光电子集成波导放大器简介

逍遥设计自动化

引言

1 c/ H( m" s6 O在快速发展的光电子系统领域中，光放大器是实现高效信号传输和处理的核心组件。作为新兴技术，掺铒波导放大器（EDWAs）结合了传统光纤放大器的优势和现代集成光电子技术的要求，展现出独特的技术优势。
光放大基本原理

光放大的基础是受激辐射原理。在这一过程中，入射光子与处于激发态的电子相互作用，促使电子跃迁至低能级，同时释放出与原入射光子具有相同波长、偏振和动量特性的新光子。实现光放大需要建立粒子数反转，即使更多电子处于激发态而非低能级状态。这个过程需要精确控制能级状态和载流子动态特性。

载流子寿命对放大性能有显著影响。在半导体系统中，载流子寿命通常在纳秒量级，快速的载流子损耗会导致动态增益效应，如图案依赖性和放大自发辐射（ASE）增强。这些效应会造成信号失真并提高噪声系数。相比之下，基于稀土离子的系统具有毫秒量级的载流子寿命，可提供更稳定的放大效果和更低的噪声特性。较长的寿命有助于维持粒子数反转，在不同信号条件下提供更一致的增益。
光放大器技术演进

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图1：商用EDFA的不同形态配置：机架式、微型EDFA（35 x 20 x 5 mm3）和可插拔式格式。

6 b9 R; Q. C, F1 [; m* G掺铒光纤放大器（EDFAs）已成为长距离光通信网络的主要解决方案。通过精心设计的掺铒光纤段，这类放大器在C波段（1525–1565 nm）和L波段（1565–1625 nm）展现出卓越的信号保真度。EDFAs采用sophisticated泵浦方案，使用980 nm或1480 nm激光器。980 nm泵浦通过将铒离子激发到更高能级来实现优异的噪声性能，而1480 nm泵浦则通过直接激发到亚稳态提供更高的功率效率。

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: Q& s7 t# @( f) n7 ?! T图2：商用SOA示例，展示封装器件和晶圆键合格式（1 x 2 mm2尺寸）。

/ x( d; t% R- ]! W; B: z半导体光放大器（SOAs）在集成能力方面取得重要进展。这类器件采用III-V族化合物半导体（主要是GaAs和InP）制造，可在850 nm到1600 nm的宽波长范围内工作。SOAs通过对半导体增益介质进行直接电泵浦来实现放大，产生的电子-空穴对重组来放大入射信号。虽然紧凑的尺寸和电气操作为集成系统提供显著优势，但载流子引起的非线性效应和偏振敏感性限制了其性能。
EDWA技术革新

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$ z; e/ r0 s& Z. q4 i图3：EDWA器件的技术示意图，显示集成的激光二极管、功率合路器、隔离器和放大器部分。
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掺铒波导放大器（EDWAs）通过在平面波导结构中实现掺铒增益介质，带来技术突破。这类器件采用先进制造工艺，创建精确控制的掺铒波导结构。Al?O?:Er3?技术的最新发展取得显著成果，器件实现了3.9 × 102?离子/cm3的铒浓度，并在使用双向1480 nm泵浦时在1532 nm波长处获得超过30 dB的内部净增益。
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图4：Aluvia公司PIC-EDWA技术相对于EDFA和SOA的性能指标和尺寸优势对比。
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& ?' n" m% L' y# ^EDWAs的技术进步在输出性能方面尤为显著。最新实现的器件在仅12.9厘米长的波导中就达到10.2至13.6 dBm的片上输出功率。这些器件保持优异的噪声特性，噪声系数低至5.6 dB，接近掺铒放大器的理论极限。基于氮化硅的EDWA实现进一步提升性能边界，展示出145 mW（21.6 dBm）的输出功率，同时保持超过30 dB的小信号内部增益。
制造工艺与集成进展
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' A( r; Z& Y3 [" _6 l% l# J现代EDWA制造技术在多个方面取得重大突破：
低损耗波导研发：先进材料如氧化铝和氮化硅在1550nm波长处实现1-5 dB/m的低损耗，这些技术已通过成熟代工工艺实现规模化生产。
' K! ?. I+ ?' ?* w8 X0 ]$ j精密掺杂技术：共溅射和离子注入方法可精确控制掺杂浓度达到102?离子/cm3，远高于传统掺杂光纤。这种高浓度掺杂显著减小了波导尺寸。
; g4 l# a4 T. [1 [( Z# G% y* \* F泵浦激光器集成：采用倒装芯片技术，在300mm硅基光电子晶圆上实现InP基泵浦激光器的高通量集成。这种方法实现了精确的后键合对准和高效的光耦合到无源波导。稳健的键合和热管理技术确保稳定性能。
# X6 g5 c5 T- u+ O; @" V应用领域与技术发展
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0 Y( b0 @0 [0 \. f' p9 `4 KEDWAs在多个领域展现广泛应用价值：
$ b' z8 p  w; l6 a' {7 t相干光收发器中，EDWAs支持太比特级的相干传输。最新研究表明，使用EDWA作为增益放大器，16个WDM信道可在81公里单模光纤上实现25.6 Tb/s的净容量，跨越C波段3.2 THz频率范围。每个信道承载170-GBaud信号，采用200 GHz WDM栅格，性能与使用EDFA的最新实验室演示相当。
集成激光光源应用包括：高功率孤子微梳、低噪声稀土离子基连续激光器、飞秒锁模激光器和腔孤子激光器。这些应用充分利用了EDWA的低噪声和高增益特性。
: o9 Z( L3 T+ c+ ^波长范围扩展：EDWAs技术已经成功应用于多个波长区域：
C波段和L波段：使用Er3+实现放大
$ L$ A1 p: T; G! p/ c( {9 e1000nm波段：利用Yb3+和Nd3+
- |+ u! X* l- i8 I1 D" W* k* B3 l2000nm波段：采用掺铥（Tm3+）配置，在硅基光电子平台上实现瓦级高功率输出
! R# C# T( y* a- HO波段：通过Nd3+掺杂实现
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, Q3 {" X- a7 b图5：位于特温特大学高科技工厂的Aluvia光电子设施，展示先进制造能力。
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* t$ i4 S, l" TEDWA技术的综合进步，结合改进的制造工艺和扩展的应用领域，使这类器件在集成光电子技术发展中占据重要地位。高性能与微型化的结合特别适合下一代光通信系统和光量子技术应用。
参考文献
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[1] Aluvia Photonics, "PIC-EDWAs: Compact and Scalable Amplification Solutions for Integrated Photonics," White Paper, SPIE Photonics West, Feb. 2025.
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9 V/ H) y+ P8 S% _* }& c( i软件试用申请欢迎光电子芯片研发人员申请试用PIC Studio,其中包含：代码绘版软件PhotoCAD，DRC软件pVerify，片上链路仿真软件pSIM，光纤系统仿真软件pSIM+等。更多新功能和新软件将于近期发布，敬请期待！
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7 E6 I, G3 g" N. a' q( b2 W深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
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