪声系数和饱和光功率
2.1 噪声系数
当信号被放大时，它会因附加噪声而劣化，这是自发发射带来的不可避免的结果。通信系统性能会直接受到噪声影响，因此降低噪声至关重要。许多出版物都非常详细地讨论了光学噪声的理论定义及其起源[18-23]。为了便于在实验室中进行一致的测量，存在一个被广泛接受的定义[23]。噪声在光域和电域中由NF量化，NF定义为通过有源和无源元件传播而降低信号的信噪比（SNR）。以线性单位表示如下：
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这里SNRin和SNRout分别表示输入和输出信号的 SNR。为清楚起见，当 nf 以小写形式给出时，它以线性刻度计算，而在大写形式中，NF 表示分贝dB刻度。由此产生的NF公式考虑了主要的单个噪声源，由实验获得的光学参数给出[23]，
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括号中的第一项表示在测量带宽内与信号和共偏振放大自发发射ASE之间跳动相关的噪声，其中G 是单程增益，ν 是注入信号的光频率，并且ρASE是此带宽内的ASE功率谱密度。这是高增益SOA中的主要噪声源。括号中的第二项与信号本身的散粒噪声有关。对可观的增益来说，后者可以忽略不计，因为在较高的信号功率下，散粒噪声相对微不足道。
2.2 饱和输出光功率
随着注入 SOA 的信号功率增加，或者放大的自发发射随着增益的增加而增加，用于放大的有源区域中的载流子耗尽，导致增益降低。饱和输出功率定义为 SOA 在增益降低 3dB 时发出的输出功率。饱和输出功率由[24]给出，
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其中A 是垂直于传播平面中的有源区域面积，Γ约束因子，饱和输出强度Isat,out由下式给出，
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其中G0是非饱和增益。饱和强度Isat与自发载流子寿命τ成反比。因此，减小约束因子或降低自发载流子寿命或增加波导面积会导致饱和光功率增加[9]。这些方法与我们的解决方案并不矛盾，如下所述。
3. 仿真
3.1 仿真架构
文献中发现了多种对SOA进行建模的方法[25,26]。 本文介绍的仿真工具是基于行波模型[27,28]开发的。SOA 被建模为在 n 个片段，每个片段都与其相邻片段进行电气隔离。所有变量的值都在每个片段中计算。载流子密度设置为一个初始值，并根据ASE和信号场的确定值进行更新。此仿真过程在设定的迭代次数上进行，载流子密度以及ASE和信号场的值用作下一次迭代的初始条件。
该模型旨在研究调整纵向载流子密度的影响，并了解它如何控制NF和饱和光功率。仿真中使用的噪声模型是确定性模型。在这种情况下，仅针对信号波长确定ASE水平，使用[29]的材料增益近似值。对于非常低的输入功率，该噪声模型的精度较低，其中宽带ASE 对载流子密度的影响成比例地增大。然而，仿真研究中使用的功率适用于确定性模型，并且正如将要显示的那样，实验数据的趋势与测量值之间存在良好的一致性。此外，该模型考虑了载流子密度分布仅由注入的偏置电流决定的理想情况，在这种情况下，每个片段都是完全隔离的，并且不考虑载流子扩散。
图1概述了仿真的概念，该图描述了 SOA 从第1片段到第n片段，包括载流子密度水平和向前和向后行进的电场。ASE 强度和信号强度沿波导位置 z 处的通过缓慢变化的包络函数计算为角频率 ω 的函数。使用载流子密度和材料增益的设定初始值进行计算，初始值由仿真中指定的SOA的物理特性确定，这些物理特性基于文献中的典型值。对于每个连续片段的ASE强度值Im，由前一个片段中的值根据边界条件确定。这些边界条件控制了端面反射率如何影响信号和 ASE，定义如下：
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其中m 表示片段编号。上述关系决定了ASE强度在前向z+和向后z-片段边界和端面处的方向，其中r1,2是平面1或2的反射率。类似的方程组确定信号强度相对于时间t 和位置 z 的行为。信号包络函数的边界条件为：
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其中ωp0和ω0分别是增益峰值角频率和信号角频率。使用ASE包络函数的值，通过上述边界条件修改，获得自发发射光子密度：
