端面反射率对单端反射半导体光放大器的影响*

2015-07-10王海龙陈廷廷曲阜师范大学山东曲阜273165

通信技术 2015年2期

刘松,王海龙,陈廷廷(曲阜师范大学,山东曲阜273165)

刘松,王海龙,陈廷廷
(曲阜师范大学,山东曲阜273165)

本文考虑了光子密度、增益谱色散、放大自发辐射噪声(ASE)、端面反射率和载流子浓度对折射率的影响,并采用细化分段法及四阶龙格-库塔法求解速率方程及光场传输方程,分析了不同端面反射率时单端反射半导体光放大器(RSOA)的动态特性。结果表明端面反射率的适当增加,可以使增益得到提高,增益恢复时间减少,ASE输出功率增加,消光比下降。理论分析为优化RSOA的动态特性具有一定的指导意义。

单端反射半导体光放大器龙格-库塔法放大自发辐射噪声端面反射率

0 引言

半导体光放大器凭借其显著的非线性效应在光信号处理的系统中得到了普遍应用,因此从理论上研究半导体光放大器的动态特性具有重要的理论价值和指导意义。单端反射半导体光放大器[1-3]可以应用于波分复用的无源光网络(WDM-PON)的“无色”光网络单元ONU中,作为光放大调制器,用来代替价格昂贵的可调激光器以及其他波长选择器。单端反射半导体光放大器与普通的半导体光放大器相比,不但具有体积小、结构简单、功耗低的优点,而且单端反射半导体光放大器还具有很多其它优点。第一,输出光功率能够获得双倍的增益,有利于提高光的放大效果。第二,同时拥有放大器和调制器的功能,提高了接收灵敏度。第三,采用异质结结构的单端反射半导体光放大器,有源层半导体材料带隙比周围P区和N区小,这样增加了载流子的浓度。单端反射半导体光放大器在实际应用中也有一些不足,由于单端反射半导体光放大器具有较高的后端面反射率,对反射敏感,所以需要使用特殊设计来避免引起激射。而且,目前在实际应用中需要冷却才能保证达到所需要的性能指标。

随着光通信技术的不断发展[4],人们对传输速度的要求变得越来越高,普通的SOA由于载流子恢复时间慢,所以容易造成码型效应的动态特性缺点就迫切需要改善。本文通过提高端面反射率可以缩短载流子的恢复时间,有利于提高信号处理速度,减小输出的码型效应,并且提高了增益。本文研究的半导体光放大器的动态特性,适用于脉冲宽度高于10ps的信号输入情况,对半导体光放大器的动态理论研究具有一定指导意义。

1 RSOA的工作原理

单端反射半导体光放大器和普通半导体光放大器相比较,改善了输出消光比退化严重的问题。单端反射半导体光放大器和半导体光放大器的结构相似,但前者的后端面具有一个高反射的涂层,用来增加反射率。这样可以降低普通SOA对端面反射率的标准,而且制作简单,具有一定优越性以及市场价值。

如图1所示是一个单端反射半导体光放大器的简单示意图[5],光信号在经过半导体光放大器时获得了光功率的放大,在到达高反射涂层后,绝大部分的光信号被反射按原路返回,反射光又一次经过半导体光放大器,功率又一次被放大,透过抗反射涂层从入射口输出。利用单端反射半导体光放大器,能够使输出光功率获得双倍增益,这有利于放大效果,并且可以同时实现放大器和调制器的功能。

图1 单端反射半导体光放大器结构Fig.1 RSOA structural diagram

2 理论模型

描述受激辐射复合引起载流子消耗而导致增益饱和速率方程如下所述[6]:

I为泵浦电流,ηI为电流注入效率,e为电子电量,V为半导体材料有源区的体积,Γ为模场限制因子,vg为光在有源区内的群速度,Si为第i束光的光子密度,非受激辐射复合消耗载流子的速率为:

式中Anrad、Brad、Caug分别为线性非辐射复合系数,双分子辐射复合系数和俄歇复合系数。

半导体材料的增益系数:

若有外部信号光注入半导体光放大器,其传输方程为:

自发辐射噪声的传输,包括已产生的ASE噪声沿有源区产生受激放大,同时也有新产生的自发辐射光子的加入,其传输方程为[6]:

式中χ是自发辐射谱的有效耦合系数。

通过求解微分方程(1)、(3)、(4)和(5),研究变化的输入光信号经过SOA的特性。采用较为精确的四阶龙格-库塔法进行载流子浓度的更新,这种方法更新收敛性好,适用于稳态初始化和动态响应模型。首先由细化分段模型(M=30,N=100)求得各段信号光场输出和载流子浓度动态模型初始值。采用细化分段的处理方式可以一定程度减少在运算过程中求解矩阵耗时过长的问题。由于采用的信号是随时间变化的信号,对信号功率包络进行时间上的离散化,取样间隔为:

式中,vg是光的群速度,dz=L/(M×N),L为有源区的长度,M为对有源区分段的段数,N为第i(i=1,2,3,…,M)段中的分段段数。然后利用四阶龙格-库塔解速率方程,更新载流子的浓度。

