----翻译自Aref Rasoulzadeh Zali等人2021年撰写的文章

摘要

在光通信系统中，非常需要可以通过简单工艺与无源光路单片集成的低偏振相关半导体光放大器（SOA）。然而，尽管已经报道了几种SOA，但在InP平台中将偏振无关的体SOA与无源波导共同集成以生成复杂系统仍然是一个问题。在这项工作中，我们设计、仿真、制造和测试了基于体有源层的低偏振相关SOA，其与无源波导单片集成，并展示了其在实现光子集成电路中的潜在应用。仿真结果与实验结果高度吻合。基于仿真结果，所设计的长度分别为300µm、750µm和1500µm的SOA芯片覆盖了约65m、40nm和37nm的3dB带宽范围。已经对与无源波导共集成的300µm和1500µm之间不同长度的SOA进行了测试。300µm的SOA的偏振相关增益（PDG）小于2dB。此外，在11.6kA/cm2的电流密度下,1550nm波长实现了12.8dBm的饱和输出功率。对于长度为1500µm的最长SOA，在1588nm的波长和4.1kA/ cm2的电流密度下，实现了PDG低于2.5dB，饱和功率为7.4dBm，16dB的增益。因此，通过利用不同的SOA长度并在需要的波长下进行设计，可以设计具有更高增益和饱和功率以及低PDG的基于SOA的光路芯片，从而在低损耗和偏振无关光开关等PIC（光子集成）中广泛应用。

关键词

体层，低偏振灵敏度，偏振相关增益PDG，半导体光放大器SOA

1. 简介

与无源器件集成的高增益宽带宽的光子集成半导体光放大器（SOA）对于低成本和低功耗的光通信系统极具吸引力[1]-[5]。SOA由于具有多种功能特性，如支持O-L波段全波长范围、光放大器、光功率均衡器、选通和交换，应用灵活。但通常光纤系统是不保偏的，在光网络的任意点处的偏振态都是未知不确定的。因此，在不影响器件性能（如增益、带宽和噪声系数）的情况下，对光网络来说需要偏振无关的SOA。

几个小组研究了低偏或偏振不敏感（PI）SOA的不同方法。如埋入式或脊波导（WG）结构中的应变体[6]–[9]或通过在多量子阱（MQW）SOA的阱[10]-[12]或势垒层[13]-[15]上施加应变。众所周知，基于MQW和应变体SOA的实现需要高精度外延生长来制作能带（对于所需的波长发射带）、材料增益和应变[13]-[15]。此外，一些基于掩埋波导结构的SOA，需要锥形和窗口区域来提高耦合损耗和端面反射率[7]，[8]，[16]。因此，研究人员还提出了基于脊波导结构的非应变体SOA，该脊波导结构在O波段工作，但没有与无源器件的共集成封装[17]–[19]。

SOA与无源波导的单片集成需要精确设计并考虑不同的参数，如为芯层和包层选择适当厚度叠层（与无源叠层兼容），以实现偏振不敏感，同时减少有源和无源元件之间的折射率变化，以避免不必要的反射[20]，[21]。基于此，据我们所知，基于体有源层的PI-SOA的设计仍在研究中，该层可以与工作在C波段和L波段的无源元件集成。同时，越来越需要设计简单可靠制造工艺的体SOA，该工艺具有适当的叠层，允许与其他无源有源元件单片集成以实现先进的光子集成电路（PIC）。基于掩埋量子阱SOA的PIC已经与无源元件单片集成[22]。然而，脊波导中的体SOA比埋入式波导SOA更容易实现单片集成，埋入式SOA需要几个生长和蚀刻步骤来形成电流阻断层和接触层。此外，在这里我们采用无应变体，这与量子阱的外延生长相比更容易。此外，低PDG的SOA构建块是要添加到芯片加工PDK中的关键构建块之一。为了确保与现有PIC制造工艺完全兼容，SOA需要是脊状结构。

在开放式芯片加工厂中研究具有简化外延叠层的低PDG SOA是一有意义的工作。在这项工作中，我们展示了在通用集成技术平台和芯片加工厂中制造的浅脊波导的低PDG SOA。所展示的与无源波导的集成允许设计和制造在C波段和L波段工作的偏振无关PI光子集成电路。优化的外延叠层与InP晶格匹配（即无应变），简化了器件的外延生长。结果表明，不同长度SOA的PDG、增益饱和、增益谱和增益带宽的仿真结果与实验结果有很好的一致性。测试结果证实，基于体有源层制备的PI-SOA具有低偏振相关增益（PDG）和宽光谱特性。

