什么是光譜紋波

我們在SOA/RSOA/SLD的ASE（放大的自發輻射）光譜測試中，經常會觀察到光譜中有周期性的變化，通常我們稱之為紋波。在實際應用中，我們大多不希望這些紋波的存在。

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ASE光譜紋波與增益紋波的區別

在SOA/RSOA的使用時，ASE光譜比較容易測量，增益譜測量則比較復雜。圖2是我們對同一個SOA器件做的ASE譜和增益譜的對比測試（注：增益譜中的快速變化是測量誤差），可以看到增益譜的紋波與ASE譜的紋波波形和周期一致，但增益譜紋波明顯小于ASE譜紋波，圖2中ASE紋波約為2dB，增益譜紋波0.2dB。盡管幅度差異較大，但由于ASE光譜測量的簡便性，我們仍可以使用ASE譜紋波來快速評估增益譜紋波。

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紋波產生

紋波與端面反射率及增益直接相關。激光振蕩條件為（GsR）2=1，其中Gs為單程增益，R代表端面反射率，為了避免激光振蕩，應盡可能減少光反射回有源區域，如果反射率不夠低，則在增益譜中會觀察到紋波。

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如上面公式，紋波深度m是前后端面反射率R1,R2和單程增益Gs的函數。例如，當R1和R2為10-4，Gs為20dB時，m=0.09dB。根據公式，減小紋波的方法就是減少增益和端面反射率。使用SOA時則可通過減小偏置電流方式來減小增益，但通常的應用中，我們需要較高的增益，因此在實際設計中，就只有一個方式就是盡可能減少端面反射率，通常需要<10-4。

除了芯片本身的端面發射外，芯片的封裝，以及SOA的使用不當也會帶來紋波或激射。

紋波抑制方法

1.芯片設計

SOA設計中一定要盡量減少光反射到有源區域，通常應<10-5。如果反射率不夠低，則在增益譜中會觀察到紋波。當紋波深度大于3dB時，此時通常被稱為FP光放大器。盡管腔諧振可以增強小信號增益，但端面反射通常會影響SOA的性能。諧振波長的波動導致信號增益的變化。此外，過大的端面反射率會降低載流子密度、增益帶寬和輸出飽和功率，并提高噪聲系數。

有多種芯片設計方法可以減少腔體諧振，這些方法相互組合可以實現更低反射率。

1)在芯片端面上使用抗反射涂層ARC，當具有適當厚度和折射率的介電材料層沉積到器件面上時，會形成濾光，適當設計的多層AR涂層可以在較寬的帶寬上產生低至10-3的反射率。ARC涂層同樣可以降低耦合輸入損耗，并改善噪聲系數。

2)傾斜有源波導，使得光被反射遠離有源區。Zah等人在1987年首次采用了斜波導，角度通常在5°到10°之間，與偏振無關，可以在大波長范圍內將反射率降低10-4以下。隨著傾角的增加，遠場不對稱性開始降低與光纖的耦合效率。因此，最佳傾斜角度在7-10度之間。

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1)使用錐形波導變細或使用窗口區域（即在端面之前終止波導），以便使模式輪廓擴展。以這種方式，僅光場的少部分被反射回有源區域。

在商用品中，通常采用斜波導和AR涂層組合的方式，這既降低了涂層公差要求，又確保了10-5量級的低反射率，以確保增益波紋保持在1dB以下。

2.封裝設計

封裝中避免光路中的反射可減少封裝帶來的紋波效應，耦合時注意避免在芯片、透鏡、準直器、隔離器、光纖端面上形成FP腔，芯片和透鏡等應鍍有對應波長的增透膜。

3.SOA的使用

在SOA使用的光路搭建中，通常增加光隔離器或濾波器來避免反射，如下圖所示。

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一個紋波問題分析實例

（摘自華萊光電公眾號）

從下圖實測的VCSEL光譜圖來看，主峰包絡上出現了明顯的周期性調制結構（干涉條紋樣的波動），這是典型的干涉條紋疊加現象。

【觀察特征】

·測量范圍為 1.0 nm（從 1541.726 nm 到 1542.726 nm）?

·中心波長約 1542.2 nm?

·在主峰頂和左右邊沿區域均有周期性振蕩調制?

·周期約為 0.1 nm

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【可能成因分析】

光路中存在反射面干涉（最常見）

如：光纖端面? VCSEL 芯片 ? 透鏡等形成虛擬 Fabry-Pérot 腔。

【成因可能】

①光路中存在多余反射面，形成干涉腔

·如 VCSEL 芯片與 collimator、尾纖、連接器、測試光纖末端之間形成虛擬 FP腔

·多個面之間的微小反射疊加會導致拍頻干涉（modulation on envelope）

·用之前公式估算（周期≈ 0.1 nm）

·條紋周期 Δλ 與腔長 L 的關系：

Δλ≈λ2/(2nL)

例如波長為 1542 nm，干涉周期為 0.1 nm，計算可得腔長約：

L=λ2/(2nΔλ )=15422/(2*1.45*0.1)≈8.2mm

·表明可能是光纖、準直透鏡之間，或是器件封裝內的反射造成的。

·表明這個調制來自一個約 8 mm 的光學路徑反射腔，很可能是光纖端面 ? 激光器? collimator 之間。

?

②VCSEL結構本身的腔內多模干涉

·如果是多縱模激射，也可能產生頻譜上的拍頻調制。

·但這種調制往往在頻率上不這么規律、對稱，圖中更像是外腔干涉造成的清晰周期結構。

?

③測試平臺反射干擾

·光譜儀輸入端或尾纖反射回波造成反饋干涉。

特別是若使用FC/PC 連接器，建議用 FC/APC 斜面尾纖進行驗證。

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【總結判斷】

從圖上看，干涉條紋清晰、等間距、周期性良好，更傾向于是測量系統中的 FP 反射形成的干涉條紋，不是激光器本身的固有模式結構，而是外腔干涉造成的調制現象，源頭可能是尾纖、準直透鏡與器件之間形成了反射腔。優化耦合光路（隔離+斜面+減少反射面）后再測，基本可以消除這個條紋調制。

注：本文由天津見合八方光電科技有限公司挑選并翻譯，旨在推廣和分享相關半導體光放大器SOA基礎知識，助力SOA技術的發展和應用。特此告知，本文系經過人工翻譯而成，雖本公司盡最大努力保證翻譯準確性，但不排除存在誤差、遺漏或語義解讀導致的不完全準確性，建議讀者閱讀原文或對照閱讀，也歡迎指出錯誤，共同進步。