特色应用
与普通单段半导体光放大器相比，多段半导体光放大器具有更优异的噪声和增益饱和性能。在本文中，我们评估了在数据中心内的短距离光通信链路中，使用多段半导体光放大器作为前置放大器时的性能优势。
摘要
多段半导体光放大器（SOA）已被证明与单段 SOA 相比，具有更优异的噪声和线性性能。我们展示了如何为多段 SOA 创建一个适用于光通信系统仿真的简化数值模型，并使用该模型研究 56 Gbit/s 四电平脉冲幅度调制信号的放大性能。我们发现，与具有相同非饱和增益的单段 SOA 相比，多段 SOA 可使输入功率动态范围提升超过 3 dB。
引言
在过去十年中，光通信系统的信息承载能力取得了巨大进步，用于通信的光学技术如今正转向数据中心内部通信 1,2。数据中心内存储数据的增长以及检索这些数据的需求，推动了对具有成本效益、更高容量的数据中心内部互联的需求，目前已发展到 400 Gbit/s，数据调制格式正朝着四电平脉冲幅度调制（PAM4）演进，这种调制格式每个传输符号携带两位 2。图 1a 展示了数据中心内两个机架集群之间数据连接的简化示意图，其中光电收发器和光纤构成了基本通信链路。目前，利用八台外部调制激光器和电吸收调制器，可在单根光纤上提供 400 Gbit/s 的链路，采用 28 Gbaud 的 PAM4，每个波长的原始数据速率可达 56 Gbit/s 3。
半导体光放大器（SOA）是低成本、高度集成的放大器，在数据中心内部通信中可能有两种应用。首先，已证明带有由激活 SOA 定义的光路的光开关 4,5，可在光域交换层中提供额外的交换功能。其次，SOA 也被认真考虑作为 PAM4 信号的前置放大器，以延伸传输距离或克服如图 1b 所示的光开关不可避免的插入损耗 6,7。通常，SOA 存在相对较高的噪声系数（NF），这限制了可可靠放大的最小信号功率，仅为几十微瓦；
SOA 还存在低增益饱和功率（约 10 mW）的问题，即使平均输入信号功率为几百微瓦，也会使放大后的信号产生失真 8,9。
SOA 的噪声系数（NF）和饱和功率可通过将放大器划分为独立区段，并对每个子区段施加不同偏置电流来改善 10。多段 SOA 的概念 10 如图 2 所示。在图 2a 中，对于单段 SOA，较大的直流偏置电流施加到 SOA 上，导致沿 SOA 整个长度注入相等的载流子。对于多段 SOA，SOA 被划分为更小的区段，每个区段独立偏置。SOA 采用了有利的电流偏置布置，即向输出面施加更强的偏置电流，这使得与单段 SOA 相比，有效噪声系数得到改善，有效饱和功率也有所提高 10-12。这种有利的偏置电流布置可在不增加总注入电流（从而保持功率消耗不变）的情况下实现。在单独的研究中，将反射 SOA（RSOA）划分为两个子区段的 RSOA，其直接调制电光响应得到了改善 13。迄今为止，尚未有研究（无论是实验性的还是数值性的）针对使用多段 SOA 放大载有信息的调制光信号的优势展开，仅对噪声系数和饱和功率进行了测量和 / 或计算 10-12。此外，还没有开发出用于多段 SOA 的简化数值模型，以评估多段 SOA 中调制信号的放大性能。
在本文中，我们展示了如何创建简化的多段 SOA 模型，并使用该模型评估多段 SOA 对 28 Gbaud PAM4 信号的放大性能，同时与传统单段 SOA 进行对比。我们对 14 中的简化 SOA 模型进行修改，以考虑多段 SOA。我们发现，为了复现如 15 中使用 SOA 放大 PAM4 信号的实验结果，只需考虑 SOA 中产生的放大自发辐射（ASE）噪声以及光接收器中的热噪声，并且我们能实现与 28 Gbaud PAM4 系统实验 15 相似的误码率（BER）性能。输入功率动态范围（IPDR）是使用 SOA 的放大系统的一个重要指标 8，因为 IPDR 表明了信号可被放大且能无差错检索数据的有用输入功率范围 8。我们表明，多段 SOA 可将 IPDR 提高超过 3 dB，相对于具有相似增益的单段 SOA 的 IPDR。来自多段 SOA 简单系统模拟器的这些结果，推动了对多段 SOA 在数据通信应用方面进一步的实验研究。
