美國西北大學侯振宇團隊開發(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應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聯(lián)技術(例如波分復用)已經(jīng)可以極大滿足錦旗和未來的帶寬需求。相對而言，半導體放大器技術的發(fā)展在十幾年以前發(fā)展的比較緩慢，相關研究也比較有限。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，感應器，小型低功率電子元件受到越來越多的關注。比如最新Apple Watch中心律感應器就是基于LED光技術的。在這些光電元件中，半導體放大器技術起到了舉足輕重的作用。新型半導體放大器對于實現(xiàn)相應元件的小型化，低能耗，高效率都是至關重要的。

　　半導體光放大器的工作原理是由驅動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)關系增長。目前最常見和成熟的技術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(tǒng)的直波導結構，通過優(yōu)化與光傳播方向垂直方向上的結構來實現(xiàn)高增益。常見的技術有應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。相對而言寬波導半導體放大器擴大了等效光學孔徑所以不容易受到災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構的光放大器。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)。它利用多個直波導半導體放大器的陣列，通過光聚合來實現(xiàn)功率的增加。但是這種結構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)出一種新型的半導體光學放大器(Semiconductor Optical Amplifier SOA)技術克服了以上傳統(tǒng)光放大器的缺點。這個技術的核心是利用了一種曲面反射器(Curved Reflector)結構實現(xiàn)對光集成電路光波導內(nèi)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(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。通過這項技術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)上實現(xiàn)了~1W的輸出功率(圖2)。

　　這項技術在光學通訊(Optics Communications)等國際知名期刊上發(fā)表，并且收到了廣泛的關注。這項技術對于新經(jīng)濟中炙手可熱的前沿科技例如是可穿戴式，虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展將會起到重要的推動作用。關于這項技術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. 曲面反射器半導體放大器實現(xiàn)高功率輸出

　　關于作者

　　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。