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 (exp[h0,i - aloss,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。
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。
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。