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其中Nm是片段 m 中的载流子密度，Gm是根据载流子密度和材料增益[29]计算得出的m片段中的单程增益（以线性刻度表示），Rr(Nm)是辐射复合率，α是内部损耗系数，β是有效自发辐射因子，是与行波模式耦合的自发发射的量度。信号的光子密度也是使用信号包络函数以类似的方式获得：
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然后使用自发发射光子密度和信号光子密度的值来求解载流子密度速率方程：
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其中im是在片段m 处注入的偏置电流，q 是载流子的电荷，V 是片段m 中有源区域的体积。R(Nm）=ANm+ BN m2+CNm3表示复合率，其中A是非辐射复合系数，B 是辐射复合系数，C 是俄歇复合系数。整个过程包括模型的单次迭代。求解的载流子密度用于下一次迭代时计算ASE和信号场。一旦达到收敛，就会获得增益和NF。SOA中每个片段的NF由种群反转因子nSP确定，这是减少NF的不可缺少的部分，详见下文。
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图1 SOA仿真示意图，载流子密度（绿色）和正向（蓝色）和后向（红色）行进自发发射。
3.2 根据载流子密度计算噪声系数
一般来说，NF与种群反转因子nSP成正比，其定义为，
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其中γ 和 α 分别表示受激发射和吸收速率。这些值取决于SOA中的载流子密度水平。因此，将光NF方程(2)用nSP来表示，即增加导带种群水平具有降低NF的效果。放大器的增加的噪声功率方程由下式给出，
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其中B0是测量带宽，G是单程芯片增益。如ρASE等于单位带宽的噪声功率，方程（11）可以改写为，
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将方程（12）ρASE代入方程（2）生成噪声系数的表达式，使用nSP和增益以线性单位表示，
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对于G>>1的情况，表达式简化为NF=2nSP，在总体种群反转（nSP= 1）情况下NF的量子极限为3dB [19]。
3.3 降低噪声系数
在我们的仿真中，SOA 分为24个片段进行建模。在图2中，载流子密度和种群反转表示为片段的函数。可以清楚地看到反转因子对载流子密度的依赖性。这种依赖性解释了为什么增加载流子密度会降低NF。然而，由于ASE饱和和高偏置电流下的俄歇复合的影响，我们不能简单地无限期地泵浦设备以改善NF。因此，对于给定的总偏置电流Itot，与标准 SOA的载流子密度分布相比，建议用调整载流子密度分布方式来降低总NF(NFtot)。
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图2 使用两个相反的纵向载流子密度分布，模拟沿器件长度方向载流子密度和的反转因子依赖性。
要控制在Itot下的 NF，在器件指定输入端的载流子密度保持在较高值，在此处增益增加并降低NF。向后移动的ASE不容忽视，因为它在设备的输入端消耗载流子，否则载流子可用于信号增益，因此必须降低这种影响。在器件的输出端产生一个低载流子密度来满足这一要求。这是图2（配置1）顶部所示的载流子密度分布。
在图2底部的(配置2)中，载流子密度在器件的输入端低，在输出端高。如何解释在配置1中的NFtot，可将SOA视为放大器链，相当于仿真中的片段组合。这种系统整体NF很大程度上取决于初始片段的NF，如[30]所示的电放大器级联，以及光放大器级联[31]。弗里斯方程说明了这个想法，
