-本文翻譯自由Geoff H. Darling于 2003年撰寫(xiě)的文章。盡管文章較早，但可以了解一些SOA底層原理，并可看到早期SOA研究的思路和過(guò)程，于今仍有很高借鑒價(jià)值。

5.1簡(jiǎn)介

在本章中，介紹了用于檢測(cè)SOA樣品的實(shí)驗(yàn)裝置。詳細(xì)介紹了用于估計(jì)器件增益和耦合效率、確認(rèn)單模和評(píng)估電觸點(diǎn)完整性的初步診斷測(cè)量，這些測(cè)量是為收集數(shù)據(jù)中有意義的特征。

5.2. 實(shí)驗(yàn)設(shè)施

5.2.1探針臺(tái)

該平臺(tái)為被測(cè)器件（DUT）的輸入和輸出面提供5軸對(duì)準(zhǔn)，用于對(duì)準(zhǔn)光纖和透鏡。帶有集成熱電冷卻器的溫控真空吸盤(pán)將被測(cè)器件固定并保持恒定溫度。三個(gè)獨(dú)立的電探針用于向被測(cè)器件提供電偏置電流。

輸入和輸出耦合

探針臺(tái)在每個(gè)設(shè)備面提供5軸對(duì)準(zhǔn)（不沿光傳播方向旋轉(zhuǎn)）。每步都可以通過(guò)透鏡與光纖或自由空間耦合。圖5.1顯示了在電探針下，錐形光纖與4 um器件的輸入端面的對(duì)準(zhǔn)。它展示了光纖與斜切面對(duì)準(zhǔn)。對(duì)于7度角斜切，斯涅爾定律預(yù)測(cè)相對(duì)于刻面法線的最佳光纖傾斜角度約為23度。在23度附近沒(méi)有觀察到耦合效率表現(xiàn)出強(qiáng)烈的角度依賴性。這簡(jiǎn)化了光纖對(duì)準(zhǔn)過(guò)程。

5.2.2偏振控制和測(cè)量

SOA器件可以在TE和TM模式之間表現(xiàn)出偏振相關(guān)的增益。用于控制偏振（PR）測(cè)量的實(shí)驗(yàn)配置如圖5.2所示。保偏（PM）單模光纖與保偏PM錐形光纖一起用于注入光，PM錐形光纖的主軸被對(duì)準(zhǔn)以對(duì)應(yīng)于DUT的TE和TM模式。具有低2dB插入損耗的光纖耦合空氣間隙偏振器與光纖偏振控制器一起用于控制入射光的偏振狀態(tài)（SOP）。氣隙配置允許將光學(xué)斬波器引入實(shí)驗(yàn)中，從而可以使用鎖定放大器（LIA）來(lái)隔離用光功率計(jì)測(cè)量的輸出信號(hào)。

5.3. 確定設(shè)備增益：Hakki-Paoli方法

如第3章和第4章所述，有限面反射率在有源波導(dǎo)器件（如激光器和SOA）中引入了法布里-珀羅諧振。Hakki和Paoli演示了如何通過(guò)簡(jiǎn)單的法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具模型使用自發(fā)發(fā)射光譜中的共振來(lái)提取凈模態(tài)增益[64]。使用足夠精確的光譜分析儀（OSA），每個(gè)腔模式的最大和最小強(qiáng)度之間的比率可以通過(guò)以下方式與設(shè)備的凈單程增益因子G相關(guān)：

第一輪SOA樣品用4度斜切。這種解理角將有效面反射率降低到約2%[53]，從而將激光閾值提高到適度的注入電流。在閾值以下，在ASE光譜中觀察到強(qiáng)烈的法布里-珀羅共振。第6章介紹了具有強(qiáng)腔諧振特性的ASE光譜及其提取的增益測(cè)量結(jié)果。

