Лекция 11. Полупроводниковые усилители

От создания лазеров к фотонике

M. J. Connelly, Semiconductor Optical Amplifiers. Boston, MA: Springer-Verlag, 2002

Конструкция полупроводниковых оптических усилителей (SOA)

Полупроводниковый оптический усилитель (SOA) – это оптический усилитель, рабочим веществом которого является полупроводниковый материал.

В большинстве SOA используются волноводные гетероструктуры, активная (усиливающая) среда представляет собой тонкий слой материала, расположенный между слоями материала с более широкими запрещенными зонами. В современных конструкциях используются антиотражающие покрытия и наклон торцов волновода относительно нормали к оптической оси усилителя. Эти меры позволяют уменьшить коэффициент отражения от торцов до значения меньше чем 0.001%. Поскольку потери на отражение меньше усиления, то паразитная лазерная генерация не возникает.

Однако даже в до пороговом режиме работы оптического усилителя обратное отражение порядка 10^-2 – 10^-3 может оказать существенное влияние на спектр его усиления. Усилители с таким уровнем отражения от торцов называются резонаторными SOA. Спектр усиления резонаторных усилителей характеризуется сильной изрезанностью спектра усиления (от 10 до 20 дБ) и узкой полосой (от 2 до 10 ГГц).

Наиболее перспективным типом SOA является усилитель бегущей волны (TW SOA). В таких усилителях коэффициент отражения должен быть менее 10^-4. В TW SOA неравномерность спектра усиления очень мала (несколько дБ) а полоса усиления превышает 5 ТГц, т.е. более 40 нм в районе 1550 нм. Именно такие усилители применяются в телекоммуникационных приложениях.

Рис.11.1. Конструкция полупроводникового оптического усилителя.

Принцип работы усилителя бегущей волны прост и ясен из его конструкции (рис.11.1). Входной оптический сигнал мощностью P_in вводится в активную волноводную область через входной торец, усиливается за один проход и усиленный сигнал мощностью P_out = G_sp P_in выходит через выходной торец. Однопроходное усиление G_sp экспоненциально зависит от эффективного инкремента усиления и длины SOA:

G_sp = exp (g_eff L).

Эффективный инкремент усиления g_eff определяется усилением активной области g, коэффициентом локализации Γ (confinement factor) и затуханием α:

g_net = Γg – α.

При использовании просветляющих покрытий на основе пленок TiO₂/SiO₂ удается снизить коэффициент отражения до уровня R=10^-5. В сочетании с наклоном торцов (примерно на 7 град.) удается подавить резонансные эффекты и обеспечить снижение неравномерности коэффициента усиления до приемлемого уровня (<0.5 дБ).

Как правило, полупроводниковые усилители изготавливаются из материалов группы III-V compound semiconductors, таких как GaAs/ AlGaAs, InP/ InGaAs, InP/InGaAsP и InP/InAlGaAs, хотя в принципе могут использоваться любые материалы с прямой запрещенной зоной, например II-VI. Такие усилители часто используются в оптических системах связи в виде устройств, оптически связанных волоконными световодами (пигтейлированных устройств). Рабочий диапазон обычно лежит в полосе от 0,85 мкм до 1,6 мкм, а коэффициент усиления достигает 30 дБ.

Полупроводниковые усилители отличаются малыми размерами и в них используется электрическая накачка. Они дешевле других типов усилителей (по крайней мере потенциально) и допускают интеграцию с полупроводниковыми лазерами, модуляторами и другими устройствами. Однако по техническим характеристикам они все еще уступают эрбиевым усилителям: у SOA шум больше, усиление меньше, есть некоторая поляризационная чувствительность и присутствуют значительная нелинейность, обусловленная быстрой релаксацией носителей заряда (порядка ноносекунд и менее). Недавно были разработаны так называемые «Линейные оптические усилители» (Linear optical amplifiers), в которых используется технология оптической стабилизации коэффициента усиления (gain-clamping techniques).

Таблица. Типичные характеристики SOA

Specification	Value
Operating wavelength	1300 – 1600 nm
Gain	20 – 30 dB
3-dB gain bandwidth	20 – 30 nm
Power output	< 10 dBm
Polarization sensitivity	0.2 – 5 dB

Нелинейные искажения сигналов из-за насыщения усиления полупроводниковых усилителей

В полупроводниковых усилителях наблюдаются нелинейные искажения оптических сигналов, вызываемые совместным действием временных изменений усиления и взаимосвязью коэффициента усиления и показателя преломления.

