半导体光放大器的增强功能及其在先进光网络中的作用
InPhenix, Inc.，
250 N. Mines Road，利弗莫尔，CA 94551，美国
电话：925-606-8809，传真：925-606-8810，www.inphenix.com
一、引言
半导体光放大器 (SOA) 是一种用途广泛的器件，可用于电信行业的各种放大和路由功能。其极小的空间要求（尺寸）、集成能力以及通过规模化生产工艺降低成本的巨大潜力，将确保 SOA 在未来先进的光网络中发挥越来越重要的作用。SOA 是一种经济高效的解决方案，可在核心网、城域网以及最终接入网应用中的先进光网络子系统中实现光放大。InPhenix 现已提供商用化的 SOA。
粗波分复用 (CWDM) 是一种低成本方案，可为城域网和企业网层提供灵活的连接和更高的吞吐量。扩展 CWDM 系统的容量和传输距离（>100 km）需要在整个光带宽（从 1260 nm 到 1620 nm）内工作的低成本光放大器。SOA 是目前唯一可行的技术，能够满足这些不断扩展的应用需求。
SOA 的快速非线性特性对于许多应用非常有吸引力，例如光信号处理、时钟恢复、超快速光时间复用/解复用、脉冲整形、光路由、色散补偿和 WDM 应用中的波长转换。
SOA 可用于门控光信号，即信号可以被 SOA 放大或吸收。SOA 在低偏置电流下的阻断特性非常有用，因为它们可以实现通道路由功能，例如可重构分插复用器 (ROADM)，并实现优于 50dB 的通道外隔离度。由于其非线性特性，SOA 可用于通过交叉增益调制 (XGM)、交叉相位调制 (XPM) 或四波混频 (FWM) 将光信号转换为另一个波长，从而实现无需 OEO 转换的全光交叉连接。XPM 可用于提供 2R（再放大、脉冲整形）或 3R（再放大、脉冲整形和重定时）再生。SOA 可以提供经济高效的解决方案，其体积小巧，并且具有与各种有源和无源元件集成的巨大潜力。
在本文中，我们将回顾一些 SOA 基础知识及其相关的增强功能，包括波长转换、可重新配置的光纤分插、光纤交叉连接以及先进光纤网络中的全光再生。
二、SOA 基础知识
SOA 本质上是一个激光二极管 (LD)，其输入和输出端口没有反馈，因此
也称为行波放大器 (TWA)。SOA 已被证明是一种多功能的器件，将成为未来光网络的关键组成部分。SOA 的表征参数主要有五个：
增益（Gs）、
增益带宽、
饱和输出功率（Psat）、
噪声系数（NF）、
偏振相关增益（PDG）
SOA 应具有适合应用的最高增益。此外，SOA 还需要较宽的光带宽，以便其能够放大各种信号波长。增益饱和效应会给输出带来不良失真，因此理想的 SOA 应具有非常高的饱和输出功率，以实现良好的线性度，并在最小失真的情况下最大化其动态范围。理想的 SOA 还应具有非常低的噪声系数（物理极限为 3 dB），以最大限度地降低输出端的放大自发辐射 (ASE) 功率。最后，理想的 SOA 应具有非常低的偏振灵敏度，以最大限度地减少横电 (TE) 极化和横磁 (TM) 极化之间的增益差异。然而，由于 SOA 内部发生的各种过程的物理限制，理想的 SOA 是不可能实现的。
获得
SOA通过受激发射放大入射光；这与半导体激光器的机制相同。光放大器本质上是一种无反馈的激光器。其最有用的特性是当放大器被泵浦以实现粒子数反转时实现的光增益。光增益不仅取决于入射信号的频率（或波长），还取决于放大器内部任意一点的局部光束强度。
饱和状态下的单程光学增益（Gs）大约由以下公式确定：
图 1 显示了 250 mA 下典型增益曲线与波长的关系：