5.4耦合效率測(cè)量

需要輸入和輸出耦合效率估計(jì)來(lái)確定SOA的絕對(duì)增益。為了確定輸出耦合效率，在20℃的溫度下用恒定電流對(duì)DUT進(jìn)行偏置。將60倍透鏡對(duì)準(zhǔn)端面。在數(shù)值孔徑為0.85的情況下，物鏡有效地將高度衍射的光引導(dǎo)到寬區(qū)域光電檢測(cè)器。使用波導(dǎo)面發(fā)散輸出的近似數(shù)值孔徑計(jì)算，收集效率估計(jì)為80%（在菲涅耳損失之前）。使用這種實(shí)驗(yàn)配置獲得不同器件的L-I曲線。隨后將這些曲線與用多模光纖、TL-SMF和保偏TL-SMF收集的L-I曲線進(jìn)行比較。取光纖耦合功率與寬面接收功率的比率精確計(jì)算輸出耦合效率。該比率考慮了半導(dǎo)體-空氣和空氣-光纖界面處的菲涅耳反射。對(duì)來(lái)自不同樣品條的幾個(gè)2、3和4um器件重復(fù)這些測(cè)量，以評(píng)估耦合效率的可變性。平均耦合效率值，作為60倍物鏡和寬面探測(cè)器收集的總功率的百分比，繪制在圖5.3中。對(duì)于MMF測(cè)量，光纖垂直于器面，因?yàn)榉ㄌm尺寸阻礙了正確的角度對(duì)齊。這使觀察到的耦合效率比從理論最大值低。錐形光纖與切面法線成23度的最佳角度排列，如圖5.1所示。

輸入耦合效率較難評(píng)估，而斜切讓評(píng)估變得更為復(fù)雜。使用Nanonics公司的保偏錐形單模光纖（PM-TLF）進(jìn)行增益測(cè)量。上面的輸出耦合效率評(píng)估為輸入耦合效率的提供了初始評(píng)估。我們使用兩種方法進(jìn)一步改進(jìn)這一估計(jì)，第一個(gè)當(dāng)用PM-TLF將光導(dǎo)入導(dǎo)端面時(shí)，監(jiān)測(cè)反向偏置器件中感應(yīng)的光電流。假設(shè)量子效率為1，則從光電流計(jì)算耦合到波導(dǎo)中的入射功率的分?jǐn)?shù)。帶隙兩側(cè)的一系列波長(zhǎng)用于探測(cè)帶邊緣附近的吸收過(guò)程。圖5.4給出了3um混合器件的光電流和相應(yīng)的耦合效率關(guān)系。光電流的衰減與1530nm附近測(cè)得的ASE峰值一致。光電流測(cè)量對(duì)總輸入耦合效率設(shè)置了上限，因?yàn)樵诓▽?dǎo)模式之外吸收的光子仍然可以對(duì)測(cè)量的電流做出貢獻(xiàn)。模擬波導(dǎo)模式和來(lái)自PM-TLF的入射場(chǎng)之間的重疊用于提供輸入耦合效率的第二種估計(jì)方法。這些計(jì)算的結(jié)果包括在表5.1中。錐形光纖提供了3±1um的光斑尺寸估計(jì)值，這反映在表5.1中每個(gè)輸入耦合效率估計(jì)值的10%的不確定性中。

5.5單模確認(rèn)

使用紅外成像相機(jī)來(lái)觀察器件小平面處的近場(chǎng)光斑。對(duì)于這些測(cè)量，使用物鏡將模式放大到Hammamatsu紅外成像相機(jī)上。在一定電流范圍內(nèi)，觀察到許多不同器件的空間強(qiáng)度分布圖像。在一系列偏置電流下，沒(méi)有從2、3和4 um器件中的任何一個(gè)觀察到多模情況。通過(guò)觀察施加激光信號(hào)另一個(gè)器件面，也可以觀測(cè)單模特性。隨著錐形光纖位置的調(diào)整，多個(gè)橫向模式?jīng)]有被激發(fā)。當(dāng)輸入對(duì)準(zhǔn)被優(yōu)化時(shí)，觀察到亮模式斑點(diǎn)，而在其他情況下觀察到漫射的非引導(dǎo)光。如果支持多模，它們會(huì)在調(diào)整輸入對(duì)齊時(shí)被激發(fā)。