В англоязычной литературе этот эффект называется «saturation-induced non-linearity», что можно перевести на русский язык как «нелинейности, обусловленные насыщением».

Нелинейности, обусловленные насыщением, могут существенно ухудшить качество работы систем оптической связи, т.к. время жизни носителей заряда τ_c (0.2-0.5 ns) полупроводниковых усилителей (SOA) сопоставимо с длительностью оптических импульсов в системах связи. В результате очень быстрого насыщения усиления в SOA коэффициент усиления переднего фронта и спада оптических импульсов оказываются разными. Временная зависимость коэффициента усиления в общем случае зависит от временной формы импульсов, а степень насыщения зависит от отношения энергии импульсов к энергии насыщения SOA. Напомним, что энергия насыщения равна произведению мощности насыщения на время жизни носителей заряда:

E_sat = P_sat τ_c

Типичное значение мощности насыщения SOA равно примерно 30 мВт (не путать с 3 дБ насыщением, равным 10-15 мВт). Временная динамика интегрального инкремента усиления описывается следующим выражением:

где – интеграл от инкремента усиления по длине усилителя, – ненасыщенный интегральный инкремент усиления, – временная зависимость мощности оптического импульса. Коэффициент усиления SOA связан с интегральным инкрементом усиления следующим выражением:

.

Таким образом, форма усиленного выходного сигнала отличается от формы входного сигнала, т.к. они связаны зависящим от времени коэффициентом усиления:

Такое временное поведение полупроводникового усилителя может приводить к появлению искажений, зависящих от последовательности символов (pattern effects), поскольку усиление в некоторый момент времени зависит от того, какой символ был предыдущим.

Важно отметить, что рассмотренное явление наблюдается в усилителях любого типа, в том числе в EDFA, но в SOA оно проявляется наиболее сильно из-за совпадения времени релаксации (насыщения) и характерной длительности единичного информационного сигнала.

Специфической особенностью работы SOA является также возникновение частотной модуляции и частотного сдвига из-за взаимосвязи между амплитудными и фазовыми характеристиками SOA. Причина этого заключается в том, что оптический импульс, усиливаясь в SOA, уменьшает плотность носителей заряда и, тем самым, изменяет показатель преломления полупроводника. Вследствие модуляции показателя преломления набег фазы также меняется во времени пропорционально интегральному инкременту усиления:

где – фактор уширения линии излучения, характеризующий взаимосвязь амплитудных и фазовых характеристик (типичное значение 4-6 для SOA). Сдвиг частоты определяется путем дифференцирования приведенного выражения для фазы по времени с учетом выражения для . Это явление называется обусловленной насыщением фазовой самомодуляцией (saturation induced self-phase modulation (SI-SPM)). SI-SPM в сочетании с хроматической дисперсией может быть источником искажений в оптических системах связи.

Влияние нелинейных искажений в усилителе на работу систем связи

В стандартных одноканальных оптических системах связи типа точка-точка использующих амплитудные форматы модуляции без возвращения к нулю (NRZ) основной источник искажений в усилителе – эффект зависимости усиления от последовательности сигналов (pattern effects) а также, в меньшей степени индуцируемая SOA частотная модуляция (чирп). Эти эффекты проявляются и в системах связи, использующих формат с возвращением к нулю (RZ). В этом случае к заметному ухудшению качества передачи информации может привести зависящий от насыщения частотный сдвиг. При линий связи с накопленной дисперсией отличной от 0 частотные сдвиги превращаются во временной джиттер, ограничивающий дальность работы систем связи. Этот эффект наиболее сильно проявляется в системах связи, использующих нелинейные режимы распространения, например в солитонных линиях связи. Это связано с тем, что в солитонных линиях связи энергия импульсов поддерживается на значительном уровне и дисперсия линии отлична от нуля.

Для ослабления нелинейных искажений, вызванных насыщением, можно использовать усилители в линейном режиме, либо применить технику оптической стабилизации коэффициента усиления (gain clamping). В первом случае необходимо обратить внимание на накопление шумов усиленного спонтанного излучения (ASE). Работа усилителей с оптической стабилизацией коэффициента усиления будет рассмотрена в следующем разделе.