(A) IPSAD1301：1310 nm 增益型 SOA，其中红线代表 3dB 增益带宽（55 nm），阴影区域是实现高 Psat 和低 NF 最佳性能的波长工作范围。
(B) IPSAD1501：1550 nm 增益型 SOA，其中红线代表 3dB 增益带宽（>45 nm），阴影区域是实现高 Psat 和低 NF 最佳性能的波长工作范围。
公式 (1) 表明，高增益可以通过高注入电流、大光学限制、长腔、多量子阱 (MQW) 结构或上述几种技术的组合来实现。图 1 显示了 InPhenix 公司的 IPSAD1301 和 IPSAD1501 增益型 SOA 在 250 mA 电流下的典型增益曲线与波长的关系。
增益带宽
增益带宽定义为增益谱半峰 (FWHM) 高度处的全宽。对于光通信系统，带宽相对较大的放大器是首选，因为这样增益在整个带宽上几乎保持不变。体硅光子发射管 (SOA) 的 3dB 带宽约为 45 nm，而量子阱 SOA 的 3dB 带宽则可超过 60 nm。通常，带宽与光学限制和腔长成反比，并且由于能带填充效应，带宽会随着注入电流的增加而变宽。图 1 显示了 InPhenix 公司的 IPSAD1301 和 IPSAD1501 增益型 SOA 在 250 mA 电流下的典型 3dB 增益带宽。
饱和输出功率
增益饱和的根源在于增益系数与功率的依赖关系，其中注入电流泵浦引起的粒子数反转会随着输入信号引起的受激发射而减弱。实际应用中关注的是饱和输出功率，其定义为放大器增益从非饱和值降低2倍（或3 dB）时的输出功率。通常，饱和输出功率与光限制成反比。图2显示了InPhenix IPSAD1301和IPSAD1501增益型SOA在250 mA下的典型饱和输出功率。
噪声系数：
所有激光放大器都会降低放大信号的信噪比 (SNR)，因为在放大过程中，自发辐射会叠加到信号上。SNR 的降低可以通过一个参数 Fn 来量化，该参数称为放大器噪声系数，定义为 log{(SNR)in/(SNR)out}。噪声主要来自以下几个方面：
(1) 放大信号散粒噪声；
(2) 自发辐射散粒噪声；
(3) 信号自发差拍噪声；
(4) 自发-自发差拍噪声；
(5) 信号过量噪声
项 (1) 和 (2) 与多个探测器参数相关。通常，差拍噪声水平比散粒噪声高 20 dB。在高输出功率区，信号自发差拍噪声占主导地位，而在低输出功率区，自发-自发差拍噪声占主导地位。对于性能仅受散粒噪声限制的理想探测器，放大信号的信噪比 (SNR) 会降低 2 倍（或 3 dB）。SOA 具有与掺铒光纤放大器 (EDFA) 相同的 3 dB 理论噪声系数下限。然而，在实践中，由于 SOA 固有的内部损耗和输入侧较低的耦合效率，SOA 会表现出更高的噪声水平。对于大多数 SOA，Fn 通常在 6-10 dB 范围内。
对于光通信系统，光放大器的Fn应尽可能低。NF还取决于工作波长、工作电流和输入信号功率。通过精心设计MQW有源层和波导，InPhenix开发了一种SOA，其NF在很宽的范围内对工作波长和电流的依赖性非常小。图3显示了这种SOA的性能，在较宽的波长范围（1280 nm至1340 nm）和较宽的工作电流范围（150 mA至350 mA）下，实现了较小的噪声系数对工作波长和电流的依赖性。
偏振灵敏度
SOA 的一个缺点是其增益对输入信号偏振态的敏感性。由于限制因子和有效模式折射率不同，放大器增益对于横电 (TE) 和横磁 (TM) 偏振态会有所不同。这一特性使得放大器增益依赖于输入光束的偏振态，这对于偏振态会随着光纤传播而变化的光波系统应用而言并非理想特性。有几种可行的有源层几何设计方法，结合适当的拉伸应变（体阱或多量子阱），可以将 SOA 的偏振灵敏度降低至 1 dB 以下。