5.6確認(rèn)電觸點(diǎn)的完整性

5.6.1電觸點(diǎn)重復(fù)性

為了研究電觸點(diǎn)的完整性，在器件每段的多個(gè)接觸墊上重復(fù)測(cè)量。從大多數(shù)器件中，從不同的接觸墊觀察到可重復(fù)的L-I和V-I曲線，證實(shí)了沿器件長(zhǎng)度的電接觸特性良好。然而，一些器件表現(xiàn)出嚴(yán)重的接觸問(wèn)題。在許多情況下，電流不能從接觸焊盤(pán)流過(guò)漏極區(qū)，向下流過(guò)脊頂部。盡管有時(shí)可以通過(guò)將電流探針直接放置在脊的頂部來(lái)施加偏置，但波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在這個(gè)過(guò)程中受到了嚴(yán)重?fù)p壞。據(jù)信，用于限定脊壁的濕法蝕刻步驟導(dǎo)致陰影，從而導(dǎo)致金屬化層中的斷裂。為了防止這個(gè)問(wèn)題，如第4章所述，引入了反應(yīng)離子蝕刻（RIE）來(lái)描繪垂直波導(dǎo)壁。

5.6.2段隔離

每段之間需要足夠的電隔離，以充分利用每個(gè)SOA的兩個(gè)不同的增益介質(zhì)。第4章詳細(xì)介紹了為提供隔離而采取的措施，這些措施包括金屬化的中斷和部分之間的上接觸層中的蝕刻溝槽。這種技術(shù)不能提供完全的隔離，因?yàn)殡娏魅匀豢梢匝刂谄骷伍g連續(xù)運(yùn)行的摻雜脊波導(dǎo)流動(dòng)。然而，通過(guò)設(shè)計(jì)，該電流路徑的電阻大于向下穿過(guò)有源區(qū)的更直接的、預(yù)期的路徑，因?yàn)镾OA的典型串聯(lián)電阻僅為幾十歐姆。給定波導(dǎo)脊的幾何形狀（2x1.4x5um）和摻雜水平（1018cm-3），預(yù)計(jì)電阻為幾k歐。在測(cè)量截面間電阻的過(guò)程中，觀察到三類不同的器件。一些器件表現(xiàn)出幾歐姆的低截面電阻。這些裝置被電氣短路，不能用于實(shí)驗(yàn)；大多數(shù)器件在1-70k歐范圍內(nèi)表現(xiàn)出可接受的電阻，并產(chǎn)生了最有希望的結(jié)果；其他器件的節(jié)間電阻為M歐，這個(gè)大電阻確保了電隔離，但也表明這些器件的導(dǎo)電性有所下降。

5.7解決散熱問(wèn)題

光電器件由于二極管結(jié)兩端的電阻有限而產(chǎn)生電阻熱。在典型的注入水平下，SOA會(huì)產(chǎn)生mW級(jí)的熱量。這些熱量必須從設(shè)備中轉(zhuǎn)移出去，以優(yōu)化性能并避免故障。一些材料系和器件對(duì)熱更敏感。例如，四元InGaAsP具有大約5[W/K?m]的熱導(dǎo)率比InP[55]低20多倍。在測(cè)試和封裝過(guò)程中，必須采取足夠的措施確保設(shè)備與下面的散熱器或熱電冷卻器之間足夠的熱接觸。用于評(píng)估設(shè)備的探針臺(tái)配備了一個(gè)鍍金樣品安裝臺(tái)，連接到一個(gè)大型熱電冷卻器。熱敏電阻嵌入安裝臺(tái)表面下方，真空孔將樣品條固定在適當(dāng)位置，為散熱的提供足夠的熱接觸。然而，最后一輪制造中的一些器件對(duì)電偏置極為敏感，容易發(fā)生故障。在測(cè)量過(guò)程中，采取了兩項(xiàng)措施來(lái)提高設(shè)備的可靠性。第一項(xiàng)措施通過(guò)使用銀漿將樣品棒粘合到更大的銅芯片上來(lái)改善設(shè)備和安裝臺(tái)之間的熱接觸。銀漿通過(guò)確保由表面粗糙度引起的小空氣間隙填充高導(dǎo)電油脂來(lái)改善表面之間的熱接觸。依次使用更多的銀漿將銅芯片安裝在樣品安裝臺(tái)的頂部。這減少了故障，但也讓器件端面耦合更有難度。第二種措施是通過(guò)脈沖偏置來(lái)減少總熱量的產(chǎn)生，短電流脈沖可以在熱效應(yīng)累積之前提供器件的光學(xué)特性的快照[65]。為了實(shí)現(xiàn)最佳測(cè)量，電流脈沖應(yīng)短于設(shè)備內(nèi)的任何熱時(shí)間常數(shù)，該常數(shù)可以在微秒范圍內(nèi)。此外，應(yīng)該使用足夠低的脈沖重復(fù)率來(lái)確保在脈沖之間可以發(fā)生耗散。在該測(cè)量過(guò)程中使用的電流源被限制為幾毫秒的脈沖持續(xù)時(shí)間。相對(duì)于使用這些脈沖源的DC測(cè)量，沒(méi)有觀察到光電性能的可測(cè)量的改善。為了避免器件故障，偏壓在低于3伏的下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)電壓降超過(guò)3伏時(shí)，器件容易被擊穿。