При уровне выходной мощности (1-5 мВт) и дисперсии близкой к нулю экспериментально продемонстрировано высокое качество работы систем связи как с NRZ так и с RZформатами модуляции при длине линии связи до 400 км. Для ослабления влияния SI-SPM в солитонных линиях связи используется специальная фильтрация (sliding filters)[11].

Оптическая обработка сигналов в системах связи

Высокая оптическая нелинейность полупроводниковых усилителей обеспечила им широкие возможности применения для оптической обработки сигналов, в частности, для полностью оптического переключения и изменения спектра сигнала. Они используются для:

· optical signal processing,

· wavelength conversion,

· clock recovery,

· signal demultiplexing,

· pattern recognition.

SOA с вертикальным резонатором

Недавно был разработан новый тип SOA – усилитель с вертикальным резонатором (vertical-cavity SOA (VCSOA)).

Есть две важнейшие особенности таких усилителей:

1. наличие резонатора

2. его вертикальное расположение

Из-за очень малой длины активного вещества вдоль оптической оси, которая направлена перпендикулярно полупроводниковым слоям, усиление на один проход мало (типичное значение несколько процентов) такие усилители используются с резонаторами и работают в регенеративном режиме. Из-за этого их применение в системах связи ограничено одноканальными системами, а сами VCSOA можно рассматривать как усилительные фильтры.

Преимущества VCSOA

· малые размеры

· low power consumption,

· low noise figure,

· polarization insensitive gain,

· ability to fabricate high fill factor two-dimensional arrays on a single semiconductor chip.

Применение SOA

Усилители в WDM сетях связи должны обладать широкими и равномерными полосами усиления, малыми нерезонансными потерями и малым шумом.

Достоинствами SOA в качестве линейных усилителей для сетей связи являются reliability, compactness, возможность интеграции с другими компонентами,достаточна большая мощность и широкий диапазон рабочих длин волн (различные конструкции SOA могут работать в диапазоне длин волн от 600 нм до 2000 нм).

There has also been the perception (as is typical with semiconductor devices) that, with the expected high volume production of SOAs, their prices should drop precipitously.

As a line amplifier, the SOA faces competition from the Erbium Doped-Fiber Amplifiers (EDFAs) in the 1500-1600nm band and from Praseodymium Doped Fiber Amplifiers (PDFAs) and Raman Amplification in the 1300-1700nm band.

In the 1500nm band the EDFA has much higher gain than the SOA (30-40dB small signal gain, double pumped, versus less than 30dB for SOAs), lower noise, and the acceptance advantage of several years of high-reliability performance in substantial quantities in telecommunication fiber networks. Also, with maturity, volume production, and strong competition, the 1500-1700nm band EDFA gain block price has dropped rapidly over the past four years and will continue to decline. The EDFA gain block is now less expensive than a 1500-1700nm band SOA, on a dollars-per-decibel basis.

In the 1300-1500nm band, the competitive threat from fiber amplifiers is much less. The PDFA (which works on principles similar to the EDFA's but with praseodymium ions rather than erbium ions giving the amplification) has not achieved high volume production and so is currently more expensive than the EDFA. Also, the power conversion efficiency of the PDFA is much lower than the SOA's. Consequently, the SOA line amplifier has its strongest potential in the 1300-1500nm band for optical communication.

Long term, the SOA is projected to provide much higher power output, with better power conversion efficiency, compared to optical fiber amplifiers. In general, linear Wavelength Division Multiplexing (WDM) systems based on SOAs have moderate capacities and short reach. However, their performance and potential cost advantage may be adequate for metro applications.

One of the major problems experienced by conventional SOAs is crosstalk between wavelengths, which can be excessive even at the widest ITU spacing (1.6 nm; 200 GHz). This is an inherent problem, caused by the short lifetime of the carriers in the semiconductor materials. This carrier lifetime is only a few nanoseconds, similar to the period of two beating signals separated by typical ITU grid spacings. These beat signals modulate the carriers and generate sidebands, which constitutes four-wave mixing (FWM – see Nonlinear Effects). In the EDFA, in contrast, the lifetime of the erbium ions is much longer (around 10 milliseconds) so they are much less susceptible to this type of modulation.