图 4 在
InPhenix IPSAD1301 SOA 上测得的 250mA 时 TE 和 TM 极化的 ASE 光谱功率。
图4显示在250 mA电流下观察到的TE和TM极化的典型ASE光谱，其中TE和TM之间的峰值波长差小于1 nm。在1240 nm至1340 nm的波长范围内，TE和TM极化之间的ASE功率密度差小于0.8 dB，这表明极化相关增益被良好地控制在1 dB以内。
另外两个参数也用于表征 SOA：
(1) 增益纹波，
(2) 开关时间
SOA增益纹波是由SOA端面的残余反射引起的，应尽可能低。一般而言，SOA器件的端面反射率应为0.01%或更低，以实现20 dB的增益。
SOA 开关时间以上升时间和下降时间来衡量，典型的开关时间在纳秒级。当 SOA 用作开关功能时，开关时间是一个关键参数。图 5 显示了 InPhenix IPSAD1302 和 IPSAD1502 器件的典型开关时间，其中上升时间（从 20% 到 80%）和下降时间（从 80% 到 20%）约为 500 皮秒。
三、基于SOA的波长转换
全光波长转换将成为未来全光网络和光子交换模块的一项基本功能。该功能可以通过以下三种技术之一实现：
(1) 交叉增益调制；
(2) 交叉相位调制；
(3) 使用 SOA 的四波混频。
基于交叉增益调制（XGM）的波长转换器
输入信号的放大会导致SOA中的载流子密度耗尽。在高输入功率应用中，这种载流子密度耗尽会降低SOA中的光增益。对于用作在线放大器的SOA，这种现象会使传输信号失真，但可用于实现光波长转换 (WC)。为此，需要将两个信号——泵浦信号（输入信号，S）和探测信号（转换后的输出信号，C）同时注入SOA。泵浦信号为幅度调制 (AM) 格式，而探测信号为连续波 (CW)。
当泵浦处于低功率状态时，SOA 不会饱和，因此探针将经历非饱和增益。在高功率状态下，增益饱和，探针信号将经历较低的增益。增益下降的程度在很大程度上取决于泵浦功率和施加到放大器的注入电流。通过这种方式，泵浦调制被传输到探针，信号被反转。图 6 显示了使用 SOA 进行交叉增益调制的原理。
共同传播方案
图6 同向和反向传播XGM波长转换
原理示意图。
如图 6 所示，输入信号和 CW 信号可以沿同向或反向传播方向发射到 SOA 中。在后一种情况下，可以避免使用输出滤波器，并且还可以将信号转换为相同的波长。然而，与同向传播配置相比，这种反向传播配置的带宽较小，并且放大自发辐射 (ASE) 噪声水平增强。XGM 方案的优势在于易于实现，并且如果 SOA 对偏振不敏感，它也可以对偏振不敏感。为了提高 XGM 的转换效率，降低平均信号功率比增加探测功率更好。然而，转换效率和输出消光比之间存在权衡。一个主要缺点是上变频信号的消光比下降。
综上所述，XGM 波长转换器件的吸引力在于其结构简单、转换效率高、偏振无关性以及对输入数据波长的不敏感性（前提是输入数据在 SOA 增益带宽内）。只有将 SOA 增益设计为偏振无关，才能确保偏振无关性。这些器件的宽带特性使其能够将数据从一个波长传输到多个其他波长。这在广播应用的波长路由网络中可能非常有用。
这可能是在光网络中级联此类设备时的一个严重限制。XGM波长转换器的另一个重要缺点是目标波形上引入的波长啁啾。这种波长啁啾会严重限制传输距离。
基于交叉相位调制（XPM）的波长转换器