第六章結(jié)果與分析

6.1簡(jiǎn)介

本章展示了實(shí)驗(yàn)研究的亮點(diǎn)。首先，研究了偏置電流和輸出光功率和電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系。其次，測(cè)試了單段混合和非混合SOA的ASE光譜和光譜增益，證明了QWI工藝的有效性。最后，對(duì)雙段SOA，進(jìn)行了增益和ASE測(cè)試，獲得了更高的光功率和更寬的光譜。

6.2 L-I和V-I特性

在每一輪SOA器件上進(jìn)行的第一個(gè)測(cè)試時(shí)，測(cè)量偏置電流與輸出光功率和偏置電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系。測(cè)試中使用了LD驅(qū)動(dòng)電路板，用以為SOA提供偏置。這些專用電流源提供了緩啟和過(guò)壓保護(hù)，以防止在測(cè)試過(guò)程中損壞器件。使用一個(gè)透鏡用于收集來(lái)自DUT的光，并將其聚焦到到寬面光電檢測(cè)器上。這個(gè)采集系統(tǒng)的校準(zhǔn)簡(jiǎn)單且可重復(fù)，消除了功率測(cè)量的不確定性。在L-I-V測(cè)量過(guò)程中，使用數(shù)字電壓表同時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)SOA上的壓降。通過(guò)V-I測(cè)量可看到樣品SOA具有類二極管特性。（混合）樣品的測(cè)試圖如圖6.1所示，用脊大小分類。觀察到大約0.7伏的典型導(dǎo)通電壓。觀察到近似線性的功率依賴于注入電流，對(duì)于大多數(shù)器件，飽和發(fā)生在50mA附近。這種行為與低于閾值的激光二極管一致。

圖6.2顯示了來(lái)自單個(gè)巴條的一組（非混合）器件的總輸出光功率與電流的關(guān)系。它顯示了了樣品巴條的典型性能分布。盡管少數(shù)（未混合）器件產(chǎn)生的光功率比（混合）器件平均更大，電致發(fā)光效率的擴(kuò)展對(duì)于所有器件都是顯著的。在生長(zhǎng)和制造過(guò)程中，晶片上的均勻性可能會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致器件性能差異。此外，三種不同脊寬度的使用有助于器件性能的擴(kuò)展研究，也限制了可以在每個(gè)樣品棒上進(jìn)行比較的標(biāo)稱相同器件的數(shù)量。值得注意的是，可以通過(guò)調(diào)整段的相對(duì)部分長(zhǎng)度以及偏置電流來(lái)補(bǔ)償器件段間的電光效率的一些差異。

為了量化光信號(hào)的偏振依賴性，收集了兩種偏振態(tài)的L-I曲線。圖6.3顯示了混合和非混合器件的測(cè)量結(jié)果。從這些曲線中，對(duì)于混合和未混合的器件都觀察到了大約5:1的典型TE/TM功率比，盡管觀察到了TE/TM的功率比的顯著擴(kuò)展。在本研究中使用的兩種器件結(jié)構(gòu)（表4.1和表4.2）之間，原本預(yù)計(jì)發(fā)光的偏振特性會(huì)發(fā)生顯著變化，然而，沒(méi)有觀察到明顯的變化。據(jù)信，發(fā)射特性在巴條上的分布掩蓋了由于器件結(jié)構(gòu)引起的預(yù)期變化。