本文内容如下：第二节给出了SOA的设计和仿真，其中分析了叠层、材料、净增益谱和净增益饱和特性。第三节给出了不同长度SOA的制造方法、放大自发发射（ASE）、光学增益和PDG的实验测试结果（A和B部分）。此外，C部分实验测量了SOA的饱和特性。最后，第四节给出主要结论。

2.体PI SOA的设计与仿真

为了降低SOA在工作波长范围内的偏振灵敏度，必须均衡TE和TM模的模式增益（净增益）。这可以通过设计两种偏振的材料增益和限制因子来实现。通过光子设计软件包HAROLD评估有源层（InGaAsP体）的材料增益，该软件包可以自洽求解泊松、电流连续性、捕获/逃逸平衡和光子速率方程。在评估平衡条件下的载流子密度后，评估材料的能带结构，并在此基础上计算态密度。使用抛物线带近似，最终将材料增益谱计算为偏置电流（载流子浓度）的函数。还值得注意的是，间接复合、Auger复合、受激和自发发射过程都包括在计算发射光谱中。计算材料增益后，将其导入PICWAVE软件包（光子设计），该软件包使用缓慢变化的包络近似方法计算场沿传播方向的演变。在此基础上，计算了倏逝模及其相应的限制因子。

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为了研究和建模SOA的增益性能，应该计算有源体层的材料增益（gTE/TM）。基于载流子密度和偏置电流水平计算准费米函数。基于这些评估，估计体有源层的增益。TE和TM模式的体SOA的材料增益与波长的关系如图2（c）所示。通过增加偏置电流，材料增益增加，并且峰值波长发生蓝移。无应变体有源层的轻空穴和重空穴能带结构退化，使重空穴和轻空穴质量相同。因此，TE和TM模式的材料增益几乎相同。

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图3（a）、（b）和（c）显示了在固定电流密度（偏置电流与SOA波导面积的比率，SOA波导面积=SOA长度×波导宽度）为J=6kA/cm2时，对应300μm、750μm和1500μm三种不同长度的SOA的TE和TM模增益、PDG和噪声系数谱。如图所示，SOA越短，SOA的3dB带宽就越宽，尽管较短SOA的增益较低（对于相同的电流密度）。例如，300μm、750μm和1500μm的SOA的3dB带宽分别约为65nm、40nm和37nm。此外，具有不同长度的SOA相应的偏振相关增益（PDG）谱如图3（a）、（b）和（c）所示。因为TE模式和TM模式之间的限制因子差通过移动到较短波长而降低，PDG水平通常对于较短波长会降低。例如，如图3（a）所示，对于偏置电流密度为6kA/ cm2的300μm SOA，峰值波长约为1550nm，PDG水平为1.75dB。而在1500nm的较短波长下，PDG为0.1dB。对于在相同电流密度下长度为750μm的SOA，在峰值波长从1570nm移动到1520nm时，PDG从2.2dB降低到0.4dB。类似地，对于长度为1500μm的SOA，整个光谱的总体PDG小于2.5dB。值得一提的是，沿着SOA长度，材料增益是变化的，并且不是恒定的。沿着SOA的长度，输入功率越高，材料增益的饱和度就越高。当光进入有源介质（SOA）时，TE和TM模式的材料增益是相同的。由于与TM模式相比，TE模式具有更高的限制因子，因此随着传播，与TM模式相比较，TE的材料增益降低得更快。这意味着，TE模式强度沿着SOA的长度增长得更快，这反过来意味着由于受激发射的增加，载流子密度下降得更快（沿SOA的长度），这意味着与TM模式相比，TE模式的材料增益（作为载流子密度的函数）下降得更快。因此，在SOA长度的末端，TE模式的平均材料增益（沿SOA长度的平均材料增益）小于TM模式的平均物质增益。这种情况对于更高的输入功率更为突出，这往往会更快地使SOA饱和。因此，如果想要使用沿着SOA长度的材料增益的一个值（平均值）来代入方程（2），则TE模式和TM模式的平均材料增益略有不同，因为限制因子不同。基于这些点，还可以使用具有相同尺寸的无应变体有源层来实现在不同波段（例如在O波段）的偏振无关SOA[22]。