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其中NFm和gm分别是特定片段 m 的NF和增益。与上一个项相比，等式中每个连续项的值都会降低，因为每个阶段都存在一个额外的增益项。NF由方程中每个连续元素累积相加，这些元素的大小正在减小。因此，前几项对NFtot贡献最大。图3 进一步说明了这一原理。图3是在相同的Itot下三种不同的载流子密度分布（配置 1 和 2，标准 SOA 配置），得到每个片段对总体 NF 增加的贡献（以 dB 为单位）。与标准偏置和偏置 2 相比，初始片段中偏置 1 的 NF 增加幅度较小。这符合我们基于方程14的预期，因为我们试图最小化输入NF。此外，虽然在最后片段中，此配置的NF增加将大于其他情况，但幅度相对不显著，无法在此图中看出。应该注意的是，该图表示NF与第一个建模片段的初始NF的累积相加。在每个偏置配置中，本片段的单个NF低于3dB的量子限制。这种异常是由于模型的切片来解释的。如果单独检查这个特定部分，它本身必须被分割，以便准确确定NF，然后NF将大于3dB。上述场景通过比较三个极端示例来说明这个概念。
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图 3 三个独立偏置配置的 Friis 方程的图形示意图，描述了每个连续片段的 NF 增加。此外，还显示了初始片段 NF 和最终 NF 值，说明了每种偏置配置下 NF 增加的程度
从这个比较中可以清楚地看出，要达到最低NFtot，设备输入端必须保持在高载流子密度。我们的模型模拟了一个三触点设备。向第一个触点注入总共80mA，施加到中间和输出触点的偏置电流在 0-90mA 范围内变化。NF值如下图4所示，在输入端触点中注入高偏置时80mA，输出端触点偏置保持在30mA以下，随着中间触点偏置电流的增加，NF会降低。如前所述，在中间输出触点施加较低的偏置电流，NF预计将从最大值下降到接近配置1的最小值。与左上部分相比，图右上部分的NF增加表明，NF不能通过任意泵浦SOA来最小化，因此，对于特定的总偏置电流，在特定的载流子密度分布情况下，在NF可被优化。
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图 4 NF与施加到3 触点 SOA 的中间和末端触点的偏置电流的函数。输入端触点偏置在80 mA，1570 nm信号功率–20 dBm。
3.4 控制饱和功率
与降低NF的条件相反，为了增加SOA的饱和输出功率，必须增加器件中的电流密度。其原因在于饱和功率与自发载流子寿命成反比，而自发载流子寿命又与载流子密度成反比（见方程4）。因此，在较高的偏置电流下工作将增加 Psat。这也增加了ASE，从而导致受激发射寿命的降低，从而进一步增加饱和功率。然而，对于固定的总偏置电流，最有效的载流子分布并不是在整个SOA中注入相等的电流。例如，对于载流子密度分布图2，当信号沿波导传播和放大时，随着信号强度的增加，载流子密度线性增加会缩短载流子寿命，从而确保增益在任何给定点保持不饱和。相比之下，对于配置1，输出端的载流子密度较低，信号强度强于输入，导致该部分饱和。
这个想法在图5中演示，图5显示了信号光子密度在波导中传播时的三个偏置分布的模拟演变。在这种情况下，光子密度是给定截面m 中光子的数量密度。在1570nm波长处注入5dBm的信号功率以饱和SOA。由于饱和导致的增益降低可以被认为是表示信号光子密度的曲线斜率的减少。在最后的片段（18-24）中，可以看到配置1的斜率减小，在标准配置上有较小程度扩展。但是，对于配置2，这些片段中的增益仍然不饱和。为了清楚起见，本文的其余部分，我们将配置1称为低噪声配置，将配置2 称为高饱和光功率配置。
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图5 5 dBm输入信号在波导中传播时的光子密度，采用三种偏置配置。
图6显示了建模 SOA 的输出饱和功率与提供给输入触点和中间触点的偏置电流的函数关系。输出触点偏置电流保持在90 mA的恒定水平，以便在信号最强的地方最大限度地提高增益。正如预期的那样，Psat的值随着总偏置电流的增加而增加，当所有触点都偏置在90 mA时，最大值达到~16dBm。红线突出显示Psat总偏置电流为150mA时的值。造成此限制的原因是SOA芯片和安装座之间的热键合不良，并导致输出功率下降超过该偏置电流。在此限值内，最高Psat输入段电流为10mA，中段电流为50mA时获得。