数值模拟器我们创建了一个光场E，对其进行归一化处理，使得|E|2代表光功率。四电平 28 Gbaud 的 PAM4 信号在光功率域内进行编码。我们将 PAM4 信号最强和最弱电平之间的消光比设为 8 dB。在描述 SOA 模型之前，我们首先描述如图 3a 所示的线性光电探测器模型。接收到的光电流可表示为
其中，Erec是入射到光电二极管上的光场，在本文中，探测器的响应度R = 1 A/W。在探测器中，电的热噪声被添加到由信号产生的电流中，热噪声 nRX 被认为是具有自相关特性的白高斯噪声 16。
其中，k 是玻尔兹曼常数，T是温度，RRX = 50Ω是接收器的阻抗，δ是狄拉克 delta 函数。信号与噪声的组合经过低通滤波后，对传输的 PAM4 符号进行判决。将接收比特与传输比特进行比较后统计错误，以此确定误码率（BER）。在模拟器中，电流波形是通过生成一个随机波形来产生的，该随机波形的值取自均值为零、方差为 1 的高斯分布。
eelec是一个随机噪声波形，其取值来自均值为零、方差为 1 的高斯分布，Bsim是仿真带宽（即采样时间的倒数），在本文中始终为 1 太赫兹。对于 PAM4 信号 E 的波形中的每个采样点，都会生成一个不同的eelec值。
热噪声的量保持不变，误码率（BER）通过改变接收信号功率|Erec|2来改变。我们针对不同的接收光信号功率值计算误码率，结果如图 4 所示。我们指出了实现 3.16×10-4误码率的灵敏度，因为这是前向纠错算法能够有效实现无差错性能时的误码率 2。达到 3.16×10-4误码率的接收功率估计为 -11.4dBm，这与实验获得的 -10.8 dBm 的灵敏度一致，且在接收器灵敏度的可接受范围内。将光电二极管的响应度降低到 0.7，会使我们计算出的接收器灵敏度增加 +1.5 dB。该探测器模型是我们所有模拟的核心，并且我们在 SOA 中放大信号后使用该探测器模型。
SOA 的仿真模型如图 3b、c 所示。通常，SOA 是行波模型，应考虑空间分布增益，但在无内部散射损耗时，SOA 可等效视为集总器件 17，无需考虑光场在 SOA 内的传播。集总 SOA 模型方法无需将 SOA 细分为更小的子区段来计算光场的传播。此外，集总 SOA 模型方法仅需数值求解一个微分方程即可估算 SOA 增益。采用集总 SOA 模型方法带来的计算量节省，使其在通信系统模拟器中颇具吸引力，因为在这类模拟器中，为评估有意义的系统性能，需要仿真数万个数据符号。18 给出了在通信系统模拟器中使用集总 SOA 模型方法的示例。为解决包含不可忽略的内部散射损耗的问题，我们开发了一种改进的集总 SOA 模型 14，其精度约为 1 dB，且我们已使用该模型估算 SOA 中光信号的波长转换性能 19。SOA 的动态特性通过每个子区段的一个微分方程来描述 14：
其中，h 表示在 SOA 区段长度上的积分增益系数，h0 是积分增益系数的非饱和值，,TS是载流子寿命，αloss是积分散射损耗，Psat 是饱和光功率（此时增益系数达到非饱和值的一半）， |Ein(t)| 2 是入射到 SOA 的光功率。式（4）右侧的第二项描述了受激发射，右侧的第一项描述了由于通过偏置电流补充增益而产生的增益恢复。SOA 子区段的输出场为
αH是增益 - 相位耦合参数。式（4）和式（5）中的 "i" 下标指的是多段 SOA 中的一个子区段。为了考虑 SOA 内产生的放大自发辐射（ASE），我们在光场通过 SOA 之前，向光场添加了等效的 ASE 噪声 18。等效的光学 ASE 噪声nASE被假设为具有以下自相关特性的白高斯噪声：
