引言

為了更好的理解SOA的特性，見合八方近期將會發布【SOA仿真】系列文章。

SOA的仿真，通常離不開載流子速率方程、傳輸方程、以及增益方程這三大方程，本文根據增益方程分析行波半導體光放大器TW-SOA的增益飽和特性。

關鍵詞

半導體光放大器SOA、增益、小信號增益、增益飽和、仿真

1.增益方程

對行波半導體光放大器，示意圖如下（圖1）。

當光和偏置電流注入半導體光放大器時，SOA的有源區的增益會發生變化，放大器增益G(線性)可通過以下公式計算得出，對公式推導感興趣的詳見附錄或文獻[1]：

其中G0為增益峰值波長處的小信號增益（對某個特定偏置電流，該值為常數），Pout為輸出光功率，Psat為飽和光功率（同樣的，對某個特定偏置電流，其也是常數），公式中均為線性單位。

2.仿真

可以看出，公式1是指數方程，因此可采用迭代法求解，具體如下：

第一步：設置參數

我們以見合八方C+L波段寬譜半導體光放大器（型號為JSA-BT5615G25）為例進行仿真，以驗證仿真效果。根據其彩頁中的數據設定Psat和G0，如圖2所示（半導體光放大器SOA-天津見合八方-產品系列）
，在這里，我們選取Ibias=250mA時的數據，G0(dB)≈29dB，Psat_out(dBm)≈8.5dBm，Pout(dBm)設定取值范圍-10dBm~12dBm。為通過公式1進行計算，我們將所有對數參數轉換為線性值。

Python代碼：

第二步：迭代求解增益方程

根據公式1給出的增益方程，針對不同的Pout取值，求解對應的G。

1.設置G的初始值為G0；

2.將G代入增益方程，求得新的New_G值；

3.比較New_G和G值，判斷是否收斂，本仿真采用判決方法為|New_G-G|<1E-6；

4.如收斂則中止迭代，否則將G=New_G，重復步驟2。

Python代碼：

第三步：繪制仿真增益曲線

將所有計算結果重新轉換為我們習慣的對數坐標，繪制增益曲線（圖3）可以發現，與圖2中的實測增益曲線相比，曲線重合度較高，并觀察到了增益飽和特性（文獻[2]）。

Python代碼：

3.結果

由仿真結果可知，在半導體光放大器達到飽和狀態之前，輸出功率與輸入功率呈線性增長關系；當半導體光放大器達到飽和狀態后，有源區的載流子會逐漸耗盡，進而導致放大器增益下降。

本文對SOA增益飽和特性進行了初步仿真，后續我們還會對增益相關特性做進一步仿真。

附錄.增益方程推導

增益方程的公式推導主要參考文獻[1]，具體如下：

根據增益G的定義，有如下公式：

其中Pin和Pout分別是SOA的輸入和輸出光功率。

小信號輸入時：

在小輸入信號（Pin較小時），有下面公式：

其中gT為凈增益系數，單位為m-1，代表波導單位長度的放大倍數。由公式3可得到：

其中G為SOA的總增益，L為有源區波導總長度。

飽和輸入時：

當Pin較大時，此時載流子大量消耗，進而導致增益降低，增益飽和，此時公式3修正為：

其中Ps是一個與飽和光功率Psat相關的參數（見后面的公式），由公式5可得到：

其中G0是最大增益（增益峰值波長處的小信號增益）。我們知道飽和輸出光功率Psat_out的定義是當增益降低為小信號增益的一半時G=G0/2（如以對數來衡量時，對應降低3dB）的輸出光功率，代入公式6得到：

將公式7帶入公式6，可得到增益方程（公式1）。

參考文獻

[1] Niloy K. Dutta and Qiang Wang, “Semiconductor Optical Amplifiers,”Hackensacks, NJ: World Scientific Publishing Company, 2006.

[2]王光全，沈世奎，王偉，曾志超等，“半導體光放大器SOA技術與應用白皮書”，2024版

天津見合八方光電科技有限公司，是一家專注國產半導體光放大器SOA研發和生產的高科技企業，目前已推出多款半導體光放大器SOA產品(850nm,1060nm,1270nm,1310nm, 1550nm,1625nm)以及增益芯片RSOA產品(850nm,1310nm,1550nm)，公司已建立了萬級超凈間實驗室，擁有較為全面的光芯片的生產加工、測試和封裝設備，并具有光芯片的混合集成微封裝能力。目前公司正在進行NLL/ECL+SOA的混合集成器件、大功率SOA器件的研發工作，并可對外承接各種光電器件測試、封裝和加工服務。