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其中，ρASE是ASE功率谱密度，h是普朗克常数，G（λ）是单程增益，nsp是粒子数反转参数，λ是波长。基于这种关系，计算了在电流密度J=6kA/cm2时，300μm、750μm和1500μm三种长度的体SOA的噪声系数。图3显示，通过波长从1500 nm向1600 nm红移，由于粒子数反转参数的改善，噪声系数得到了很大的改善，该参数显示了增益介质中的反转深度。例如，对于在6kA/ cm2电流密度下具有300μm的SOA，通过从1500nm移动到1600nm，NF从11.8dB降低到5.6dB。对于相同电流密度的750μm SOA，NF从1520 nm时的13.5dB降NF从16dB降低到9.7dB。NF的某些波动可归因于自发发射的波动性和随机性。总之，通过将波长从增益峰值红移，噪声系数得到了改善，尽管由于自发发射的随机性而存在一些波动。我们的结果趋势与参考文献中的其他类型的体和量子阱SOA中的NF报告非常一致。[27]，[28]。

我们对偏振相关性作为几个参数的函数进行了广泛的研究，包括范围从-20 dBm到+10 dBm的输入光功率。长度分别为300μm、750μm和1500μm的三种SOA的增益饱和特性如图4所示。如前所述，TE模式增益高于TM模式增益，因为TE模式的限制因子大于TM模式（两种偏振模式的材料增益几乎相同）。对于较低的输入光功率，芯片增益几乎是恒定的；然而，通过增加输入光功率的强度，SOA饱和，并且增益降低。由于TE和TM模式的限制因子不同，饱和功率也不同，通过增加输入功率使PDG更低。请注意，对于小信号增益和低增益饱和，SOA在-20 dBm到+10dBm的高强度范围内以低PDG工作。对于高输入功率，可能的非线性效应可能会降低数据传输性能。

例如，在图4a和4b中，说明了在4kA/cm2和6kA/cm2的两种电流密度下，长度为300μm的SOA的增益和相应的PDG。在-20dBm的输入功率下，4kA/cm2和6kA/cm2偏置电流的增益（PDG）分别为7.05 dB（1.02 dB）和11.45 dB（1.8 dB）。通过将输入功率增加到-10 dBm，增益（PDG）分别降低到6.2 dB（0.8 dB）和10.2 dB（1dB）。对于-20 dBm和10 dBm范围内的输入功率，总PDG小于1.8 dB。

此外，图4c和4d显示了在4kA/cm2和6kA/cm2的两个偏置电流密度下，长度为750μm的SOA的增益和相应的PDG。对于上述电流密度，在-20 dBm的输入功率下的增益（PDG）分别为14.7 dB（3.8 dB）和10 dB（4.6 dB），总体PDG小于1.9 dB。类似地，图4e和4f说明了在相同电流密度下，长度为1500μm的SOA的增益和PDG特性。结果表明，与300μm和750μm长度的SOA相比，PDG和增益具有相似的趋势。在J＝6kA/cm2和J＝4kA/cm2时可以分别获得18.9和13.9的高增益。总体PDG小于2.4 dB。

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对于在光交叉应用的SOA，每级对SOA增益的要求相对适中，通常为10dB增益，以克服芯片上的损耗并起到门的作用[1]，[23]。从图4b、4d和4f，可以看出，对于-20 dBm至+10dBm的光输入功率，不同长度和偏置电流的所有SOA的总PDG小于2.5 dB。因此，通过为体SOA选择适当的长度和偏置电流，可以满足增益和PDG的需求。

3.芯片制造和分析

与无源波导单片集成的SOA外延层的横截面图如图1所示。用Q1.56 InGaAsP的无应变有源（核心）层，外面被Q1.25包层包围。波导的宽度固定在2μm，长度从300μm到1500μm不等。SOA是由SMART Photonics B.V.[20]，[21]提供的标准通用集成平台工艺制造的。首先，使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长如表1中所述的有源层结构，然后用反应离子蚀刻（RIE）和湿化学法在需要的地方留下有源层结构。然后，在[24]、[25]中描述的对接工艺中，通过MOCVD用和Q1.25波导层对这些有源“岛”进行再生长。最后，通过MOCVD，在有源区和无源区的顶部生长P掺杂的顶部包层，之后应用高分辨率光刻和干蚀刻来图案化波导。沉积钝化介电层，并在金属化之前旋涂作为平坦化聚合物。表I中报告了体SOA的设计叠层的细节。它包括层组成、带隙波长（λg）、厚度和掺杂浓度。