其中， hu 是光子能量，nsp 是增益反转参数，它与噪声系数（NF）的关系NF by NF=log10(2nsp)。存在一个修正因子，以确保输出端的 ASE 噪声功率等于nsphu (exph0,i - *a*loss,i - 1) 。当 SOA 增益保持非饱和状态时，该修正因子是准确的，不过 ASE 噪声仅对功率低至几十微瓦的输入信号性能产生影响。在数值模拟器中，我们生成两个随机波形，其样本取自两个不相关、均值为零、方差为 1 的高斯分布 eASE-I,i 和eASE-Q,i，以表示光场的同相（I）和正交（Q）分量。
对于多段 SOA，每个区段内产生的 ASE 是不相关的。我们将 SOA 视为前置放大器，通常 SOA 前置放大器的增益适中，为 13 至 15 dB 的放大倍数 8-11，以避免有害的增益饱和。选择增益更大的器件只会降低发生增益饱和时的输入光功率。SOA 中放大信号的功率下限由噪声系数（NF，对于多段 SOA 则为有效 NF）决定，且主要与 SOA 增益无关。在具体参数选择方面，我们旨在复现实际多段 SOA 的 SOA 饱和特性 10。我们将（多段和单段）SOA 的总非饱和增益都设为 13 dB。对于单段 SOA：h0 = 6, aloss = 3，这意味着非饱和功率增益为
噪声系数（NF）较大，为 8 dB， TS = 200 ps, Psat = 20 mW。注意，对于单段 SOA，仅求解一个类型如式（4）的微分方程。多段 SOA 中每个区段的参数细分如表 1 所示。我们假设偏置布置使得第一段具有适中的增益，且 NF 较小，为 4 dB，第三段具有最大的增益，且 NF 较大，为 9 dB。多段 SOA 的整体净增益为
饱和功率 Psat并非 SOA 所特有的量，而饱和能量（即 PsatTs的乘积）保持恒定 17。在强偏置电流下，载流子密度会增加，且由于双分子复合和俄歇复合的增强，载流子寿命 Ts会缩短，因此我们调整饱和功率，使得对于单段 SOA 以及多段 SOA 的所有子区段，PsatTs= 4pJ。
增益饱和为多段 SOA 带来的改进提供了诸多见解。我们将计算两种 SOA 的增益 - 输出功率关系。我们生成连续的光场（无任何调制），并计算稳态光功率增益。需要注意的是，为了获得清晰且精确的增益计算结果，通过将 NF 设为 - 50 dB 来避免随机效应。结果如图 5 所示。对于低于 - 5 dBm 的低输出功率，两种 SOA 的非饱和增益均为 13 dB。随着输出功率的增加，SOA 的增益会下降，并且我们注意到P3dB是增益从非饱和值下降 3 dB 时的输出功率。单段 SOA 的P3dB为 8.28 dBm，而多段 SOA 的 P3dB为 10.74 dBm。我们还在图 5 中绘制了第一段和第三段之间偏置布置互换时的增益饱和性能，此时输出饱和功率降至 7.1 dBm。这种偏置布置可能有利于增强 SOA 的非线性行为，可用于全光信号处理目的 19，不过此处并未探究使用该配置进行放大的情况。来自多段 SOA 的实验结果显示，高饱和功率配置下的P3dB为 9.3 dBm，偏置布置互换时的P3dB为 6.3 dBm 10。接下来，我们将研究 SOA 在放大 PAM4 信号时的表现。
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天津见合八方光电科技有限公司（http://tj.jhbf.cc），是一家专注国产半导体光放大器SOA研发和生产的高科技企业，目前已推出多款半导体光放大器SOA产品(850nm,1060nm,1270nm,1310nm, 1550nm,1625nm)以及增益芯片RSOA产品(850nm,1310nm,1550nm)，公司已建立了万级超净间实验室，拥有较为全面的光芯片的生产加工、测试和封装设备，并具有光芯片的混合集成微封装能力。目前公司正在进行NLL/ECL+SOA的混合集成器件、大功率SOA器件的研发工作，并可对外承接各种光电器件测试、封装和加工服务。