摘要

我們報道了IMOS平臺中偏振不敏感SOA的設計，在60 nm帶寬和26 dB輸入功率范圍內，最壞情況下偏振靈敏度為0.8 dB，500μm長的SOA提供21dB的峰值增益。

1. 簡介

全光交換機將是一項關鍵技術，可以持續提高數據中心的光通信容量，以滿足穩定流量增長的要求。基于高性能、低成本和可擴展的半導體光放大器（SOA）的光交換適用于高帶寬和低延遲的應用。在基于SOA的全光交換中，由于幾何不對稱導致的SOA的偏振敏感一直是主要問題之一。這需要額外的片外偏振處理電路帶來了操作復雜性，或芯片上的偏振分集方案同樣增加了電路復雜性[1]。在多量子阱（MQW）SOA中，除了幾何尺寸帶來限制因子差異外，類TE和類TM場材料增益的不對稱性導致偏振靈敏度隨著電流和波長的變化而發生顯著變化[2]。因此，在寬的輸入功率范圍、寬的帶寬和驅動電流范圍內實現良好的偏振不敏感一直是具有挑戰性的。偏振不敏感（PI）SOA已經使用應變MQW[3]、厚有源層體[4，5]和應變有源體層[6]實現。厚體有源層方法使得兩種偏振的限制因子相似。然而，厚體有源SOA可能需要高驅動電流和3dB增益帶寬，并且輸出飽和功率可能隨著厚度的增加而降低。應變體有源層可以在滿足開關應用要求的低驅動電流下提供良好的偏振不敏感性、寬增益帶寬和所需的高輸出飽和功率。

由于膜平臺的折射率對比，硅上磷化銦膜（IMOS）平臺已經證明了低損耗和緊湊的無源器件[7]。高性能MQW C波段偏振相關SOA已經在該平臺上實現。因此，在膜平臺中研究PI-SOA的目的是利用平臺的這些積累，并在平臺中設計高性能和緊湊型光開關的組件。我們主要目的是針對數據中心內部通信的光交換機的O波段SOA設計。

在這項工作中，我們首次提出了一種適用于IMOS平臺上光交換應用的O波段PI-SOA設計。我們使用應變的薄體有源層來實現偏振不敏感。我們研究了偏振靈敏度隨波長、輸入功率和電流密度的變化。最后，我們預測了所設計的SOA的峰值增益和增益帶寬。

2.偏振不敏感SOA設計

對基于SOA的交換機的一般要求是可擴展性、良好的信號完整性、高帶寬和無損操作。這些交換機指標是相互關聯的，主要受交換機中使用的SOA性能的影響。因此，要在所有這些指標中獲得良好的性能，SOA需要具有高的輸入功率動態范圍和輸出飽和功率、足夠的增益、寬的3dB增益帶寬和低噪聲系數。本工作中的SOA設計滿足了這些要求。

我們使用PhotonDesign（Harold和PICWAVE）的工具對PI-SOA進行建模。圖1a顯示了SOA結構的橫截面視圖。我們在薄體有源層中添加0.18%的拉伸應變（圖1a中的紅色區域）。以增加TM場的材料增益，并平衡由幾何不對稱引起的限制因子差異。我們為分離約束異質結構（SCH）選擇了體發射波長為1.05μm（Q1.05）的四元材料（InGaAsP），以提供足夠的勢壘高度來提供足夠的約束。這提供了足夠的導帶和價帶偏移以將電子限制在導帶中并且將空穴限制在價帶中以獲得更好的器件效率。SCH尺寸的選擇通過影響限制因子而促進了具有較小應變的偏振不敏感性。有源區（芯和SCH）的總厚度為300nm。

有源器件采用雙波導方法與無源波導單片共集成[8]。在兩個橫向錐形窗口中，有源區是橫向錐形的，以將場垂直推向波導，如圖1bc所示。我們優化了快速錐形窗口長度，L1=7.2μm和L2=25.5μm，以實現TM 90%和TE 93%的耦合效率。如圖1c所示，TE場從有源區到波導的轉變發生在TM場之前。

圖1a）器件結構全疊層b）垂直軸上的器件錐形截面c）TE和TM從有源到無源的過渡

3.偏振靈敏度和增益

偏振靈敏度計算為類TE偏振增益（GTE）和類TM偏振增益（GTM）之差的絕對值，即|GTE-GTM|。圖2a繪制了輸入功率的偏振靈敏度，從-20 dBm到6 dBm。我們可以從圖2a中觀察到，對于26dB的模擬輸入功率范圍和在中心波長λ=1310nm處從2kA/cm2到6kA/cm2的偏置電流，偏振相關增益小于0.5dB。該設計在4kA/cm2下進行了優化，并且在該電流密度附近偏振靈敏度非常低。當我們遠離最佳電流時，偏振靈敏度略高。圖2a中的擺動是由于低輸入功率下噪聲的隨機性和測量期間使用的2kA/cm2的離散電流密度步長的影響。在最佳驅動電流點處獲得小于0.1dB的偏振靈敏度。

圖2b顯示了在小信號輸入功率的情況下改變電流密度和波長以抑制輸入功率效應的偏振靈敏度。該設計在4kA/cm2下進行了優化，并且在該電流密度附近偏振靈敏度較低。當我們離開最佳工作點時，偏振靈敏度略高。對于長波長和低電流或高電流和短波長，觀察到大約0.8dB的最壞情況靈敏度。從圖2b中的深藍色區域觀察到，在波長λ=1310 nm和電流I=4 kA/cm2的最佳設計點處，偏振靈敏度約為0.1 dB。

圖2偏振靈敏度變化。a） 電流密度和輸入功率為λ=1310 nm。b） 具有波長和驅動電流。

圖3a顯示了在6kA/cm2驅動電流密度下，SOA長度為300μm、400μm和500μm的增益。對于500μm長的SOA，我們獲得了10 dBm的輸出飽和功率和21 dB的線性峰值增益。增益的結果表明，我們可以用它實現光開關。例如，一個路徑中有3個SOA級聯的16×16最先進的基于SOA的光開關在最壞的情況下具有58dB的路徑損耗[9]。如果我們使用500μm長的SOA，它可以提供大約21dB的增益。考慮到每個SOA的最大1dB偏振相關損耗，3個SOA可以提供60dB的凈增益，克服所有片上損耗。

最后，所設計的SOA在4kA/cm2的電流密度下具有約80nm的3dB增益帶寬（圖第3b段）。因此，SOA可以切換WDM信號，例如，來自CWDM4收發器的WDM信號。

圖3 a）在6 kA/cm2驅動電流密度下，300μm、400μm和500μmSOA增益與輸出功率的關系。b） 小信號增益與波長的關系。

4.結論

我們提出了適用于光開關應用的IMOS平臺中的O波段偏振不敏感SOA的設計。仿真結果表明，500μm長的器件在6kA/cm2的偏置電流密度下可以提供21dB的輸出峰值增益和約10dBm的輸出飽和功率。隨著輸入功率和電流密度的變化，偏振靈敏度顯示出高達0.5dB的變化。電流密度的影響也與變化的波長范圍相關。結果表明，最壞情況下的偏振靈敏度約為0.8dB，而在最佳工作條件下僅為0.1dB。所獲得的峰值增益、輸出飽和功率、增益的偏振靈敏度和3dB增益帶寬表明了所設計的SOA適用于基于偏振不敏感SOA的光開關應用。