有些設(shè)備容易受到永久性損壞。在某些情況下，在低至10mA的直流注入水平下會(huì)引發(fā)永久性的臨界損傷。使用銀漿將樣品安裝在銅散熱器上后，使用脈沖電流源進(jìn)行L-I-V測(cè)量，以減少熱效應(yīng)。然而，由于電流源的限制，無(wú)法觀察到任何效果，這可能因?yàn)榘l(fā)生的熱效應(yīng)積聚的時(shí)間在比電流源的毫秒脈沖持續(xù)時(shí)間短得多。這也可能表明故障機(jī)制本質(zhì)上是電。考慮到故障器件的電氣特性被永久改變，這是一個(gè)合理的解釋。發(fā)生故障的器件表現(xiàn)得像電阻器，對(duì)任何注入電流都不會(huì)產(chǎn)生光，并且在導(dǎo)通時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生類二極管的壓降。這些現(xiàn)象似乎意味著，有源區(qū)短路是故障的原因。器件故障通常發(fā)生在電壓降接近3伏時(shí)。為了避免器件損壞，將偏置電流保持得足夠低，以將電壓降控制在3伏以下。圖6.4比較了來(lái)自兩不同的批次的兩個(gè)(未混合)的4um器件的V-I和L-I曲線。L-I曲線相當(dāng)相似，但2003年5月器件上的壓降隨電流迅速增加，這是一些（未混合）器件在最終制造過(guò)程中的特征。

6.3. 單段測(cè)試

在本節(jié)中，介紹了單段器件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，包括ASE和光譜增益。

6.3.1 ASE研究

SOA的光譜增益和放大自發(fā)發(fā)射（ASE）特性是相關(guān)的，因?yàn)閮烧叨家蕾囉谙嗤姆崔D(zhuǎn)因子[29]。ASE可以通過(guò)光譜分析儀和用于光收集的多模光纖快速且可重復(fù)測(cè)試。為了避免將光耦合到DUT中的額外復(fù)雜性，在進(jìn)行增益測(cè)量之前，對(duì)特性較好的L-I和V-I特性的每個(gè)器件進(jìn)行全面的ASE測(cè)量。此外，可以從ASE測(cè)量準(zhǔn)確地推斷出諸如增益帶寬之類的關(guān)鍵增益特性。對(duì)于這些測(cè)量，設(shè)備是正向偏置的，真空吸盤(pán)的溫度固定在20℃。用多模光纖（MMF）從器件面收集光。通過(guò)將光纖與DUT的光對(duì)準(zhǔn)，使光纖耦合功率最大化。OSA用于測(cè)量在一系列電流上來(lái)自兩個(gè)器件面的光譜。由于發(fā)射光譜與增益帶寬成正比，因此確定產(chǎn)生最寬的ASE總光譜的特定段電流組合是很重要的。圖6.5和圖6.6分別顯示了混合和非混合器件的單段ASE光譜。當(dāng)比較每段的光譜時(shí)，器件部分之間的相對(duì)藍(lán)移是明顯的。

如前所述，相對(duì)增益帶寬與放大自發(fā)發(fā)射的光譜寬度強(qiáng)相關(guān)。圖6.7用于說(shuō)明ASE光譜和測(cè)得的線性增益之間的相關(guān)性。典型器件的發(fā)射和增益帶寬在10%以內(nèi)。

6.3.2. 單段器件增益測(cè)試

將固定輸入功率的不同波長(zhǎng)的光作為輸入，監(jiān)測(cè)DUT輸出光功率，并計(jì)算增益。通過(guò)斬波輸入激光信號(hào)，鎖定放大器能夠在ASE噪聲中提取光信號(hào)。我們測(cè)量了一定范圍內(nèi)不同偏置電流和不同輸入光功率的光信號(hào)特性。盡管相對(duì)增益信息在確定帶寬時(shí)很有用，但絕對(duì)增益是比較SOA的一個(gè)更具體的性能標(biāo)準(zhǔn)。絕對(duì)增益是SOA出光功率與SOA的入光功率的比值。可以通過(guò)校正菲涅耳反射和每個(gè)面處的耦合效率來(lái)從相對(duì)增益數(shù)據(jù)中計(jì)算獲得。表5.1中是通過(guò)模式重疊計(jì)算估計(jì)的輸入耦合效率，這可用于估算絕對(duì)增益。應(yīng)該注意的是，由于輸入耦合效率的不確定性會(huì)帶來(lái)測(cè)量的絕對(duì)增益值的±4dB不確定性。圖6.8是單段混合器件的TE和TM小信號(hào)增益曲線，這些器件偏置設(shè)置在40mA，輸入功率為40uW。對(duì)于TE偏振，觀察到大約90nm的3dB增益帶寬。由于可調(diào)諧激光器的限制，未能測(cè)量短波長(zhǎng)側(cè)TM增益帶寬的全部特性。