A major factor in the magnitude of this FWM problem is the level of saturation of the amplifier output power, and so crosstalk can be substantially reduced by splitting the input power and dividing it among a number of SOAs, then recombining the outputs. However, this results in low optical signal-to-noise ratio. Whether this is economically feasible depends upon the cost of the individual SOAs and the cost of fabricating them in an integrated assembly. Alcatel SA (NYSE: ALA; Paris: CGEP:PA) is a leading producer of SOA array subassemblies.

Another trick is to demultiplex the wavelengths and individually amplify each wavelength or a small group of wavelengths in separate SOAs. The outputs of the SOAs are then multiplexed back into a single fiber.

Bell Labs has demonstrated the use of an SOA as an in-line amplifier by using a wavelength modulation technique that maintains a stable channel power in the SOA. The technique makes use of a dual-input, single-output Mach-Zehnder lithium niobate modulator. Using this scheme, researchers were able to transmit 10-Gbit/s modulated WDM signals over 500 km of nonzero dispersion-shifted fiber (NZDSF – see Advanced Fiber Types) with encouraging results.

Yet another approach is to use a so-called gain-clamped SOA, which increases the saturation power of the device. The indium phosphide-based linear optical amplifier (LOA) by Genoa Corp., as pictured in the figure above, uses a "cross cavity" chip design. The chip has an active waveguide gain region, and the input and output fibers are aligned to this waveguide. The novel part of the design is an integrated vertical laser that serves to stabilize the gain of the amplifier. This makes it possible to use the SOA to amplify multiple channels without excessive crosstalk problems. Genoa’s LOA chip is expected to be commercially available in 2002.

This technology is particularly well

suited to achieve various key functions dedicated to all optical networks:

- Single-channel or WDM amplification (booster amplifier, high speed optically preamplified

receiver) for metro rings

- Optical switching (space, wavelength or packet switching operations) for core network nodes

- Wavelength conversion for resolving wavelength contention and re-allocation in optical crossconnects

- Optical 2R or 3R regenerators for long haul transport networks.

Optical Switching

In order to handle the increased data throughput of WDM systems, aggregate line rates exceeding terabit levels are becoming commonplace. Crossconnects are required at intermediate network nodes to route these large amounts of traffic toward their destinations.

The conventional operation of crossconnects involves the conversion of optical signals to the electrical domain where switching takes place, before conversion back into optical signals for onward transmission through the network. The evolution of optical networks is to use Optical Crossconnects (OXCs) that remove this inefficient optical-electrical-optical (OEO) conversion process.

OXCs can transparently route wavelengths optically from one fiber to another. This enables the management of wavelengths at the optical level, which in turn decreases the cost and complications of electrical devices. The most popular technology in optical switching is micro-electro-mechanical systems (MEMS), which involve tiny mirrors being moved around to redirect light from fiber to fiber.

SOAs are another option for optical switching and can be used in a variety of ways. By altering the amount of electrical current applied to an SOA, the amount of gain experienced by a signal can be modulated. A simple optical switch can be realized by splitting a signal into two separate waveguides that each lead to an SOA. By applying current to one SOA and not the other, the signal can be made to progress to only one of the outputs.

SOAs can provide very fast (nanosecond) switching times, and due to their intrinsic amplification they can recover losses inherent in the switching process. There are downsides too, however, including the addition of relatively high levels of noise to signals and the high cost of initial products. The table below summarizes the various advantages and disadvantages of SOAs as optical switches.

Table 3: Advantages and Disadvantages of SOAs as Optical Switching Elements

Advantages	Disadvantages
Very fast switching (nanosecond)	Relatively high noise
Gain compensates for intrinsic loss	Susceptibility to electrostatic shock
High reliability in severe environment	Very high cost for early devices
Higher level integration potential	Relatively narrowband amplification
Compact size

Several SOA gate switches can be cascaded to create large-scale optical crossconnects. Researchers have fabricated low-loss, monolithically-integrated switch matrices containing several SOA gates. Hybrid integration of SOA gate arrays and silica-based planar lightwave circuits is being pursued by companies including Alcatel SA (NYSE: ALA; Paris: CGEP:PA), NTT Communications Corp., and Kamelian Ltd. These units use silicon-based passive circuits and submounts with indium phosphide SOA arrays to perform the switching.