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图6 饱和输出功率dBm作为输入和中间部分偏置电流的函数。输出部分偏置设置为90mA。红色显示的是对应于150mA 的值区域。
图7显示了针对具有三个触点的SOA建模的各种偏置条件的仿真增益、NF和饱和功率值。中间接触偏置保持不变，而改变两端接触点偏置。这代表了从低噪声到高Psat的过渡恒定总输入偏置电流的配置。在1570 nm处注入功率为−15dBm的信号。在标准条件下工作时，观察到最大增益，所有触点的电流注入相等，对应于单个触点 SOA。增益的幅度随着载流子密度分布变得不那么对称而减小。正如预期的那样，当偏置条件接近前面讨论的低噪声曲线时，NF会降低，而相反的偏置分布的饱和功率增加，如高Psat配置所示。据观察，NF在2.7dB的范围内变化，而饱和输出功率的范围为4.2dB。因此，需要注意的是，控制载流子密度曲线对功率饱和度的影响大于对NF的影响。
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图7 各种偏置配置的仿真增益、噪声系数和饱和功率。总偏置电流为150mA。
4. 仿真与实验结果的比较
4.1. 仿真结果
本文研究的实验表征的多触点SOA长700μm，有三个触点。触点的尺寸略有不同。为了更准确地表示SOA的实际触点尺寸，我们仿真中使用的24个片段中有8个代表输入触点，9个片段代表中间触点，7个片段代表末端触点。对于低噪声配置，输入触点注入80 mA，中间触点注入50 mA，输出触点注入20 mA，对高Psat则反向配置。标准SOA 案例的建模方式是向每个触点注入 50 mA。所有三种情况的总偏置限制在150 mA。这些尺寸和电流限制由样品决定。仿真中使用的参数在附录表1中给出。这些参数基于已知值和典型值[28,29]。
表 1.SOA 模型中使用的参数
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图8显示了三种相关偏置配置下 ASE 光子密度沿波导的建模分布。特别值得注意的是，在高饱和功率和低噪声偏置情况下，ASE都会降低。这种现象是由于在低电流密度区域的自发发射放大减少，从而减少了端面处的 ASE。
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图8 ASE光子密度沿波导的模拟演化，在标准、低噪声和高饱和功率三种偏置下
图9绘制了三种偏置条件下不同波长下注入功率为15dBm的模拟增益和NF。对于低噪声偏置配置，仿真确定的最小NF为4.5dB，波长为1570nm。在标准偏置配置中观察到最大增益，在1555nm波长处测量为18.1dB。在低噪声和高饱和功率之间观察到大约0.7dB的增益差。这种差异的解释是SOA的各个触点尺寸略有不同，这导致低噪声和高饱和功率配置下每个等效片段的载流子密度水平差异。在仿真数据中可以看到，低噪声配置和标准配置之间的NF降低了约0.6 dB。器件输入端的高电流密度可降低NF，而沿波导长度向输出端增加注入电流可增加器件的饱和功率，使其能够作为线性放大器运行，以实现更宽的输入功率范围。
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图9 输入信号功率−15dBm时的模拟增益和NF频谱。SOA的总偏置电流为150mA。
图10显示了仿真器件的增益与输出功率的函数关系。注入的信号处于低噪声和高饱和功率配置下的峰值增益波长处，波长为1570 nm。在标准 SOA 情况和高饱和功率情况之间，饱和功率增加了1.7dB，从10.8dBm增加到12.5dBm。
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图 10 在 1570 nm 处注入信号的增益与输出光功率的关系。这三个SOA的总偏置电流为150 mA。
4.2. 实验结果