表1 SOA层叠组成

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SOA与两个西向和东向的无源浅波导单片集成并连接，如图5所示。与3dB/cm的深波导相比，宽度为2μm的无源浅波导的损耗低于2dB/cm。SMART Photonics使用的通用集成技术中的有源和无源组件的集成是通过所谓的对接工艺中的单片耦合实现的。由此产生的有源-无源耦合具有低耦合损耗（<0.2 dB）和可忽略的反射9×10-5[20]、[24]、[25]。关于无源和有源元件之间的模式匹配，值得一提的是，通过在有源SOA中具有体InGaAsP Q1.56，有效折射率不会发生很大变化。仿真表明，无源元件（有效折射率为3.25）和有源元件（有效折射率为3.28）之间的有效折射率差异很小，约为0.03。此外，存在于有源区中的模式面积为很小的百分比，约为25%，这使得模式匹配条件更加可行。为了减少端面反射，在输入和输出波导处沉积电介质AR涂层。示意图、设计掩模视图和制造结构的图片如图5a-5c所示。

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A.PI SOA：ASE和3dB带宽

测试拓扑如图5d所示。使用连续可调谐激光器作为发光源。偏振控制器（PC）用于设置注入光束的偏振状态。锥形透镜光纤用于在器件输入和输出面处将注入的光耦合到光子芯片中和从光子芯片耦合出。测试中的SOA温度控制在20°C，并通过注入恒定电流进行直流偏置。功率计和光谱分析仪（OSA）分别用于测量功率和收集光谱。

SOA的一个重要特性是放大自发发射（ASE）。通过对SOA进行电偏置，大载流子密度被泵浦到体导带而产生光子。相应地，在SOA的输出处，可以观察到在活性材料带隙周围具有峰值的宽光谱。因此，ASE频谱是获得关于峰值增益、3dB增益带宽和其他特性的有价值信息的关键因素。图6a-e分别显示了长度为1500μm、1000μm、750μm、500μm和300μm的体SOA在不同偏置电流下的ASE光谱。测量中使用的光谱分析仪（OSA）分辨率为0.06nm，没有使用任何平滑方式。由于带填充效应，偏置电流的增加导致ASE光谱的蓝移。对于1500μm长的SOA，随着电流从0.6 kA/cm2增加到4.1 kA/ cm2，增益峰值从1621 nm移动到1585 nm。相应地，ASE峰值功率从-64 dBm增加到-36 dBm。在4.1kA/ cm2以上，SOA的增益等于总损耗（包括AR面），这使得SOA开始发射激光。这可以通过进一步优化AR涂层或使用倾斜的输入和输出波导来避免。对于长度为1000μm（见图6b）和750μm（见图c）的SOA也观察到了相同的趋势。对于长度为750μm的SOA，随着电流从3.3 kA/cm2增加到6.6kA/cm2，峰值功率从-46 dBm移动到-38 dBm，峰值波长从1585nm减小到1568nm。对于具有较低增益的较短SOA，ASE不会通过增加偏置电流而在幅度和波长上显示出任何急剧的偏移。通过增加SOA偏置电流，ASE功率饱和，这对于500μm和300μm的较短SOA更为显著。SOA越长，对于相同的电流密度，SOA峰值增益就越高。对于系统应用，选择具有适当特性的SOA也很重要，例如在适当的偏置电流下的增益谱和波长。因此，研究ASE峰值波长（饱和点附近）如何随SOA长度变化是很重要的。图6f显示了对应于ASE峰值（低于阈值）的波长，作为之前考虑的具有五个不同长度的SOA的腔长的倒数的函数。随着SOA长度从1500μm减小到300μm，ASE峰值波长从1583nm移动到1540 nm。