Alcatel began shipping SOA-based optical crossconnect switches in 1997 for use in the OPEN test bed, a project within the RACE European communication program. The Alcatel 4x4 switch was monolithically integrated in indium phosphide. Alcatel also makes SOAs that use Distributed Bragg Reflector (DBR) technology in the passive sections, transforming the devices into gain-clamped SOAs. These devices are designed for applications where polarization insensitivity is required.

Optical transparency developments will necessitate the implementation of Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexing (ROADM) units, such as the one shown above. This will allow network operators to remotely provision the addition and removal of wavelengths. Kamelian’s ROADM design is based on passive waveguides that distribute and demultiplex/multiplex signals while SOAs perform the optical switching function through a varying drive current. To minimize crosstalk and achieve stabilized gain across all channels (as discussed in Part 4 – Optical Amplification) each wavelength is amplified by a separate SOA.

Преобразование длины волны

Важнейшая область применения преобразователей длины волны – полностью оптические сети связи со спектральным мультиплексированием (WDM). В таких сетях множество независимых информационных каналов передается по одному волокну от одного узла к другому. В узлах WDM сетей оптические переключатели направляют спектральные каналы в нужные оптические волокна для передачи на следующий узел, на котором процесс повторяется вплоть до достижения конечного узла. В случае, когда два информационных канала, использующих одну и ту же оптическую несущую длину волны, от разных источников необходимо направить по одному и тому же волокну, возникает потребность в преобразовании длины волны несущей, по крайней мере, одного из этих каналов.

Для осуществления преобразования длины волны необходимо использовать материалы с высокой нелинейностью и, если используется четырехволновое смешение, обеспечить выполнение условий волнового синхронизма.

Большое число способов преобразования длины волны основано на использовании полупроводниковых оптических усилителей (OSA).

Для преобразования длины волны используются различные виды нелинейности OSA: амплитудная кросс-модуляция за счет насыщение усиления; фазовая кросс модуляция и четырех волновое смешение.

Литература.

1. ITU G.693. Transmission media characteristics – Characteristics of optical components and subsystems.

2. AGRAWAL (G.P.), OLSSON (N.A.), Quantum Electron., Volume 25, pp. 2297-2306, 1989.

3. SETTEMBRE (M.) et al., J. Wavelength Technol., Volume 15, pp. 962-967, 1997.

4. MECOZZI (A.), Optics Letters, Volume 20, pp. 1616-1618, 1995.

5. REID (J.J.E.) et al., Proc. of ECOC'98, Volume 1, pp. 567-568, Madrid (Spain), 1998.

Приложение. История исследований.

Much of the European SOA effort has been encouraged by the European Community's ESPRIT and RACE program funding, focused on telecommunication applications in the early to mid 1990s. Substantial SOA work continued at Alcatel SA (NYSE: ALA; Paris: CGEP:PA), and SOA components and subsystems remain a part of the company’s product offerings.

Other European developers included Uniphase/Philips, which later became JDS Uniphase Inc. (Nasdaq: JDSU; Toronto: JDU); Siemens AG (NYSE: SI; Frankfurt: SIE); and Ericsson AB (Nasdaq: ERICY).

The Siemens Central Corporate Laboratory in Munich had a substantial SOA research program proceeding through the early 1990s, but this was deemphasized in late 1995 to focus research efforts on shorter-term commercial products. More recent European startups include Opto Speed SA of Switzerland and Kamelian Ltd. of Scotland.

North American SOA development was strongly supported by the U.S. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), aimed mainly at use in defense-oriented fiber optic links, satellite lightwave communication, and optical computers. Bell Labs continues to lead SOA R&D efforts. Within the last couple of years some new North American companies pursuing SOA components and subsystems have emerged, including Genoa Corp., Agility Communications Inc., Axon Photonics Inc., and Optical Crossing Inc.

Japanese SOA development has been mainly aimed at keeping current in semiconductor technology, rather than developing commercial products. Some of the Japanese developers include NEC Corp. (Nasdaq: NIPNY), Mitsubishi Electric & Electronics USA Inc., and NTT Communications Corp.

Next: Optical Amplification

Дата добавления: 2014-01-03