基于先前的计算研究，已经制造并测试了一个多触点体 SOA。基于定制载流子密度分布来降低NF的方式之前已在包含横向激光腔的单触点SOA中得到证明[12]。多触点SOA的成本更低，从仿真结果中可以看出，它提供了在不同模式下运行的可能性。在实践中，可以使用多个电流源来独立驱动每个触点，或者将单个电流源与电阻网络结合使用[32]。被测器件是体 InP/InGaAsP SOA，带有角度和抗反射涂层，长度约为 700μm。三个电极用于将电流注入长度为 236μm、254μm 和 210μm三个部分。触点之间的电气隔离由一个10μm的槽提供，各部分之间的电阻测量为300 Ω。出于制造原因，每个触点中的电流限制为90mA。SOA的原理图如图11 所示。该装置的初步实验表征先前已在[17]中报道。在本节中，实验结果验证了建模方法，此外，与模型的比较也为一些实验观察提供了进一步的思路。
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图 11 多触点SOA示意图，由三个独立的电流源驱动，分为三个部分。
对于实验表征，低噪声偏置配置为输入触点注入电流90 mA、中间注入50 mA、输出触点注入 10 mA；高饱和功率配置的注入方案则于低噪声偏置配置相反；标准配置，则是向每个触点均注入50 mA。仿真情况下偏置电流差异的原因是仿真与实际器件之间低偏置触点的透明电流差异。
4.2.1. 噪声系数测量
实验装置在[17]中有详细描述。增益和NF使用光NF方程3获得。为了测量NF计算所需的共偏振ASE水平，使用一个自由空间起振器将输入光信号的起偏，然后在没有输入信号的情况下放置在SOA的输出端。然后使用自由空间功率计测量有偏振器和不带偏振器的 ASE。通过测量这些元件之前和之后的数据，获得各种测试配置中的各种元件（如反射镜和光纤耦合器）的损耗。最重要的是，SOA的椭圆模式和圆形光纤模式之间的模式失配损耗是通过测量SOA在通过透镜的自由空间耦合后以及随后从透镜耦合到光纤后的输出信号来确定的。假设光路可逆，同样方法也可以确定 SOA 输入端的模式失配损耗。方程3中计算中使用的ASE和信号功率由SOA输出光谱来测得。ASE 是通过在信号下方进行外推来计算的，然后针对共偏振水平进行校正。
4.2.2. 结果
图12绘制了三种选定偏置条件下，不同波长下注入功率为−15 dBm的增益和NF。在1568 nm波长下，实验数据观察到的最小NF为5.0 ± 0.2 dB，这是针对低噪声偏置配置测量的。这与商业SOA记录的NF值相比是有优势的。对于低噪声偏置配置，通过仿真确定的相应最小NF在1570nm处为4.5 dB。在标准偏置配置中观察到最大增益，在1563 nm波长处测量为17.5 ± 0.2 dB。在低噪声和高饱和功率配置间观察到的增益差约为0.7dB，仿真也再现了这个结果。如前所述，这种差异可以用 SOA 各个部分的大小略有不同来解释。在某些波长下，低噪声配置和标准配置之间的NF降低了约0.3 dB，尽管这在整个带宽上并不一致，并且影响小于预期。然而，与高饱和光功率配置相比，标准和低噪声曲线在1570nm处的NF明显降低了约2dB。实验数据的趋势与图9所示的仿真数据一致。
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图12 输入信号−15dBm时，SOA的测量增益和噪声系数谱图。
从图7中可以清楚地看出，从低噪声配置到标准配置，NF与偏置电流的斜率相对平坦，而NF对从标准曲线到高功率范围内的偏置变化更敏感。此外，图13显示了上述三种偏置配置的增益与输出功率的函数关系。
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注入的信号在测得的峰值增益波长为1568nm。在高饱和光功率配置下测得的饱和功率为 9dBm。这表示比标准偏置增加1.5dB，比低噪声偏置情况增加3dB。这一结果证实了仿真中看到的趋势。图7清楚地表明 Psat对整个偏置曲线范围内偏置配置的变化很敏感，并且从低噪声偏置到标准偏置以及从标准偏置到高饱和功率偏置，Psat的变化水平相似，因此是符合预期的。实验结果验证了建模方法的正确性，并与图10展示了实验与建模完美的匹配。应该承认，与商业SOA 相比，Psat=9dBm的值相对较低。然而，商用功放SOA通常比我们的器件长得多，因为器件长度直接增加了饱和功率，并且还会在更高的偏置电流下泵浦。
然而，需要注意的是，仿真预测NF相对于标准情况会降低0.6dB。据认为，实验装置中效应的减弱可能是由于各部分的载流子泄漏。这拓宽了载流子分布，并损害降噪效果。如前所述，仿真考虑了段间的完全隔离，而没有考虑载流子扩散，为了进一步探索改进载流子密度分布的控制是否可以相对于标准分布进一步降低NF，尝试使用聚焦离子束技术增加相邻触点之间的电阻。结果在第5节中介绍。