光谱带宽是SOA的关键特性之一，在系统应用中非常重要。ASE的3dB带宽与SOA长度的倒数如图6f右y轴所示。通过将SOA长度从1500μm减小到300μm，SOA的3dB带宽从35 nm增加到90 nm左右。由于假设电流密度的SOA的平均输出功率是恒定的，因此短SOA和长SOA的（如图6所示）是不同的。因此，在相同的电流密度下，短SOA的BW×功率密度应该与长SOA的相同。因此，SOA越短，3dB频谱带宽就越宽。这些结果与上一节中报告的3dB带宽的仿真结果非常一致。

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B.PI SOA：单程增益和PDG

SOA的另一个关键特性是增益谱特性。由于SOA与无源浅波导单片集成，如图5a和5b所示，为了估计SOA的净增益，应测量无源波导损耗以及光纤到芯片和芯片到光纤的损耗。基于在同一芯片中用作对比测试结构的裸无源波导测量，我们测量了两个面耦合的平均14dB损耗和测试无源波导的无源波导损耗。

长度为1500μm、1000μm、750μm和500μm输入功率为-15dBm的SOA的单通增益（TE增益）的测量光谱如图7所示。通过增加每个SOA的偏置电流，增益谱完全遵循相应电流的ASE形状。此外，我们还观察到增益增加和峰值波长蓝移。另一个重要点是，长度较短的SOA的3dB增益带宽比较长的SOA更宽。例如，对于长度为1500μm和300μm、偏置电流为7kA/ cm2和4.1kA/ cm2的SOA，3dB带宽分别为25nm和86nm。正如预期的那样，对于较短的SOA，增益水平较低。

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图8a-8c说明了长度为1500μm、500μm和300μm的SOA的偏振相关增益（PDG）与波长的关系。对于长度为1500μm的SOA，对于小于4.1 kA/ cm2的电流，所有光谱的PDG都小于3.5dB。对于4kA/ cm2的偏置电流（SOA对于超过4.1kA/ cm2的电流开始发射激光），与3.1kA/ cm2偏置电流相比，PDG更高。在4.1kA/ cm2的偏置电流下，1500um SOA的PDG波动归因于SOA高增益和不完美的AR涂层引起的来自小平面的反射。在增益周围，测量到FSR为0.4nm的小于0.1dB的峰值波纹。结果，考虑到峰值增益处的波纹，由反射条纹引起的PDG变化更高。对于长度为500μm的SOA，在6 kA/ cm2和7 kA/ cm2的偏置电流下的PDG小于<1.5 dB。此外，对于长度为300μm的SOA，在8.3 kA/ cm2的偏置电流密度下（1520 nm至1620 nm），PDG水平小于1.6 dB。在仿真结果中也可以定性地观察到PDG对不同波长的波动行为（参见图3）。此外，关于PDG的另一个重要观察结果是，通过从峰值波长移动到ASE的侧面，PDG水平明显降低。这种行为与仿真一致，是因为通过移动到短波长来减少TE和TM模式限制因子之间的差异。

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C.增益饱和特性

对长度为300μm、500μm、750μm和1000μm的SOA，SOA的增益饱和特性作为输入光功率的函数如图9所示。输入光被耦合到芯片，如图5d所示，通过测量不同长度SOA的输出，计算增益。图9a和9b报告了在电流密度为8.3kA/ cm2和11.6kA/ cm2的情况下，在1550nm处测量的300μm长SOA的增益饱和和PDG与输入光功率的关系。对于8.3kA/ cm2和11.6kA/ cm2的偏置电流，增益在8dB和10dB左右的低输入功率（＜-10dBm）下几乎恒定。通过增加输入功率，SOA增益饱和并降低。对应的PDG与输入功率的关系如图9（b）所示。总体而言，所有输入功率的PDG小于2.1 dB。通常，通过增加偏置电流，PDG增加，并且如图所示，11.6kA/ cm2的PDG水平的平均PDG水平高于8.3kA/cm2。（2）很好地描述了这种行为，其中，通过增加电流，材料增益，结果，PDG增加。在固定波长下，材料增益通过增加偏置电流而增加，使得PDG对于更高的偏置电流更高。此外，在11.6 kA/cm2的电流密度下，将输入功率电平从-20 dBm增加到0 dBm会将PDG电平从1.5 dB降低到0.5 dB，尽管PDG电平存在一些波动。这些结果与图4中报告的仿真结果一致。此外，通过将电流从8.3kA/cm2增加到11.6kA/ cm2，3dB输出饱和功率（峰值增益降低3dB的输出功率）从9.8dBm增加到12.8dBm。

