----翻译自Hyun-Soo Kim,Dong Churl Kim等人2010年的文章
摘要：我们利用简化的制造工艺展示了与半导体光放大器（REAM-SOA）单片集成的 10.7 Gb/s 反射式电吸收调制器。在 10.7 Gb/s 的传输速率下，消光比大于 10 dB，功率损耗小于 1 dB，误码率（BER）为 10-9，传输距离达 20 千米。在 10-9 误码率条件下，该器件在 50 nm 光谱范围内的接收功率变化不超过 1 dB。
1. 导言
由于新的高带宽服务的出现，对高比特率接入网的需求迅速增长。波分复用无源光网络（WDM-PONs）具有容量大、安全性高、灵活性强等优点，是未来接入网的理想选择之一[1]。然而，由于指定波长源的成本，波分复用的实施成本相对较高。在成本效益方面，开发无色波长源是 WDM-PON 技术的一个关键问题，可显著降低系统成本。针对低速（≤2.5 Gb/s）无色光源提出了各种解决方案，如光谱切片发光二极管（SSLED）[2]、注入锁定法布里-珀罗激光二极管（FP-LD）[3]、反射式半导体光放大器（RSOA）[4-6]。然而，随着带宽需求的增长，未来的接入网络将需要更高速的无色光源（10 Gb/s）。最近，有报道称在带宽受限的 RSOAs 中使用电子均衡技术和前向纠错码（FEC）实现了 10 Gb/s 运行[7,8]。半绝缘埋地异质结构（SI-BH）反射式电吸收调制器与半导体光放大器（REAM-SOA）器件的单片集成已成功实现了 10 Gb/s 的速率[9-12]。通常，SI-BH 型 REAM-SOA 采用四步金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长法制造 [9]。
在这项工作中，我们利用三步 MOCVD 技术展示了埋脊条纹 (BRS) SOA 和深脊调制器的集成方案。为了减少埋入式脊条纹 SOA 和深脊调制器之间的横向错位和模式失配造成的耦合损耗，我们在埋入式脊条纹 SOA 和深脊调制器之间的接口处引入了锥形接合区。在制造的器件中，我们获得了 10.7 Gbps 的良好性能，消隐比大于 10 dB，功率损耗小于 1 dB，误码率（BER）为 10-9，传输距离为 20 千米。在 10-9BER 条件下，该器件在 50 nm 光谱范围内的接收功率变化不超过 1 dB。
2. 设备制造
图 1(a)显示了制作好的 REAM-SOA 芯片的照片。REAM 的长度为 75 μm。1030 μm 长的 SOA 包括一个集成的弯曲波导和光斑尺寸转换器 (SSC)，以尽量减少面反射并实现与透镜光纤的高效耦合。SSC 采用双芯结构[5]。该器件采用三步低压金属有机化学气相外延（MOCVD）法制造。REAM 有源层由八个拉伸应变 InGaAsP（λ = 1.52 μm，ε = -0.38%）阱和晶格匹配的 InGaAsP 势垒（λ = 1.15 μm）组成，夹在 0.1 um 厚的 InGaAsP（λg = 1.15 μm）分离约束异质结构（SCH）层之间[13]。在下层 SCH 的底部，生长了 0.6 μm 厚的 n 掺杂 InP 间隔层和 0.1 um 厚的 InGaAsP（λg = 1.15 μm）光斑尺寸转换器（SSC）层。多量子阱 (MQW) 的室温光致发光 (PL) 峰值为 1470 nm。对接耦合 SOA 有源层由拉伸应变 0.15 μm 厚的 InGaAsP（λg = 1.55 μm，ε = -0.2%）层组成，夹在 0.1 um 厚的 InGaAsP（λg = 1.15 μm）分离约束异质结构（SCH）层之间[14]。在使用反应离子刻蚀（RIE）和轻微湿法刻蚀形成 1 μm 宽的 SOA 区域网格后，晶圆被 p-InP 包层和 p+-InGaAs 欧姆层掩埋。然后，使用 RIE 刻蚀法形成了一个 2 μm 宽的深脊 REAM 区域。如图 1(b)所示，在 BRS SOA 和深脊调制器的接口处引入了一个 150 μm 长的锥形接合区，以减少 BRS SOA 和深脊调制器之间的横向错位和模式失配造成的耦合损耗，其中深脊波导的宽度从 2 μm 到 5 μm 不等。旋涂了 3 μm 厚的聚酰亚胺，以尽量减小接合垫的电容。通过单步 O+ 离子注入，实现了 BRS SOA 的电流阻断以及 SOA 和 REAM 之间的隔离。经测量，SOA 和 REAM 区域之间的隔离电阻为 36.8 kΩ。后刻面镀有高反射（HR）涂层，而前刻面镀有抗反射（AR）涂层，估计其残余刻面反射率约为 10-5。该器件采用 50 Ω 匹配电路子封装，在温控模式下进行静态和动态特性测量。所有静态测量均在 25°C 下进行。
3. 结果和讨论