5. FIB实验
如上所述，载流子在SOA各部分之间的扩散可能会降低注入偏置电流配置的有效性。使用聚焦离子束FIB技术，尝试增加SOA顶部的电触点之间的电阻。FIB 使用聚焦的Ga+离子束从样品表面溅射原子。这样，分隔电触点的槽可以蚀刻到SOA的InP包层中更深，从而增加电阻。第二个多触点SOA用于测试这种方法。与前面描述的SOA相比，第二个SOA 的各个部分在大小上不太均匀。输入和中间部分的长度约为 271μm，而输出部分则短得多，为156.9μm。因此，该器件的标准偏置从输入到输出修正为 59、58、33 mA。同样低噪声偏置配置修正为92、43、17 mA。在FIB之前槽A（输入和中间部分之间）段间电阻为300 Ω，槽B（中间和输出部分之间）的段间电阻为350 Ω。通过FIB工艺，槽A被蚀刻到1500 nm的深度，而槽B被蚀刻到大约700 nm。FIB技术容易受到表面电荷过多的影响，这可能导致样品漂移，并且难以使两个槽达到相同的深度。FIB工艺后，槽A和B的测量电阻值分别为600 Ω和400 Ω。FIB蚀刻深度小于有源区的蚀刻深度，以避免对约束因子产生过度影响。由于气槽的存在，会降低包层中的折射率，从而由于折射率引导而增加有源区的约束因子。这将增加NF[9]。
测得的增益值如图14所示，在FIB蚀刻前后，标准偏置和低噪声偏置。值得注意的是，标准偏置的增益与蚀刻前的初始值相比有所降低，从1518 nm处的23.5 dB下降到约1524 nm处的21 dB。除此之外，增益降低伴随着增益带宽的降低。增益降低被认为是上述漂移的结果，导致槽B周围的一些金接触材料被移除，随后导致局部增益降低。低噪声偏置中的增益降低没有那么严重，这可能是由于器件内电流分布的差异所致。
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图14 FIB蚀刻前后的低噪声偏置和标准偏置下的增益与波长的关系。标准偏置由黑色表示，低噪声偏置对应红色。
两种偏置电流配置下的NF与输入信号波长的函数关系如图15所示。同样显示了FIB蚀刻前后情况的数据。标准偏置配置的NF曲线没有显示任何实质性变化。在这种情况下，对于FIB蚀刻前后的SOA，在1570nm处测得的最小NF为~4.3dB。预计段间电阻的增加不应影响标准偏置下的NF。该结果还表明，限制因子不受影响。相反，在FIB工艺之后，在低噪声偏置情况下观察到NF显著降低。在 1570 nm 处，FIB前的SOA测量的最小NF为~4.3dB。FIB蚀刻后，在该波长下测得的NF为3.8dB，相对于FIB前后未修改的SOA的低噪声曲线和标准曲线，降低了0.5 dB。可以注意到，这种降低水平接近仿真数据中预测的0.6 dB。此外，该NF非常低，接近3dB的极限，据我们所知，它是体材料SOA中公布的最低值。这些结果表明，与标准偏置相比，低噪声偏置的NF可以进一步降低，并且段间的隔离度得到改善。当然，FIB蚀刻不是优化段间电阻的理想解决方案，但它是后生产器件的合适选择，预计在制造阶段的解决方案将产生更大的收益。
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图 15 FIB 刻蚀前后的低噪声和标准配置下的NF与波长的函数关系。
6. 结论
在本文中，我们提出了一个速率方程模型，以研究沿SOA有源层长度定制载流子密度分布的影响。结果表明，对于固定的总偏置电流，可以使用不同的偏置来优化器件的NF或输出功率饱和度。上述两种偏置固有的增益降低是一个缺点。然而，对于低噪声前置光放大器等应用，增益并不像NF那样重要。同样，对于功率光放大器，当高度饱和时，高 Psat 的增益模式应该与标准 SOA 偏置的模式相同。结果表明，可以使用多触点SOA器件实现不同的载流子密度曲线。实验结果与仿真结果的一致性验证了建模方法，并展示了一种基于多触点体设计控制SOA的NF和饱和输出功率的实用且通用的方案。该方案固有的灵活性有利于节省成本和降低线性放大方案的复杂性。在原型器件上的实验表明，对于低噪声（前置放大器）配置，可以实现3.8 dB的芯片NF。从前置放大器切换到功率放大器时，饱和功率增加了3dB。
7. 附录
参考资料和链接
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