为了克服XGM方案中消光比下降的问题，SOA转换器可以采用XPM模式（基于XPM的波长转换器也称为干涉模式）。XPM方案依赖于SOA有源区中载流子密度与折射率的依赖关系。耗尽载流子密度的入射信号将调制折射率，从而导致耦合到转换器的CW信号的相位调制。例如，图7所示为马赫-曾德尔干涉转换器的结构。
图7.基于对称配置的XPM干涉波长转换器的示意图和工作原理。
与 XGM 方案相比，XPM 转换方案的优势在于效率更高。它对上变频和下变频信号均表现出良好的性能。在这种装置中，光被分成两条包含 SOA 的路径，并产生相对相移。当光重新组合时，将根据两条路径之间的相位差发生相长干涉或相消干涉。
干涉仪的状态通常通过调节两个SOA中的注入电流或通过无源波导中的独立相位调谐元件来设置。因此，干涉仪波长转换器相对于XGM的第一个优势在于能够在反相和非反相操作之间进行选择。
此外，高度非线性特性可以重塑输入数据，提高消光比，并重新分配输入信号中的噪声。这些特性使该器件具有部分再生特性，从而提高了其级联能力。此外，波长转换信号的啁啾特性可以是正的，也可以是负的，具体取决于干涉仪的偏置点。通过精心控制，输出啁啾可以通过光纤的色散进行补偿，从而延长通过色散光纤的传输距离。
综上所述，诸如马赫-曾德尔干涉仪等利用SOA非线性特性的干涉仪在波长转换应用中表现出色。其主要优势在于偏振和波长无关性、低啁啾、同相输出、输入部分再生以及高消光比。缺点在于幅度调制格式受限，并且由于传输特性陡峭，偏置点控制复杂。单片集成SOA和MZ干涉仪的其他缺点在于SOA设计上的妥协以及制造工艺的复杂性。
基于四波混频 (FWM) 的波长转换器
四波混频 (FWM) 是一种涉及三种不同
频率的光信号的非线性现象：
图8 SOA中的FWM现象
FWM 波长转换器为系统设计人员带来诸多优势。首先，由于采用相干技术，它们不受调制格式的影响。其次，由于波长转换信号与输入数据信号相位共轭，因此可以补偿光纤色散。这种色散补偿技术被称为中跨光谱反转。第三，基于 FWM 的波长转换器能够高速运行，且不会影响
消光比。
FWM 的效率（定义为 PFWM/Pin）会随着失谐量的增加而降低，这是因为在大失谐量下占主导地位的超快速带内过程比在小失谐量下占主导地位的带间过程更弱。此外，SOA 内部非线性过程之间的相互作用导致波长上转换的效率低于下转换的效率。在实际网络中应用 FWM 技术的主要挑战之一是混频过程对偏振的强敏感性。
综上所述，SOA 中的 FWM 已被证明是一种很有前景的波长转换方法。SOA 中的 FWM 因其调制格式独立、色散补偿能力强、速度超快而颇具吸引力。其主要缺点是偏振敏感性以及转换效率受频移影响。
概括
采用SOA进行波长转换是一项快速成熟的技术，可应用于所有光纤传输系统。目前存在多种方法，每种方法对系统设计人员来说各有优缺点。目前，还没有一种器件可以适用于所有情况，因此选择取决于具体应用。未来的发展应该会带来功能更强大、运行速度更快的集成器件。
四、SOA 在先进光网络中的作用
由于 SOA 的放大和非线性特性，SOA 或与其他光学元件集成的 SOA 可用于长途网络、CWDM 网络、城域核心网和城域接入网。SOA 的放大特性可以将激光输出提升到更高的水平（功率增强器）；放大传输线路上的信号以补偿衰减或分光造成的损耗（线路放大器）；在接收器之前放大信号以提高其灵敏度（前置放大器）；以及按波长执行增益均衡操作。SOA 的非线性特性可用于执行第一部分讨论的所有光网络功能。在以下小节中，我们将讨论 SOA 的一些重要应用。
SOA 在城域核心网、城域接入网和 CWDM 中充当放大器
