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侯振宇博士，阿斯麥公司(ASML)

半導(dǎo)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(yīng)用中對光信號進(jìn)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(zhuǎn)變?yōu)樾盘柟獾哪芰繌亩鴮?shí)現(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(dǎo)致20世紀(jì)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(shù)自此之后發(fā)展緩慢，部分原因是因?yàn)楣饫w通信所能夠提供的帶寬以及關(guān)聯(lián)技術(shù)（例如波分復(fù)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(dǎo)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。但是隨著新一波的可穿戴式及物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的探測器，感應(yīng)器，小型低功率電子元件受到越來越多的關(guān)注。比如最新Apple Watch中心律感應(yīng)器就是基于LED光技術(shù)的。在這些光電元件中，半導(dǎo)體放大器技術(shù)起到了舉足輕重的作用。新型半導(dǎo)體放大器對于實(shí)現(xiàn)相應(yīng)元件的小型化，低能耗，高效率都是至關(guān)重要的。

半導(dǎo)體光放大器的工作原理是由驅(qū)動電流將半導(dǎo)體載流子轉(zhuǎn)化為反轉(zhuǎn)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(guān)系增長。目前最常見和成熟的技術(shù)有直波導(dǎo)半導(dǎo)體光放大器和寬波導(dǎo)半導(dǎo)體放大器。其中直波導(dǎo)半導(dǎo)體放大器是利用傳統(tǒng)的直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化與光傳播方向垂直方向上的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)高增益。常見的技術(shù)有應(yīng)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(zāi)變光學(xué)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(dǎo)半導(dǎo)體放大器擴(kuò)大了等效光學(xué)孔徑所以不容易受到災(zāi)變光學(xué)鏡面損傷的局限。這里面最常見的一種是基于錐型幾何結(jié)構(gòu)的光放大器。這種光放大器在對光進(jìn)行增益的同時(shí)擴(kuò)大光學(xué)孔徑從而避免災(zāi)變光學(xué)鏡面損傷，但它的缺點(diǎn)是常常受到成絲現(xiàn)象（Filamentation）干擾，光束成多模，導(dǎo)致光學(xué)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(gè)直波導(dǎo)半導(dǎo)體放大器的陣列，通過光聚合來實(shí)現(xiàn)功率的增加。但是這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是需要外部光學(xué)部件來實(shí)現(xiàn)光聚合所以無法做到小型化。

美國西北大學(xué)（Northwestern University，Evanston）的侯振宇博士和他的同事最近開發(fā)出一種新型的半導(dǎo)體光學(xué)放大器（Semiconductor Optical Amplifier SOA）技術(shù)克服了以上傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對光集成電路光波導(dǎo)內(nèi)光束的自由控制，從而方便靈活的構(gòu)建所需要的半導(dǎo)體放大器幾何結(jié)構(gòu)。通過對曲面反射器幾何結(jié)構(gòu)的精確控制，集成光束可以在極小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)極大的擴(kuò)束，通過增益介質(zhì)后又可以通過曲面反射器實(shí)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(shí)由于設(shè)計(jì)的靈活性，增益介質(zhì)可以設(shè)計(jì)成任何結(jié)構(gòu)，從而有普適性好的特點(diǎn)。通過這項(xiàng)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(jié)構(gòu)的曲面反射器半導(dǎo)體放大器（CR-SOA）上實(shí)現(xiàn)了~1W的輸出功率（圖2）。

這項(xiàng)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(xiàng)技術(shù)對于新經(jīng)濟(jì)中炙手可熱的前沿科技例如是可穿戴式，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展將會起到重要的推動作用。關(guān)于這項(xiàng)技術(shù)更詳細(xì)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(dǎo)體放大器實(shí)現(xiàn)高功率輸出

關(guān)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(dān)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(shù)值模擬計(jì)算，圖像識別，機(jī)器學(xué)習(xí)等。

電子郵件：zhenyuhoupku@gmail.com

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