为了了解锥形接合区域的横向错位容限，我们将深脊 REAM 与 BRS SOA 集成在一起，但波导和 SSC 没有弯曲。两个波导之间的故意错位以 0.2 μm 为步长变化。在 SOA 为 100 mA 时，测量了不带弯曲波导和 SSC 的 REAM-SOA 的输出功率。图 2 显示了不同长度锥形连接区（Ltaper）的计算损耗和相对输出功率与有意横向偏差的关系。计算损耗使用三维 BPM（光束传播方法，由 RSoft 公司提供）进行模拟。如图 2(a)所示，在 100 μm 长和 150 μm 长的锥形接合区，计算出的低于 0.5 dB 超额损耗的横向错位公差约为± 1.9 μm。然而，在无锥形接合区域，计算出的低于 0.5 dB 超额损耗的横向错位公差约为± 0.2 μm。如图 2(b)所示，在 150 μm 长的锥形接合区域，0.5 dB 输出功率变化范围内的测量横向偏差容限大于 ± 1 μm。
图 3 显示了 SOA-REAM 的放大自发辐射（ASE）光谱。ASE 光谱的 3 dB 带宽约为 30 nm，纹波约为 1 dB，这表明 SOA 面、对接耦合界面和 BRS-深脊过渡区的反射率较低。REAM-SOA 的光纤到光纤增益曲线如图 4 所示。输入光束的波长为 1550 nm。饱和输入功率约为 -15 dBm。当 SOA 电流为 150 mA 时，REAM-SOA 的光纤到光纤增益约为 11.7 dB。与反射式 SOA 的光纤到光纤增益相比，带有 150 μm 长锥形接合区的 REAM 的损耗估计约为 7 dB。随着 SOA 注入电流的增加，非饱和增益区的偏振相关增益（PDG）从 0.4 dB 增加到 2 dB。
图 5 显示了 REAM-SOA 的输出功率与 REAM 反向偏置的函数关系。SOA 的注入电流为 100 mA。输入光束的波长和功率分别为 1550 nm 和 0 dBm。虽然由于 SOA 和调制器之间的失谐较大（约 80 nm），REAM 的工作电压相对较大，但最大（最小）静态消光比 (ER) 为 21 dB (15 dB)。
所有的动态测量都是在以下情况下进行的。来自可调谐激光器的连续光束（CW）种子光通过可变光衰减器（VOA）、偏振控制器（PC）和环行器进入 REAM-SOA。调制速度为 10.709 Gb/s，采用 27-1 非归零比特序列的伪随机数据。REAM-SOA 的动态特性与图案长度关系不大。调制输出光束经过掺铒光纤放大器（EDFA）和带通滤波器后，再经过接收器和采样示波器。
图 6 显示了 REAM-SOA 的 10.7 Gb/s 背靠背误码率曲线与输入功率的函数关系。温度固定在 25 °C。REAM 的直流偏置和交流调制幅度分别固定为 -3 V 和 4.3 Vpp。SOA 电流和输入波长分别固定为 100 mA 和 1550 nm。在输入功率介于 -10 dBm 和 + 7 dBm 之间时，REAM-SOA 的接收功率变化低于 1 dB，误码率为 10-9，消隐比大于 10 dB。低输入功率下的误码率劣化是由器件 ASE 导致的低信噪比 (SNR) 造成的，而高输入功率下的误码率劣化则略微是由增益饱和导致的图案效应造成的。图 7 显示了不同温度下 10-9BER 的接收功率。温度从 25°C 变化到 70°C。输入功率固定为 0 dBm。SOA 电流和 EAM 偏置电压分别在 85~230 mA 和 -2.5~3 V 范围内调整。在温度为 40°C 的情况下，REAM-SOA 在 50 nm 光谱范围内工作，接收功率变化不超过 1 dB。虽然由于材料间隙的变化，工作光谱范围发生了红移，但最低接收功率在 70°C 时变化不大。在接收功率变化不超过 1 dB 的情况下，可以覆盖 30 nm 至 60°C 的常见光谱范围。
图 8 显示了标准单模光纤背靠背和最长 30 千米跨度的 10.7 Gb/s 误码率曲线。温度固定在 25 °C。REAM 的直流偏置和交流调制幅度分别固定为 -3 V 和 4.3 Vpp。SOA 电流固定为 100 mA。输入波长和功率分别为 1550 nm 和 0dBm。在 10-9BER 条件下，20 千米传输的功率损失低于 1 dB。但是，当误码率为 10-9 时，30 千米传输的功率损耗增加到 3.4 dB。之前有论文指出，色度色散和瑞利后向散射会增加 SOA-REAM 的功率损耗[9,10]。
4. 结论
我们采用三步 MOCVD 生长和 RIE 工艺制造出了单片集成的深脊 REAM 和 BRS SOA。尽管采用的是非自对准工艺，但通过引入锥形接合区，在制造过程中获得了相对较宽的对准误差容限，从而提高了制造过程的可重复性。该器件的 3 分贝放大自发辐射带宽为 30 纳米，纹波为 1 分贝。最大（最小）静态消光比 (ER) 为 21 dB（15 dB）。在 10.7 Gb/s 的传输速率下，消光比大于 10 dB，功率损耗小于 1 dB，误码率（BER）为 10-9，传输距离达 20 千米。在 40°C 温度条件下，该设备可在 50 nm 光谱范围内工作，接收功率变化不超过 1 dB。在接收功率变化不超过 1 dB 的情况下，还能覆盖 30 nm 至 60°C 的常见光谱范围。
注：本文由天津见合八方光电科技有限公司挑选并翻译，旨在推广和分享相关半导体光放大器SOA基础知识，助力SOA技术的发展和应用。特此告知，虽本公司尽最大努力保证翻译准确性，但不排除存在误差、遗漏或语义解读导致的不完全准确性，建议读者阅读原文或对照阅读，也欢迎指出错误，共同进步。