美國西北大學(xué)侯振宇團隊開(kāi)發(fā)新型高功率半導體放大器

　　半導體光放大器(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(xué)應用中對光信號進(jìn)行放大的一種子系統產(chǎn)品。光放大器的原理基本上是基于激光的受激輻射，通過(guò)將泵浦源的能量轉變?yōu)樾盘柟獾哪芰繌亩鴮?shí)現放大作用。泵浦的類(lèi)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(lái)，已經(jīng)極大的改變了光纖通信工業(yè)，是直接導致20世紀末互聯(lián)網(wǎng)爆炸(通常所說(shuō)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)(例如波分復用)已經(jīng)可以極大滿(mǎn)足錦旗和未來(lái)的帶寬需求。相對而言，半導體放大器技術(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(zhù)新一波的可穿戴式及物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟的發(fā)展，越來(lái)越多的探測器，感應器，小型低功率電子元件受到越來(lái)越多的關(guān)注。比如最新Apple Watch中心律感應器就是基于LED光技術(shù)的。在這些光電元件中，半導體放大器技術(shù)起到了舉足輕重的作用。新型半導體放大器對于實(shí)現相應元件的小型化，低能耗，高效率都是至關(guān)重要的。

　　半導體光放大器的工作原理是由驅動(dòng)電流將半導體載流子轉化為反轉粒子，使得注入種子光幅度放大，并保持注入種子光的偏振、線(xiàn)寬和頻率等基本物理特性。隨著(zhù)工作電流的增加，輸出光功率也成一定函數關(guān)系增長(cháng)。目前最常見(jiàn)和成熟的技術(shù)有直波導半導體光放大器和寬波導半導體放大器。其中直波導半導體放大器是利用傳統的直波導結構，通過(guò)優(yōu)化與光傳播方向垂直方向上的結構來(lái)實(shí)現高增益。常見(jiàn)的技術(shù)有應變單量子阱激光放大器(SQW)等。這種光放大器的缺點(diǎn)是其等效光學(xué)孔徑(Aperture)小所以易收到災變光學(xué)鏡面損傷(Catastrophic Optical Damage COD)的局限因而無(wú)法做到高功率。相對而言寬波導半導體放大器擴大了等效光學(xué)孔徑所以不容易受到災變光學(xué)鏡面損傷的局限。這里面最常見(jiàn)的一種是基于錐型幾何結構的光放大器。這種光放大器在對光進(jìn)行增益的同時(shí)擴大光學(xué)孔徑從而避免災變光學(xué)鏡面損傷，但它的缺點(diǎn)是常常受到成絲現象(Filamentation)干擾，光束成多模，導致光學(xué)質(zhì)量通常不高。另外一種常見(jiàn)的是陣列激光放大器(Phased-array laser)。它利用多個(gè)直波導半導體放大器的陣列，通過(guò)光聚合來(lái)實(shí)現功率的增加。但是這種結構的缺點(diǎn)是需要外部光學(xué)部件來(lái)實(shí)現光聚合所以無(wú)法做到小型化。

　　美國西北大學(xué)(Northwestern University，Evanston)的侯振宇博士和他的同事最近開(kāi)發(fā)出一種新型的半導體光學(xué)放大器(Semiconductor Optical Amplifier SOA)技術(shù)克服了以上傳統光放大器的缺點(diǎn)。這個(gè)技術(shù)的核心是利用了一種曲面反射器(Curved Reflector)結構實(shí)現對光集成電路光波導內光束的自由控制，從而方便靈活的構建所需要的半導體放大器幾何結構。通過(guò)對曲面反射器幾何結構的精確控制，集成光束可以在極小的空間內實(shí)現極大的擴束，通過(guò)增益介質(zhì)后又可以通過(guò)曲面反射器實(shí)現光聚合，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(shí)由于設計的靈活性，增益介質(zhì)可以設計成任何結構，從而有普適性好的特點(diǎn)。通過(guò)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結構的曲面反射器半導體放大器(CR-SOA)上實(shí)現了~1W的輸出功率(圖2)。

　　這項技術(shù)在光學(xué)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，虛擬現實(shí)技術(shù)的發(fā)展將會(huì )起到重要的推動(dòng)作用。關(guān)于這項技術(shù)更詳細的討論會(huì )在后續文章中介紹。

　　圖1. 曲面反射器和增益介質(zhì)集成的簡(jiǎn)圖

　　圖2. 曲面反射器半導體放大器實(shí)現高功率輸出

　　關(guān)于作者

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