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此外，对于500μm SOA和7kA/ cm2的偏置电流密度，在1557nm处，-20dBm的低输入功率的增益约为12.4dB，所有输入功率的PDG小于2dB。此外，饱和功率约为4.4dBm。

对于长度为750μm、偏置电流密度为7 kA/ cm2（1562 nm）的SOA，净增益（在低输入功率下）为17.6。与其他SOA类似，输入功率越高，增益越低。通过将输入功率增加到-5dBm，SOA增益饱和并降低到14.6dB。相应的3dB输出饱和功率为9.6dBm。此外，通过将输入功率从-20 dBm增加到+5dBm，PDG电平从2.9 dB降低到0.9 dB。

此外，图9g和9h显示了在1580 nm和4kA/cm2的偏置电流密度下，1000μm长度SOA的增益饱和特性和PDG与输入功率的关系。通过将输入功率从-20 dBm增加到+5dBm，SOA增益从11 dB降低到5 dB。-20 dBm时的PDG约为1.8 dB。PDG的某些波动可归因于自发发射的波动。此外，输出饱和功率约为7dBm。

到目前为止，我们已经调查了不同长度的SOA。为了仔细研究SOA特性，并从波长和电流的角度对其进行更多的研究，我们现在将重点放在长度为1500μm的SOA上。如图10a和10b显示了长度为1500μm的SOA的增益和PDG与1588nm波长下的电流密度的关系。透明电流约为2kA/cm2（净增益为0dB），通过将电流增加到4kA/cm2，增益上升到16.6dB。在4kA/cm2时，SOA逐渐饱和，在4.1kA/ cm2时增益为19.5dB。PDG在4.1kA/cm2时也从0.7dB增加到1.83dB。在3.5kA/cm2的电流密度下，PDG为2.1dB，显示出由于自发辐射波动，从而导致一些不需要的残余激光，从而增加PDG。

为了研究不同波长下的增益饱和和PDG特性，我们在ASE峰值周围1588nm和远离峰值1552nm处测量了长度为1500μm的SOA的增益饱和度和PDG。图10c-10d显示了4.1 kA/ cm2电流密度下SOA的增益和PDG曲线，作为输入光功率的函数。如图10c所示，与1552nm相比，1588nm处的SOA增益更高，这是由于ASE光谱的性质，其中与较短的SOA相比，较长SOA的峰值具有红移（参见图6a）。此外，在1588nm和1552nm处的输出饱和功率分别为7.4dBm和3.2dBm。两种波长的测量PDG水平与输入功率的关系如图10d。两种波长的PDG水平趋势与输入功率几乎相同。在1588 nm处，PDG从-20 dBm输入功率时的2 dB降低到+5 dBm左右输入功率时小于1 dB。在1552nm处，对于不同的输入功率，PDG小于1.5dB，并且在+5dBm附近降低到0.5dB。

最后，图10e和10f报告了三种电流密度下，长度为1500μm、1588nm的SOA的增益和PDG与输入功率的关系。通过将电流密度从2.5 kA/ cm2增加到3.1 kA/cm2，在-20dBm的输入功率下的增益从7dB增加到14dB。此外，所有三个电流的PDG电平都小于0.9dB。当电流从2.5kA/ cm2增加到3.1kA/ cm2时，饱和功率从2.5dBm增加到5.15dBm。此外，值得注意的是，通过增加输入功率，PDG电平降低；然而，对于-5dBm以上的较高输入功率，PDG电平略有上升。这种行为也显示在图4b、4d和4f的仿真中。这是因为，在0dBm左右，两种偏振的增益是相同的。通过将功率增加到0dBm以上，TE和TM增益开始再次不同（参见图4a、4c和4e），与仿真结果一致。

这些结果证实了低偏振相关和高净增益操作，使所提出的SOA适合光交换应用。此外，SOA显示出宽增益和低PDG，证实了体SOA可以在从C波段到L波段的宽波长范围内使用。

