《电子技术应用》

侯振宇团队开发新型高功率半导体放大器

2016/8/4 9:02:00

       半导体放大器(Semiconductor Optical Amplifier)是光放大器的一种。光放大器是在光通信或者其他光学应用中对光信号进行放大的一种子系统产品。光放大器的原理基本上是基于激光的受激辐射,通过将泵浦源的能量转变为信号光的能量从而实现放大作用。泵浦的类别主要有光泵浦和电泵浦。目前研究比较广泛的光放大器是光纤放大器。它使用的泵浦是光泵浦。光纤放大器自从1990年代商业化以来,已经极大的改变了光纤通信工业,是直接导致20世纪末互联网爆炸(通常所说的”dot com”)的原因之一。然而,光纤放大器技术自此之后发展缓慢,部分原因是因为光纤通信所能够提供的带宽以及关联技术(例如波分复用)已经可以极大满足锦旗和未来的带宽需求。相对而言,半导体放大器技术的发展在十几年以前发展的比较缓慢,相关研究也比较有限。但是随着新一波的可穿戴式及物联网经济的发展,越来越多的探测器,感应器,小型低功率电子元件受到越来越多的关注。比如最新Apple Watch中心律感应器就是基于LED光技术的。在这些光电元件中,半导体放大器技术起到了举足轻重的作用。新型半导体放大器对于实现相应元件的小型化,低能耗,高效率都是至关重要的。

  半导体光放大器的工作原理是由驱动电流将半导体载流子转化为反转粒子,使得注入种子光幅度放大,并保持注入种子光的偏振、线宽和频率等基本物理特性。随着工作电流的增加,输出光功率也成一定函数关系增长。目前最常见和成熟的技术有直波导半导体光放大器和宽波导半导体放大器。其中直波导半导体放大器是利用传统的直波导结构,通过优化与光传播方向垂直方向上的结构来实现高增益。常见的技术有应变单量子阱激光放大器(SQW)等。这种光放大器的缺点是其等效光学孔径(Aperture)小所以易收到灾变光学镜面损伤(Catastrophic Optical Damage COD)的局限因而无法做到高功率。相对而言宽波导半导体放大器扩大了等效光学孔径所以不容易受到灾变光学镜面损伤的局限。这里面最常见的一种是基于锥型几何结构的光放大器。这种光放大器在对光进行增益的同时扩大光学孔径从而避免灾变光学镜面损伤,但它的缺点是常常受到成丝现象(Filamentation)干扰,光束成多模,导致光学质量通常不高。另外一种常见的是阵列激光放大器(Phased-array laser)。它利用多个直波导半导体放大器的阵列,通过光聚合来实现功率的增加。但是这种结构的缺点是需要外部光学部件来实现光聚合所以无法做到小型化。

  美国西北大学(Northwestern University,Evanston)的侯振宇博士和他的同事最近开发出一种新型的半导体光学放大器(Semiconductor Optical Amplifier SOA)技术克服了以上传统光放大器的缺点。这个技术的核心是利用了一种曲面反射器(Curved Reflector)结构实现对光集成电路光波导内光束的自由控制,从而方便灵活的构建所需要的半导体放大器几 何结构。通过对曲面反射器几何结构的精确控制,集成光束可以在极小的空间内实现极大的扩束,通过增益介质后又可以通过曲面反射器实现光聚合,从而极大的提 高了空间利用率,并提高输出功率(如图1)。同时由于设计的灵活性,增益介质可以设计成任何结构,从而有普适性好的特点。通过这项技术侯振宇博士和他的同 事成功的在小于1mm尺寸的InGaAsP结构的曲面反射器半导体放大器(CR-SOA)上实现了~1W的输出功率(图2)。

  这项技术在光学通讯(Optics Communications)等国际知名期刊上发表,并且收到了广泛的关注。这项技术对于新经济中炙手可热的前沿科技例如是可穿戴式,虚拟现实技术的发展将会起到重要的推动作用。关于这项技术更详细的讨论会在后续文章中介绍。

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 图1. 曲面反射器和增益介质集成的简图

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图2. 曲面反射器半导体放大器实现高功率输出

  关于作者

  侯振宇博士,现就职于阿斯麦公司(ASML)美国分公司担任高级工程师职位。他拥有美国西北大学电子工程博士和硕士学位,以及北京大学物理学学士学位。他的研究方向包括光电器件,数值模拟计算,图像识别,机器学习等。

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