圖6.9包括具有4um脊和40uW輸入功率的單段（非混合）器件的TE小信號(hào)增益曲線。如圖6.4所示，最后一輪流片中的未混合器件對(duì)注入電流敏感。為了避免損壞，偏置電流設(shè)置為8mA。在8mA以上，器件兩端的電壓降迅速增加到3伏，如前所述，一些器件在這些偏置水平下容易發(fā)生損壞。在本研究中使用的一種可調(diào)光源的最大波長(zhǎng)為1600nm，另一種可調(diào)激光源來(lái)測(cè)量1590至1640nm的增益特性，但在在1640nm以上沒(méi)有合適的可調(diào)諧激光器，并且沒(méi)有單個(gè)源可用于覆蓋整個(gè)增益帶寬。在9mA的偏置電流下，該未混合器件的最大觀測(cè)增益值在1625nm處約為1.65。

6.4雙段式器件測(cè)試

在本節(jié)中，測(cè)量了雙段SOA器件的增益譜和ASE光譜。使用Hakki-Paoli技術(shù)從ASE光譜計(jì)算波長(zhǎng)和總器件增益的對(duì)應(yīng)關(guān)系，增益譜特性說(shuō)明了兩段式設(shè)計(jì)的SOA具有更寬光譜。

6.4.1 Hakki-Paoli增益測(cè)量

端面反射率會(huì)帶來(lái)有源波導(dǎo)器件（如激光器和SOA）中的法布里-珀羅諧振。使用Matlab軟件，從4度角斜切的首輪兩段式SOA的收集的ASE光譜中獲得單程增益。在這一輪流片中使用混合技術(shù)以在每段之間獲得15nm的藍(lán)移。它明顯低于有效增強(qiáng)兩部分器件的總帶寬所需的60-80nm范圍。圖6.10顯示了用于提取激光閾值及以下的單程增益的代表性ASE光譜。

圖6.11顯示了作為低于和處于激光閾值的波長(zhǎng)的函數(shù)的計(jì)算單程增益因子。最大單程增益因子在1535nm處約為30。當(dāng)激光器或SOA達(dá)到激光閾值時(shí)，腔增益等于腔損耗。測(cè)得的單程增益因子30證實(shí)了兩部分SOA設(shè)計(jì)在適度注入水平下提供了顯著的增益。如果可以控制增加第一輪器件中的反饋抑制水平，介質(zhì)的增益響應(yīng)本可以在更大的注入電流范圍內(nèi)進(jìn)行探索。然而，這些實(shí)驗(yàn)需要復(fù)雜的防反射涂層方式。然而，用Hakki-Paoli方法提取的單程增益測(cè)量結(jié)果證實(shí)了量子阱結(jié)構(gòu)、混合過(guò)程和兩段式SOA設(shè)計(jì)的正確性。

6.4.2 ASE研究

雙段式SOA的ASE光譜是在一定范圍的偏置電流上測(cè)試得到的。當(dāng)在混合式的器件測(cè)量得到的光譜，寬譜特性最強(qiáng)。在未混合的器件端面處觀察到明顯的少量增寬。這可以歸因于在非混合區(qū)域中的短波長(zhǎng)吸收。在沒(méi)有施加未混合部分的偏置的情況下，吸收完全衰減了在混合部分中產(chǎn)生的ASE光。圖6.12顯示了在未混合（B）和兩段（B+A）偏置在70mA時(shí)，兩段式器件的端面B（未混合）的ASE光譜。當(dāng)混合（A）段偏置在70mA時(shí)，沒(méi)有觀察到高于本底噪聲的信號(hào)。圖6.12顯示，由于光譜短波長(zhǎng)側(cè)的吸收效應(yīng)，在非混合面上沒(méi)有觀察到光譜增寬。

當(dāng)兩個(gè)部分都被偏置在70mA（B+A）時(shí)，與僅部分B在70mA時(shí)相比，沒(méi)有觀察到顯著的帶寬增強(qiáng)。圖6.13顯示了偏置電流范圍內(nèi)端面A（混合）的發(fā)射光譜。在這一方面觀察到顯著的光譜增寬，因?yàn)樵诨旌喜糠种挟a(chǎn)生的短波長(zhǎng)光不必穿過(guò)部分吸收的非混合區(qū)域來(lái)對(duì)輸出信號(hào)作出貢獻(xiàn)。