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4.结论

设计、仿真、制造并测试了与无源波导单片集成的低偏振敏感脊波导体SOA。SOA基于无应变体层，制造工艺简单可靠，使无源有源元件的集成成为可能。仿真结果表明，对于长度为300μm、750μm和1500μm的SOA，所设计的SOA的3dB带宽分别约为65 nm、40 nm和37 nm。此外，基于仿真结果，长度为300μm、750μm和1500μm的SOA的PDG水平在-20 dBm至+10 dBm的输入功率范围内小于2.5 dB。实验结果证实，SOA在0.1dB到3.5dB的范围内抑制了偏振相关增益。此外，对于给定长度的SOA，它们在较低的偏置电流和远离峰值波长的波长下表现出较低的PDG。例如，对于峰值波长下3.1 kA/cm2的电流密度，长度为1500μm的SOA显示出小于0.9 dB的PDG和13.3 dB的增益。通过在相同波长下将电流密度增加到4.1kA/cm2，PDG和增益分别上升到2.5dB和17dB。这些结果与仿真结果非常一致。实验结果表明，尽管增益较低，但SOA对远离ASE峰值的波长具有更低的偏振灵敏度。例如，对于长度为1500μm的SOA，在距离增益峰值波长36nm处，PDG小于1.6dB，增益为12dB。此外，还测量了不同长度SOA的输出饱和功率。结果表明，对于长度为300μm、偏置电流密度为11.6kA/cm2、1550nm的SOA，饱和功率可达12.8dBm。对于峰值波长下长度1500μm的SOA和4.1 kA/ cm2的偏置电流，可以实现7.4 dBm的输出饱和功率。结果表明，所提出的体脊型PI-SOA非常适合与无源波导的共集成，允许在更复杂的光路中使用这些有源组件，如需要有源-无源组件的片上集成的光交叉连接开关和波长选择开关（WSS）。

参考文献

[1] K. Prifti, X. Xue, N. Tessema, R. Stabile, and N. Calabretta, “Loss less photonic integrated add-drop switch node for metro-access networks,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 32, no. 7, pp. 387–390, Apr. 2020.

[2] H. R. Mojaver et al., “8× 8 SOA-based optical switch with zero fiber-to fiber insertion loss,” Opt. Lett., vol. 45, no. 16, pp. 4650–4653, 2020.

[3] N.Parsons and N.Calabretta, “Optical switching for data center networks,” in Springer Handbook of Optical Networks, N. Parsons and N. Calabretta, Eds., Cham, Switzerland: Springer, 2020, pp. 795–825.

[4] V. W. V. S. V. Kotaki, “Semiconductor optical active devices for photonic networks,” Fujitsu Sci. Tech. J., vol. 35, no. 1, pp. 100–106, 1999.

[5] S.Tanaka et al., “Monolithically integrated 8:1 SOA gate switch with large extinction ratio and wide input power dynamic range,” IEEE J. Quantum Electron., vol. 45, no. 9, pp. 1155–1162, Sep. 2009.

[6] M.Itoh, Y.Shibata, T.Kakitsuka, Y.Kadota, H.Sugiura, and Y.Tohmori, “Amplifying characteristics of 1.55-µm polarization-insensitive SOAs with MQW and strained-bulk active layers for device application,” J. Lightw. Technol., vol. 24, no. 3, 2006, Art. no. 1478.

[7] C. Michie, A. E. Kelly, J. McGeough, I. Armstrong, I.Andonovic, and C.Tombling, “Polarization-insensitive SOAs using strained bulk active regions,” J. Lightw. Technol., vol. 24, no. 11, pp. 3920–3927, 2006.

[8] K. Morito, M. Ekawa, T. Watanabe, and Y. Kotaki, “High-output-power polarization-insensitive semiconductor optical amplifier,” J. Lightw. Tech nol., vol. 21, no. 1, pp. 176–181, 2003.

[9] M. Itoh, Y. Shibata, T. Kakitsuka, Y. Kadota, and Y. Tohmori, “Polarization-insensitive SOA with a strained bulk active layer for network device application,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 14, no. 6, pp. 765–767, Jun. 2002.

[10] P. Koonath, S. Kim, W. J. Cho, and A. Gopinath, “Polarization-insensitive quantum-well semiconductor optical amplifiers,” IEEE J. Quantum Electron., vol. 38, no. 9, pp. 1282–1290, Sep. 2002.

[11] D. Tishinin, K. Uppal, I. Kin, and P. D. Dapkus, “1.3-µm polarization insensitive amplifiers with integrated-mode transformers,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 9, no. 10, pp. 1337–1339, Oct. 1997.