随着光纤网络逐渐渗透城域网市场，SOA 作为在线放大器的应用重新引起了人们的关注。将 SOA 用作接收机前置放大器是一种巧妙的光前置放大方案，因为它可以与光电探测器集成。SOA 阵列甚至可以用作紧凑型信道均衡器，通过调整各个放大器的增益来均衡波长信道。SOA 已在城域网高容量传输应用中证明了其价值。因此，对于成本敏感的城域网市场而言，一款具有量产潜力且易于集成到其他无源分配平台的紧凑型 SOA 极具吸引力。
图9：SOA在4通道CWDM系统中的应用场景。SOA可以是增强器、前置放大器，也可以是两者的组合。
SOA 在低成本、低通道数放大中发挥着关键作用，并且是唯一适用于 CWDM 的光放大技术。图 9 总结了 SOA 在 CWDM 中的应用场景。SOA 在 CWDM 应用中的关键参数是更宽的带宽、更高的饱和输出功率和较低的噪声系数 (NF)。
SOA 作为长途网络和城域核心网的门户
为了克服交换和路由中的电子瓶颈，人们构建了由SOA门组成的大型交换矩阵，以利用SOA增益来降低插入损耗。SOA的快速响应速度（数百皮秒量级）可以有效地用于执行数据包交换。
（一）
（二）
（三）
图 10 (a) 基于 SOA 的 ROADM，(b) 每个波长通道需要三个 SOA 门，(c) ROADM 中基于 SOA 的门开关的驱动器图。
未来的子系统需要为核心网和城域网应用中的运营商提供可扩展且灵活的网络。这些网络的关键功能之一是可重构分插复用器 (ROADM)。ROADM 从光纤中提取一个或多个波长（分出），并在同一波长上重新插入不同的信号（上行）。复用器中的每个波长都可以快速重新配置，以便传输数据或本地分出数据，并在分出的波长上添加本地数据。
图 10 展示了一个基于 SOA 的 ROADM，其通道数最多可达 40 个。阵列波导光栅 (AWG) 用于信号分配和复用（解复用），而 SOA 门则通过改变驱动电流来执行开关功能。由于每个波长通道均由单独的 SOA 放大，因此不仅可以最大限度地降低通道间串扰，还可以调整每个通道的放大倍数和输出功率。最重要的特性是分出通道和本地接入通道之间的隔离度。
SOA 作为光交叉连接 (OXC) 元件
一般来说，光交叉连接不过是一种交换结构，在所有输入和输出之间提供可重构连接（空间交换）。使用SOA的空间交换通常采用广播和选择配置，其中使用适当的功率分配器和合成器实现输入和输出端口之间的完全连接。每个连接路径可以使用相应的SOA打开或关闭。更先进的光交叉连接模式还可以结合波长转换，以提供高性能的完全连接（波长转换交换）。
SOA 作为全光波长转换器和再生器
在第三部分中，我们讨论了使用SOA的全光波长转换。从网络性能的角度来看，基于XPM的器件具有更优的特性，因为它们采用2R再生技术，啁啾可定制，并且器件可以在反相和非反相数据输出模式下工作。以波长转换为构建模块，可以实现2R和3R全光再生模块，但基于SOA配置的3R再生器件迄今为止已展现出更快的性能。
五、可靠性
与LD一样，SOA对静电放电、过热、尖峰/浪涌过驱动以及负电压非常敏感。此外，还应避免或尽量减少外部光反馈，因为它们很容易导致SOA性能严重下降。SOA的可靠性和使用寿命也取决于使用时的谨慎程度。
表一 Telcordia 资格测试
我们的 SOA 已符合表 I 所示的 Telcordia GR-468 要求，这充分证明了 InPhenix SOA 产品的可靠性。
六、总结
在 InPhenix，从设计、制造到交付 SOA 器件，长期运行稳定性、可靠性和长寿命都是我们考量的关键因素。我们建立了质量控制和流程监控程序，以保持高制造标准，并提供完全令客户满意的产品。
请访问我们的网站，了解InPhenix 提供的各种产品的产品描述和规格。