在段A（混合）偏置在100mA并且段B（未混合）無(wú)偏置的情況下，觀察到79nm的3dB光譜寬度。在段B偏置在100mA并且段A無(wú)偏置的情況下，觀察到85nm的光譜寬度。當(dāng)兩段的偏置電流都優(yōu)化（A＝83mA，B＝75mA）時(shí)，觀察到131nm的光譜寬度。這表示相對(duì)于單段，3dB發(fā)射帶寬增強(qiáng)了60%，超過(guò)了Kashima等人使用選擇區(qū)域生長(zhǎng)（SAG）[16]技術(shù)制造的LED的發(fā)射帶寬。圖6.13還展示了由兩部分器件結(jié)構(gòu)提供的動(dòng)態(tài)光譜可調(diào)諧性。

6.5結(jié)論

在本章中，報(bào)告了全面的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。L-I-V研究提供了光電功能的驗(yàn)證，并說(shuō)明了器件光譜可調(diào)。通過(guò)ASE測(cè)量得到段間的相對(duì)藍(lán)移。通過(guò)優(yōu)化段電流，從兩段式器件中觀察到增強(qiáng)的光譜帶寬和動(dòng)態(tài)可調(diào)的光譜形狀。分別使用透射測(cè)量和Hakki-Paoli技術(shù)從單段和雙段器件中觀察并量化光譜特性。

第七章結(jié)論、貢獻(xiàn)和未來(lái)工作

7.1本工作的視角和方法

本研究首先介紹了半導(dǎo)體光放大器領(lǐng)域，并概述了其在光纖通信中的應(yīng)用。在這篇綜述的過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)帶寬增強(qiáng)型光放大器在粗波分復(fù)用（CWDM）和城域網(wǎng)（MAN）中存在著很有前途的應(yīng)用。盡管現(xiàn)代SOA技術(shù)已經(jīng)成熟到可以在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)中部署設(shè)備的地步，但很少有研究人員研究增強(qiáng)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的增益帶寬的技術(shù)。在這項(xiàng)研究中，設(shè)計(jì)了一種新的SOA結(jié)構(gòu)，通過(guò)將量子阱混合過(guò)程應(yīng)用于兩段式器件結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)提供了增強(qiáng)的增益和發(fā)射帶寬，并具有電流可調(diào)的光譜形狀。在第2章中，全面回顧了與半導(dǎo)體增益和發(fā)射帶寬增強(qiáng)相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，選擇性區(qū)域生長(zhǎng)（SAG）技術(shù)產(chǎn)生了迄今為止最有希望的結(jié)果。量子阱混合綜述概述了這種制造工藝相對(duì)于SAG的潛在優(yōu)勢(shì)。特別是，QWI提供了器件設(shè)計(jì)的靈活性和帶隙能量的巨大潛在變化。作為一種后生長(zhǎng)工藝，它避免了可能危及制造產(chǎn)量的生長(zhǎng)中斷。第3章對(duì)現(xiàn)代SOA設(shè)計(jì)原理進(jìn)行了回顧，以闡述當(dāng)前的技術(shù)現(xiàn)狀。例如，概述了用于最大限度地提高PDG和消除增益紋波Ripple的設(shè)計(jì)步驟。這為這項(xiàng)工作在帶寬增強(qiáng)方面的最初貢獻(xiàn)提供了背景。第4章介紹了所提出的兩段式多量子阱半導(dǎo)體光放大器（MQW-SOA）結(jié)構(gòu)。介紹了外延結(jié)構(gòu)的兩次迭代，并討論了麥克馬斯特大學(xué)合作者執(zhí)行的生長(zhǎng)和處理步驟，包括量子阱混合過(guò)程。使用光學(xué)模擬程序計(jì)算了SOA結(jié)構(gòu)的引導(dǎo)特性，并部署了MQW設(shè)計(jì)的光譜增益特性模型。第5章進(jìn)行了樣品的初步研究。在本章中，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)來(lái)研究耦合效率，確認(rèn)單模操作并評(píng)估電接觸的可重復(fù)性。這些測(cè)量有助于識(shí)別有前景的待測(cè)設(shè)備，以便在下一章中進(jìn)行全面研究。在第6章中，探討了混合兩段式SOA的全面的光電子特性。系統(tǒng)研究了樣品的特性及其光譜可變性。