3 仿真实验和讨论

对RSOA不同端面反射率产生的动态特性进行比较研究,采用的仿真参数可参考表1[7]。

表1 RSOA参数表Table 1 RSOA parameters

图2 增益恢复时间和后端面反射率的关系Fig.2 Relationship between gain recovery time and rear facet reflectivityy

图2 给出了不同后端面反射率的单端反射半导体光放大器和增益恢复时间关系的曲线图,其中有源区长度为500μm,注入的电流为150 mA,保持光功率P=-10 dB。由图中可以看出,增益恢复时间随后端面反射率的增大而减少,当R2=0.01时,增益恢复时间为122 ps,当R2=0.1时,增益恢复时间降低为75 ps。后者比前者的增益恢复时间下降了约38.5%。这是由于增大后端面反射率,反射回来的光就会增加,能够使得光子的浓度越来越大,载流子和光子之间的相互作用就随之越来越强,所以增益的恢复就会随之加快,从而表现出随着后端面反射率的增大增益恢复时间减少。

图3 ASE输出功率和后端面反射率的关系Fig.3 Relationship between ASE output power and rear facet reflectivity

由图3可以看出,随着后端面反射率的增加,放大自发辐射噪声的功率也提高了。半导体中自发辐射出来的光子会沿有源区长度传输,处于增益带内的部分会受激放大。在增大后端面反射率后,有源区内自发辐射出来的光子由于后端面反馈作用得到了加强,所以输出的自发辐射噪声的功率增加。当入射光功率较小时,信号光很可能淹没在噪声功率中,ASE的噪声就不能忽略不计了。当入射光功率较大时,信号光的功率相对于噪声功率大的多,此时ASE的噪声可以忽略不计。

图4 保持光稳态增益与后端面反射率的关系Fig.4 Relationship between gain and rear facet reflectivity

图5 消光比与后端面反射率的关系Fig.5 Relationship between extinction ratio and rear facet reflectivity

由图4可以看出,随着后端面反射率的增加,保持光稳态增益也增大了。这是因为增大后端面反射率,反射回来的光就会增加,消耗更多有源区内的载流子,从而保持光获得更大的增益。当有源区内的载流子浓度达到稳态时,保持光的增益变化也达到稳态。为了能够获得较大的保持光稳态增益,可以通过适当的增加后端面反射率,但是后端面反射率增加到一定程度,保持光会达到增益饱和。图4中, R2=0.06和R2=0.1的增益相差较小,如果这时继续增加后端面反射率增益也不会提高。

由图5可以看出,随着后端面反射率的增加,消光比减小了。这是因为随后端面反射率的增加,使反射回来的反向的光功率增大,消耗了更多有源区内的载流子,减小了有源区内的载流子浓度,使泵浦光信号“1”和“0”获得增益都下降,且“1”信号增益比“0”信号增益下降幅度大,导致输出信号的消光比减小。所以为了获得较高的输出消光比,应当根据实际情况适当的选用反射率低的RSOA。

4 结语

本文研究了不同后端面反射率对单端反射半导体光放大器的的影响。结果表明随着后端面反射率的增加,增益恢复时间减少,R2=0.1时的增益恢复时间相比于R2=0.01时的增益恢复时间减少了约38.5%。随着后端面反射率的增加,保持光稳态增益也获得了增加。但是后端面反射率也不是越大越好,增加后端面反射率的同时也会带来ASE噪声输出功率增加,转换光消光比减小的问题,而且后端面反射率增大到一定程度,保持光的稳态增益也会达到饱和。所以选择适当的后端面反射率才能保证单端反射半导体的实际应用。

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LIU Song(1989-),male,postgraduate, mainly engaged in optical communications and optical networking.

王海龙(1971—),男,教授,博士生导师,主要研究方向为光通信、半导体光电子学等;

WANGHai-Long(1971-),male,professor,doctoral tutor,mainly engaged in optical communications,semiconductor optoelectronics,etc.

陈廷廷(1989—),女,硕士研究生,主要研究方向为光通信及光组网。

CHEN Ting-ting(1989-),female,graduate student,majoring in optical communications and optical networking.

Impact of Facet Reflectivity on Single-Port Coup led SOA

LIU Song,WANG Hai-long,CHEN Ting-ting
(Qufu Normal University,Qufu Shandong 273165,China)

The influence of refractive index cuased by photon density,gain spectrum dispersion,amplified spontaneous emission noise(ASE),facet reflectivity and carrier concentration is discussed,and the rate equations and light-field transfer equations are solved by the refined sectionalization and Runge-Kutta method.Meanwhile the dynamic characteristics of different facet reflectivity coefficients of RSOA are also analyzed.Results show that a proper increase of facet reflectivity could raise the gain of SOA and ASE output power,decrease the gain recovery time and extinction ratio.This theoretical analysis could serve as a reference for the optimization of RSOA dynamic characteristics.

RSOA;Runge-Kuttamethod;amplified spontaneous emission noise(ASE);facet reflectivity

Shandong Province Natural Science Foundation(No.ZR2010FM023)and State Key Laboratory of Functional Materials for Informatics open topic(No.SKL201307)funded

date：2014-10-24;Revised date：2015-01-07

山东省自然科学基金(No.ZR2010FM023)以及信息功能材料国家重点实验开放课题(No.SKL201307)资助

TN929.1

1002-0802(2015)02-0161-04