III. SOA 芯片表征

A. SOA 芯片光學表征設置

SOA的光學表征設置示意圖如圖7a)所示。我們使用了一個可調諧激光器（波長范圍為1510-1630nm），其輸出功率固定，作為輸入信號源，以便在大光譜范圍內進行表征。值得注意的是，該激光器還選擇了較大的最大輸出功率（>12 dBm），以便研究飽和輸出功率。在激光器之后，我們放置了一個可變光衰減器（VOA），用于控制輸入信號的電平。由于SOA對偏振敏感，因此在SOA之前插入了偏振控制器。SOA的輸出在光譜分析儀（OSA）上進行測量。此外，在SOA的輸入和輸出端使用了3-dB光耦合器，以便在光功率計（OPM）上監測放大的自發輻射功率電平。

被測設備（DUT）是一個安裝在氮化鋁載體上的SOA芯片，芯片通過引線鍵合與載體連接。由于載體上裝有熱敏電阻、熱電冷卻器（TEC）和TEC控制器，因此該設備可在控制溫度下進行測試。使用電流源為芯片提供偏置。通過探針在載體上建立電接觸。

如圖7b所示，通過定制的透鏡-光纖組件將光耦合進芯片波導和從芯片波導出耦合。測得的光耦合損耗為每端面1dB。請注意，使用三軸線性平臺控制光路對準，并根據光譜分析儀（OSA）上的輸出信號峰值功率進行優化。

在表征之前，使用具有波長校準功能的光功率計（OPM）對設置進行校準。接下來，根據光譜分析儀上的峰值功率測量，推導出輸出鏈路的功率損耗。這一步驟針對感興趣的不同波長重復進行。

完成校準后，在20℃的受控溫度下，對各種芯片設計的光纖到光纖增益、噪聲系數和飽和輸出功率進行了表征。

B. SOA 芯片光學表征結果與分析

我們測試了三種芯片設計：一種是沒有UC區段（稱為STD，即0% UC），另外兩種UC區段的比例分別為43%和56%（分別稱為43% UC和56% UC）。所有芯片的長度均為4mm。

光是從上包層側注入的。否則，飽和輸出功率將受到UC區段較低飽和功率的限制。

在1.3A的偏置電流下，我們首先通過可變光衰減器（VOA）將小信號輸入功率設置為-25 dBm，對器件進行了表征。

在圖8中，我們將測量得到的小信號增益光譜與第II-C節中所述模型得到的模擬光譜進行了比較。除了長波長處外，兩者在1 dB范圍內表現出良好的一致性。長波長處的不一致性是由于提取的材料增益在長波長處存在較大的不準確性。

否則，對于任何設計，3-dB增益帶寬均測得超過87nm，覆蓋了C波段和L波段的大部分區域。然而，在1575nm處，56% UC設計的光纖到光纖增益最高，達到了40dB，比標準設計的增益高出10dB。值得注意的是，盡管增益值很大，但在光譜分析儀（OSA）上以0.03nm的分辨率測量時，在1.3A偏置電流下的放大自發輻射（ASE）光譜上測得的波紋可忽略不計，即小于0.1dB。這得益于根據第II-B節中提出的波紋估算而精心設計的波導和錐度。實際上，通過使用較大的脊寬來減小波導模式發散，從而實現了非常低的端面反射率。

在圖9中，展示了在光譜分析儀上以0.2nm分辨率測得的噪聲系數（NF）。標準設計的噪聲系數在1600nm處測得為5.5dB，在較短的波長處增加到8dB。例如，可以通過增加輸入部分的能隙來改善短波長的噪聲系數。然而，對于UC設計以及從UC部分注入光的情況，與標準設計的噪聲系數相比，在1600nm處UC設計的噪聲系數差0.3dB，在短波長處差0.5至1dB。這與我們之前的理論計算分析不同——兩個部分的噪聲系數應該相似。我們認為，這可能是由于制造問題導致的UC部分傳播損耗較大，或者是由于UC部分增益介質在輸入處具有較大的ASE功率但飽和功率較小而引起的空間燒孔（SHB）現象。但是，這將在下一節中得到緩解。

在圖10中，展示了在1.3A電流、20°C溫度和1600nm波長下，不同芯片設計的增益隨輸出功率的變化情況。圖中的標記是測量結果，而實線則是根據第II-C節中介紹的模型得到的模擬結果。模擬結果與測量結果非常吻合，增益值的差異在0.5dB以內，這符合測量精度和重復性。

從這些曲線中，我們通過3-dB增益壓縮插值得到了飽和輸出功率Psat。對于56% UC、43% UC和0% UC設計的芯片，飽和輸出功率分別測得為21.4dBm、21dBm和20dBm。因此，由于較小的有源區體積，UC部分可以使飽和輸出功率增加高達1.5dB。

圖5中插值得到的Psat模擬結果在圖11中進行了繪制，并與UC比例進行了對比，同時為了考慮光耦合損耗，對模擬結果進行了1-dB的減法處理。這些模擬結果與測得的光纖到光纖Psat值進行了比較。兩者結果非常一致（差異為0.2dB），且都在測量精度和重復性范圍內。因此，在1.3A電流和1600nm波長下，對于4mm長的芯片，根據模型預測，56% UC的SOA的飽和輸出功率高于43% UC的SOA。