[12] J.E.N kantaetal., “Low polarization-sensitive asymmetric multi-quantum well semiconductor amplifier for next-generation optical access networks,” Opt. Lett., vol. 38, no. 16, pp. 3165–3168, 2013.

[13] P. Cinguino et al., “InGaAs/InGaAs tensile-strained-barrier MQW structures for optical amplifiers,” in Proc. 8th Int. Conf. Indium Phosphide Related Mater., 1996, pp. 184–187.

[14] A. R. Zali, R. Stabile, and N. Calabretta, “Low polarization dependent MQW semiconductor optical amplifier with tensile-strained-barrier design for optical datacom and telecom networks,” in Proc. 22nd Int. Conf. Transparent Opt. Netw., 2020, pp. 1–4. [15] K. Magari, M. Okamoto, Y. Suzuki, K. Sato, Y. Noguchi, and O. Mikami, “Polarization-insensitive optical amplifier with tensile-strained-barrier MQW structure,” IEEE J. Quantum Electron., vol. 30, no. 3, pp. 695–702, Mar. 1994.

[16] A. E. Kelly et al., “High-performance semiconductor optical amplifier modules at 1300 nm,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 18, no. 24, pp. 2674–2676, Dec. 2006.

[17] C. Holtmann, P. A. Besse, T. Brenner, and H. Melchior, “Polarization independent bulk active region semiconductor optical amplifiers for 1.3 µm wavelengths,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 8, no. 3, pp. 343–345, Mar. 1996.

[18] C. Holtmann, P. A. Besse, T. Brenner, R. Dall’Ara, and H. Melchior, “Polarization insensitive bulk ridge-type semiconductor optical Amplifiers at 1.3 µm wavelength,” in Proc. Opt. Amplifiers Appl., 1993, SUB2. pp 8–11.

[19] A.R.Zali, R.Stabile, and N. Calabretta, “Design and analysis of polarization insensitive bulk SOA working in O-band and integrable with passive elements,” in Proc. CLEO Sci.Innov., 2021, pp. 1–2.

[20] L. M. Augustin et al., “InP-based generic foundry platform for photonic integrated circuits,” IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron., vol. 24, no. 1, pp. 10, Jan./Feb. 2018.

[21] M. Smit, K. Williams, and J. van der Tol, “Past, present, and future of inp-based photonic integration,” APL Photon., vol. 4, no. 5, 2019, Art. no. 050901.

[22] A. R. Zali, S. Kleijn, L. Augustin, R. Stabile, and N. Calabretta, “Low polarization sensitive semiconductor optical amplifier Co-integrated with passive waveguides for optical datacom and telecom networks,” in Proc. 22nd Eur. Conf. Integr. Opt., 2020, pp. 1–3.

[23] A. R. Zali et al., “InP monolithically integrated 1×8 broadcast and select polarization insensitive switch for optical switching systems,” in Proc. CLEO Sci. Innov., 2021, STu2Q.7. pp. 1–2.

[24] J. J. M. Binsma, M. Van Geemert, F. Heinrichsdorff, T. Van Dongen, R. G. Broeke, and M. K. Smit, “MOVPE waveguide regrowth in In GaAsP/InP with extremely low butt joint loss,” in Proc. IEEE/LEOS Symp., 2001, pp. 245–248.

[25] Y.Barbarin, E.A.J.M.Bente, C.Marquet, E.J.S.Leclere, J.J.M.Binsma, and M.K.Smit, “Measurement of reflectivity of butt-joint active-passive interfaces in integrated extended cavity lasers,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 17, no. 11, pp. 2265–2267, Nov. 2005.

[26] Y. Yamamoto and K. Inoue, “Noise in amplifiers,” J. Lightw. Technol., vol. 21, no. 11, pp. 2895–2915, 2003.

[27] S. Tanaka, A. Uetake, S. Yamazaki, M. Ekawa, and K. Morito, “Polarization-insensitive gainnas–gainas MQW-SOA with low noise figure and small gain tilt over 90-nm bandwidth (1510–1600 nm),” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 20, no. 15, pp. 1311–1313, ’ Aug. 2008.

[28] S.Tanaka and K.Morito, “Experimental analysis of internal optical losses in polarization-insensitive semiconductor optical amplifiers,” Appl. Phys. Lett., vol. 97, no. 26, 2010, Art. no. 261104.

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