[发明专利]多电极串行半导体光放大器

说明书

技术领域

本公开涉及半导体光放大器技术领域，尤其涉及一种大功率多电极串行半导体光放大器。

背景技术

放大器是光纤通信系统中能对光信号进行放大的关键器件。随着半导体激光器和传输光纤性能的不断改善，美国于1975年在亚特兰大进行了光纤通信的现场试验；1976年相继开通了纽约-芝加哥、纽约-波士顿的商用光纤通信系统。光纤的低损耗使光信号具有传输距离长、通信容量巨大、成本低和保密性强等优点，这使得光纤通信得到迅速发展。为了解决长距离光纤通信中的损耗问题，每隔数公里必须加一个“光-电-光”中继站，其功能是将经过光纤衰减的信号用光探测器接收变为电信号，然后用电学的方法对电信号进行放大和再生，然后再调制到激光器上转变成光信号继续传输，很明显这种中继方式增加了大量的设备和场地的成本，而且这种中继方式只能针对某一个特定的比特率和工作波长，对信号传输链路造成瓶颈。因此需要寻找新的思路实现高性能光放大。随着光器件技术的发展，用光放大器取代“光-电-光”中继方式，将经光纤传输而衰减的光信号直接用光放大器放大的构想应运而生。

通信、激光雷达和成像、高性能微波光子(MWP)连接和模拟信号处理器等方面需要大功率光放大器，是近几年的国际研究热点。在全光通信中光放大器是必不可少的器件，数据通信业务的迅猛发展要求更加高速和大容量的通信网络，这使得全光通信势在必行，而其中光放大技术有着不可替代的地位。卫星空间光通信中使用的大功率光放大器主要是掺铒光纤放大器(EDFA)，目前，已有报道1.55μm波长区的EDFA能提供大于150W的功率，50W的EDFAs已经商品化。尽管光纤放大器的具有较大的输出功率，它们的尺寸和重量也比较大，由于光抽运效率低、功耗大，所以其功率转换效率低(一般＜10％)，更重要的是光纤放大器的抗辐照性能较差，导致其性能衰减比较快。一个卫星舱每年所承受的辐照为8000千纳德，而EDFA在20千纳德的辐照下功率就要衰减一半，且其寿命远达不到卫星通信的15-20年，因此EDFA很难满足新体制的需求。

半导体光放大器有直接电注入产生增益、功耗低、体积小、重量轻、价格便宜、波长灵活、增益带宽大，以及易于与其它半导体器件(如激光器、探测器，调制器)集成等特点，更重要的是半导体光放大器(SOAs)还具有很强的抗辐照特性。为此与目前的EDFA的性能作参照，取长补短地提高半导体光放大器的性能，特别是通过材料改性，结构变化、降低与光纤的耦合损耗，提高饱和输出功率、降低噪声和偏振灵敏度，那么半导体光放大器在空间光通信中有希望替代光纤放大器。

半导体放大器有源区的体积、光限制因子和内部损耗是决定其输出功率的主要因素。早期的SOAs，也指半导体激光放大器(SLAs)，是端面镀抗反射膜和波导倾斜压制激射的简单的激光结构。在这些SOAs中，垂直方向和侧向的光限制用分别限制结构(SCH)和刻蚀脊型波导来获得。在传统的脊波导结构中，为了实现单模工作，有源区材料的宽度通常被限制到2-3μm，光限制因子比较大，即使通过缩短腔长、减小限制因子和增益恢复时间，其输出功率只有100mw左右。从半导体光放大器的理论上看，饱和输出功率与有源区的宽度和高度成正比，与光限制因子成反比，因此，提高饱和输出功率主要通过两个途径：增加有源区的面积和减小光限制因子。

尽管锥形宽波导结构增加了SOAs增益面积，实现了高功率，但受到与增益波导动力学、模式竞争相关的光束不稳定和所需的复杂光学系统限制，光场很难有效地耦合到单模光纤中。典型的锥形SOAs与单模光纤的耦合效率只有50％。所以实际饱和输出功率最大只有芯片的一半。由于通常锥形结构的SOAs光限制因子和内部损耗系数与脊型波导结构SOAs相似，因此，锥形SOAs无法通过降低内部损耗和光限制因子来提高饱和输出功率。并且由于大功率半导体光放大器饱和输出功率高，工作电流大，局部产生热功耗大，导致器件过早饱和甚至受损。

公开内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种多电极串行半导体光放大器，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案