因此，這些結果驗證了用于設計這種新型雙區芯片的模型的準確性，該模型能夠在中等偏置電流下同時實現大增益和高飽和輸出功率。

最后但同樣重要的是，我們將增益和飽和輸出功率的結果與最先進的技術進行了比較。值得注意的是，Morito的研究小組[5]首先取得了具有競爭力的結果。他們封裝的5nm多量子阱（MQW）SOA模塊在1A偏置電流下實現了15dB的增益和22dBm的芯片飽和輸出功率。Akiyama的研究小組開發了一種使用傾斜波導結構的超寬帶量子點（QD）SOA，實現了25dB的增益和22dBm的飽和輸出功率。Juodawlkis的研究小組報告了使用InGaAsP-InP量子阱的斜切波導放大器（SCOWA）的成功結果。這種SCOWA在1.5μm波段實現了13dB的光纖到光纖增益和29dBm的飽和輸出功率。然而，其1cm的芯片長度需要非常高的4-5A偏置電流。2017年，III-V Lab[17]開發了一種偏振不敏感模塊，該模塊包含兩個采用寬帶增益材料的多量子阱SOA，實現了18.5dB的增益和20dBm的飽和輸出功率。最近，據報道，一種高效率的量子點SOA在僅200mA偏置電流下實現了24dB的高增益和15dBm的飽和輸出功率。

通過比較，可以看出我們研究的芯片在特定設計下（如56% UC設計）能夠實現與現有先進技術相當的增益和飽和輸出功率，同時可能具有更低的偏置電流要求或更緊湊的芯片尺寸。這些結果驗證了我們在設計這種新型雙區芯片以實現大增益和高飽和輸出功率方面的努力是有效的，并表明我們的芯片在性能上具有一定的競爭力。

特別是，考慮到不同的工作電流范圍，我們使用G0乘以Psat的乘積（作為品質因數）來比較增益和飽和輸出功率之間的權衡。如圖12所示，56% UC設計的品質因數遠超其他設計，實際上，其領先幅度在10到220倍之間。在這里，我們選擇以線性單位表示品質因數，以使增益和Psat具有相同的重要性水平。即使增益以分貝為單位，標準設計與UC設計之間的品質因數也有顯著提高。

盡管雙區設計達到了在中等電流下實現大增益和高飽和輸出功率的初步目標，但測得的噪聲系數（NF）相對于標準設計有所惡化。在下一節中，我們將介紹一種具有更小噪聲系數的高級設計。

IV. 降低噪聲系數的高級設計

A. 噪聲系數惡化的根本原因分析

雙區設計中噪聲系數的惡化是由芯片輸入端未鉗制（UC）部分引起的大增益所導致的空間燒孔效應（SHB）。實際上，SHB會導致載流子密度降低，進而增加噪聲系數，如圖8所示。這表明，為了避免嚴重的噪聲系數惡化，不應在芯片輸入部分實現大增益。

B. 高級設計

因此，為了減輕噪聲系數的惡化，我們設計了一種新的SOA芯片，將未鉗制部分置于芯片中心，以避免輸入端出現嚴重的空間燒孔效應，同時在輸入和輸出端使用錐形結構連接標準部分，如圖13所示。此外，為了改善短波長的噪聲系數性能，我們重新設計了有源區，并將外延波長移向C波段。因此，我們將未鉗制比例設定為50%，并將芯片長度縮短至3mm。

該芯片已使用第II-B節中描述的過程制造完成。由于更改了SOA堆疊，因此還制造了輸入端有未鉗制（UC）部分的芯片和沒有UC部分的芯片（STD），以便能夠量化UC部分位置對噪聲系數（NF）的影響。

使用與之前相同的設置和測試過程，在更節能的操作條件（1.2A和25℃）下對新設計的芯片進行了表征。三種芯片設計的增益和NF結果如圖14所示。與之前觀察到的結果一樣，具有UC部分的SOA的增益比STD SOA高出多達13dB。關于NF，將UC部分置于芯片中間，如預期所料，其NF與STD SOA相似，而將UC部分置于芯片輸入端則會導致NF降低0.7dB。在短波長下，由于基于UC的設計的增益峰值位置比STD設計的增益峰值位置向更長波長移動，因此NF也會隨著先進設計的采用而降低。不過，這可以進行進一步調整。

因此，為避免空間燒孔效應（SHB）導致NF降低，UC部分不應置于輸入端，而應置于芯片中間。這樣仍然可以實現大增益和高飽和輸出功率。

V.結論

通過對帶有UC部分的雙區SOA進行精心分配，我們根據模型預測實現了大增益和高飽和輸出功率水平。該設計可以在不降低飽和輸出功率（Psat）的情況下顯著提高增益。特別是，在4mm長的芯片中，使用56%的UC部分，在適中的偏置電流（1.3A）下，實現了高達40dB的增益和21.4dBm的飽和輸出功率。這在我們所知的范圍內，是增益和飽和輸出功率之間最佳權衡的表現。此外，通過精心定位UC部分，還降低了噪聲系數。隨著我們工作的推進，進一步降低噪聲系數和功耗以滿足工業化要求將是有益的。根據應用場景的不同，該設計也可以進行調整以滿足其他增益-飽和輸出功率要求。例如，可以減小限制因子，以獲得更高的輸出飽和功率。

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天津見合八方光電科技有限公司（http://tj.jhbf.cc），是一家專注半導體光放大器SOA研發和生產的高科技企業，目前已推出多款半導體光放大器SOA產品（1060nm, 1310nm, 1550nm），公司已建立了萬級超凈間實驗室，擁有較為全面的光芯片的生產加工、測試和封裝設備，并具有光芯片的混合集成微封裝能力。目前公司正在進行小型SOA器件、DFB+SOA的混合集成器件、可見光波長SOA器件、大功率SOA器件的研發工作，并可對外承接各種光電器件測試、封裝和加工服務。