7.2本工作的原始貢獻(xiàn)

這項(xiàng)工作首次探索了使用無(wú)雜質(zhì)量子阱混合技術(shù)和兩段式技術(shù)擴(kuò)展半導(dǎo)體光放大器的譜寬。理論建模與SOA設(shè)計(jì)的全面回顧相結(jié)合，為設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試一類新的SOA提供了基礎(chǔ)。在這項(xiàng)工作之前，增益帶寬增強(qiáng)在很大程度上是傳統(tǒng)SOA研究中未探索的。從歷史的角度來(lái)看，這是可以理解的，考慮到更緊迫的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，如增益紋波和偏振相關(guān)增益阻止了光網(wǎng)絡(luò)中的部署。如今，粗波分復(fù)用和城域網(wǎng)給光放大器帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。具有寬光譜和可變光譜的設(shè)備是極具價(jià)值的。半導(dǎo)體中技術(shù)中與動(dòng)態(tài)光譜及光譜展寬相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)有限。先前的工作已經(jīng)探索了SAG方法在可調(diào)諧激光結(jié)構(gòu)、寬帶LED和SOA中的應(yīng)用，以及使用QWI來(lái)提高單段LED結(jié)構(gòu)的發(fā)射帶寬。以前沒(méi)有任何工作探討在兩段式SOA結(jié)構(gòu)中使用QWI來(lái)增強(qiáng)帶寬。這項(xiàng)工作成功地展示了一種SOA，它具有展寬的光譜和可電控的光譜形狀。這是首次已知的將QWI技術(shù)應(yīng)用于SOA結(jié)構(gòu)中的光譜增強(qiáng)。使用QWI技術(shù)，器件的一段的增益譜相對(duì)于另一段發(fā)生藍(lán)移。通過(guò)使每個(gè)部分電獨(dú)立，提供了對(duì)SOA結(jié)構(gòu)的光譜特性的高級(jí)控制。在單段裝置上進(jìn)行了初步試驗(yàn)，以研究混合過(guò)程。適當(dāng)?shù)耐ㄟ^(guò)監(jiān)測(cè)混合和非混合器件的光輸出和電壓降測(cè)量值作為注入電流的函數(shù)，證實(shí)了光電特性。測(cè)試ASE光譜以量化器件部分之間的60至80nm藍(lán)移。從樣機(jī)單段器件中觀察到了期望的ASE和光譜增益測(cè)量結(jié)果。在適度注入水平下，從混合和未混合的單段器件中觀察到高達(dá)10dB的單程增益因子。從ASE光譜中的Fabry-Perot諧振中提取了兩段式樣品器件的凈單程增益。從兩段式放大器中觀察到大約15dB的單程增益因子。通過(guò)優(yōu)化每段的偏置電流，從兩段式SOA得到了超過(guò)130nm的3dB發(fā)射帶寬。與獨(dú)立的每個(gè)段以及傳統(tǒng)的SOA和LED設(shè)計(jì)相比，這意味著發(fā)射帶寬提高了60%[4]。它還展示了由兩段式器件設(shè)計(jì)提供的動(dòng)態(tài)光譜可調(diào)性。工作中展示的SOA設(shè)計(jì)和基于QWI的制造技術(shù)為光譜展寬蓋提供了一條有吸引力的途徑，對(duì)器件成本或復(fù)雜性的影響很小。通過(guò)使用兩個(gè)光譜不同且電獨(dú)立的增益部分，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光譜形狀的動(dòng)態(tài)控制。

7.3未來(lái)工作

許多有趣的研究可以從這項(xiàng)工作中延伸出來(lái)。圖7.1中描繪了一組值得進(jìn)一步研究的研究路徑。

7.4意義

量子阱混合（QWI）技術(shù)應(yīng)用于兩段式SOA設(shè)計(jì)，以引入每段的增益譜之間的相對(duì)偏移。從單段和雙段SOA器件中觀察到高達(dá)15dB的光學(xué)增益。通過(guò)優(yōu)化每段的注入電流，從兩段式SOA器件測(cè)量到超過(guò)130nm的3dB發(fā)射帶寬，證明了該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了SOA帶寬增強(qiáng)和動(dòng)態(tài)光譜可調(diào)諧性。這比典型的單段器件的發(fā)射帶寬提高了50nm。

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審核編輯 黃宇