【SOA仿真】SOA增益饱和特性仿真3

引言

为了更好的理解SOA的特性，见合八方近期将会发布【SOA仿真】系列文章。

在前面两篇文章中，我们分析了SOA的增益饱和特性。《【SOA仿真】SOA增益饱和特性仿真1》，我们由实际测试的输出饱和光功率Psat_out和峰值波长的小信号增益G0仿真绘制了增益饱和特性曲线；《【SOA仿真】SOA增益饱和特性仿真1》中我们根据SOA本身的结构参数（如波导长度、波导体积）、特性参数（增益系数、透明载流子浓度，耦合参数），注入参数（偏置电流、输入光功率）等作为输入，仿真求解SOA的增益特性。但这两篇文章均没有给出增益与波长的关系，本文主要仿真增益的波长相关性（增益谱）。

关键词

半导体光放大器SOA、增益、小信号增益、增益饱和、仿真、载流子、速率方程

1.高斯增益谱模型

假设为高斯分布，表示为：

其中gpeak (N)是增益峰值，由下面公式表示：

其随N增大而增大，其中N0为透明载流子密度，a为微分增益参数；

λpeak(N)为增益峰值波长，随N增大而蓝移，满足

其中λ0为N=N0时的峰值波长，b为蓝移系数；

ΔλFWHM是增益谱的半高全宽FWHM，建成谱宽。

2.载流子速率方程

参考上一篇文章《【SOA仿真】SOA增益饱和特性仿真1》的第2节中的速率方程，达到稳态时，有下面公式[1]：

公式的左侧时电流注入带来的载流子产生，右侧是载流子复合带来的载流子消耗。

3.仿真

第一步：设置初始参数，各参数含义与物理意义如下表：

第二步：通过载流子方程（公式4），可由注入电流Ibias，求取载流子浓度N；

本次使用python中自带的fsolve函数求解速率方程，程序更简洁。

第三步：根据公式1的高斯增益模型，可获取增益谱；

4.结论和后续

本文利用简化的载流子速率方程，以及二分法迭代，仿真得到了外部注入（电流及输入光功率）与增益的关系。

后续我们还将仿真增益与波长的关系（增益谱曲线），以及增益的动态特性。

参考文献

[1] Niloy K. Dutta and Qiang Wang, “Semiconductor Optical Amplifiers,” 2nd edition, World Scientific Publishing Company, 2013.

[2] 王光全，沈世奎，王伟，曾志超等，“半导体光放大器SOA技术与应用白皮书”，2024版

[3] Aziz, Ahmed & Ng, Wai & Aly, Moustafa & Chiang, Ming. (2008). “Optimisation of the key SOA parameters for amplification and switching”.