美國西北大學侯振宇團隊開發(fā)新型高功率半導(dǎo)體放大器

　　半導(dǎo)體光放大器(Semiconductor Optical Amplifier)是光放大器的一種。光放大器是在光通信或者其他光學應(yīng)用中對光信號進行放大的一種子系統(tǒng)產(chǎn)品。光放大器的原理基本上是基于激光的受激輻射，通過將泵浦源的能量轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘柟獾哪芰繌亩鴮崿F(xiàn)放大作用。泵浦的類別主要有光泵浦和電泵浦。目前研究比較廣泛的光放大器是光纖放大器。它使用的泵浦是光泵浦。光纖放大器自從1990年代商業(yè)化以來，已經(jīng)極大的改變了光纖通信工業(yè)，是直接導(dǎo)致20世紀末互聯(lián)網(wǎng)爆炸(通常所說的”dot com”)的原因之一。然而，光纖放大器技術(shù)自此之后發(fā)展緩慢，部分原因是因為光纖通信所能夠提供的帶寬以及關(guān)聯(lián)技術(shù)(例如波分復(fù)用)已經(jīng)可以極大滿足錦旗和未來的帶寬需求。相對而言，半導(dǎo)體放大器技術(shù)的發(fā)展在十幾年以前發(fā)展的比較緩慢，相關(guān)研究也比較有限。但是隨著新一波的可穿戴式及物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟的發(fā)展，越來越多的探測器，感應(yīng)器，小型低功率電子元件受到越來越多的關(guān)注。比如最新Apple Watch中心律感應(yīng)器就是基于LED光技術(shù)的。在這些光電元件中，半導(dǎo)體放大器技術(shù)起到了舉足輕重的作用。新型半導(dǎo)體放大器對于實現(xiàn)相應(yīng)元件的小型化，低能耗，高效率都是至關(guān)重要的。

　　半導(dǎo)體光放大器的工作原理是由驅(qū)動電流將半導(dǎo)體載流子轉(zhuǎn)化為反轉(zhuǎn)粒子，使得注入種子光幅度放大，并保持注入種子光的偏振、線寬和頻率等基本物理特性。隨著工作電流的增加，輸出光功率也成一定函數(shù)關(guān)系增長。目前最常見和成熟的技術(shù)有直波導(dǎo)半導(dǎo)體光放大器和寬波導(dǎo)半導(dǎo)體放大器。其中直波導(dǎo)半導(dǎo)體放大器是利用傳統(tǒng)的直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化與光傳播方向垂直方向上的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高增益。常見的技術(shù)有應(yīng)變單量子阱激光放大器(SQW)等。這種光放大器的缺點是其等效光學孔徑(Aperture)小所以易收到災(zāi)變光學鏡面損傷(Catastrophic Optical Damage COD)的局限因而無法做到高功率。相對而言寬波導(dǎo)半導(dǎo)體放大器擴大了等效光學孔徑所以不容易受到災(zāi)變光學鏡面損傷的局限。這里面最常見的一種是基于錐型幾何結(jié)構(gòu)的光放大器。這種光放大器在對光進行增益的同時擴大光學孔徑從而避免災(zāi)變光學鏡面損傷，但它的缺點是常常受到成絲現(xiàn)象(Filamentation)干擾，光束成多模，導(dǎo)致光學質(zhì)量通常不高。另外一種常見的是陣列激光放大器(Phased-array laser)。它利用多個直波導(dǎo)半導(dǎo)體放大器的陣列，通過光聚合來實現(xiàn)功率的增加。但是這種結(jié)構(gòu)的缺點是需要外部光學部件來實現(xiàn)光聚合所以無法做到小型化。

　　美國西北大學(Northwestern University，Evanston)的侯振宇博士和他的同事最近開發(fā)出一種新型的半導(dǎo)體光學放大器(Semiconductor Optical Amplifier SOA)技術(shù)克服了以上傳統(tǒng)光放大器的缺點。這個技術(shù)的核心是利用了一種曲面反射器(Curved Reflector)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對光集成電路光波導(dǎo)內(nèi)光束的自由控制，從而方便靈活的構(gòu)建所需要的半導(dǎo)體放大器幾何結(jié)構(gòu)。通過對曲面反射器幾何結(jié)構(gòu)的精確控制，集成光束可以在極小的空間內(nèi)實現(xiàn)極大的擴束，通過增益介質(zhì)后又可以通過曲面反射器實現(xiàn)光聚合，從而極大的提高了空間利用率，并提高輸出功率(如圖1)。同時由于設(shè)計的靈活性，增益介質(zhì)可以設(shè)計成任何結(jié)構(gòu)，從而有普適性好的特點。通過這項技術(shù)侯振宇博士和他的同事成功的在小于1mm尺寸的InGaAsP結(jié)構(gòu)的曲面反射器半導(dǎo)體放大器(CR-SOA)上實現(xiàn)了~1W的輸出功率(圖2)。

　　這項技術(shù)在光學通訊(Optics Communications)等國際知名期刊上發(fā)表，并且收到了廣泛的關(guān)注。這項技術(shù)對于新經(jīng)濟中炙手可熱的前沿科技例如是可穿戴式，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展將會起到重要的推動作用。關(guān)于這項技術(shù)更詳細的討論會在后續(xù)文章中介紹。

　　圖1. 曲面反射器和增益介質(zhì)集成的簡圖

　　圖2. 曲面反射器半導(dǎo)體放大器實現(xiàn)高功率輸出

　　關(guān)于作者

　　侯振宇博士，現(xiàn)就職于阿斯麥公司(ASML)美國分公司擔任高級工程師職位。他擁有美國西北大學電子工程博士和碩士學位，以及北京大學物理學學士學位。他的研究方向包括光電器件，數(shù)值模擬計算，圖像識別，機器學習等。