半导体光放大器SOA

半导体光放大器目录SOA概述◦SOA简介◦SOA发展历程SOA的分类和结构SOA的工作原理SOA的特性SOA的应用SOA简介◦半导体光放大器（SOA）是以半导体材料作为增益介质，能对外来光子进行放大或提供增益的光电子器件。相同点：都需要增益介质都能使光子在增益介质内引起高效的受激辐射都需要为受激辐射所需要的粒子数反转提供能源不同点：所要放大的光子来源上有差别SOA与激光器的区别SOA简介优点:工作波长范围大(1280nm-1650nmInGaAsP)体积小，结构简单，反应速度快可以与其他电子器件进行混合或单片集成缺点：不同波长间存在较强的交叉增益调制和非线性相互作用在与光纤耦合时，耦合损耗较大SOA发展历程自激光器发明不久，由GaAs制作的SOA便有报道，但是工作温度极低。1980年代，陆续研究出F-P半导体光放大器和行波半导体光放大器，为SOA的应用迈出重要一步。但在EDFA问世后，由于其在偏振敏感性等方面表现优于SOA，SOA的研发和应用处于低谷。光纤放大器与SOA的性能对比目录SOA概述◦SOA简介◦SOA发展历程SOA的分类和结构SOA的工作原理SOA的特性SOA的应用SOA的分类和结构根据SOA端面反射率和工作条件，SOA可以分为两类。法布里-珀罗放大器（FP-SOA）行波放大器（TW-SOA）法布里-珀罗放大器（FP-SOA）上图为FP-SOA结构，它实际上就是工作在阈值电流以下的激光器，增益频谱很窄。与TW-SOA相比，由于其增益带宽窄，因此其噪声特性要优于TW-SOA。行波光放大器（TW-SOA）行波放大器没有反射腔，其核心是当放大器被泵浦时，使粒子数反转，获得光增益。它的腔面反射率很小，使光信号尽量在其内获得单程放大。减小半导体材料与空气分界面上的反射有源层中的载流子是由正向偏置电流注入的有源层周围是具有较低折射率的宽带隙材料,提高受激辐射效率和注入效率目录SOA概述◦SOA简介◦SOA发展历程SOA的分类和结构SOA的工作原理SOA的特性SOA的应用SOA的工作原理受激辐射：在外加的偏置电流作用下，形成了粒子数反转。处于高能级的电子在外来光场的感应下，发射一个与感应光子一模一样的光子。特点感应光子能量等于原能级与向下跃迁能级之间的差受激辐射的光子与感应光子是全同光子受激辐射的实质是对外来入射光的放大过程SOA的工作原理这里以FP-SOA为例光功率随距离的变化规律为𝑑𝑃𝑑𝑧=𝑔𝑃在z点的功率为𝑃𝑧=𝑃𝑖𝑛𝑒𝑥𝑝𝑔𝑧所以由E𝑜𝑢𝑡=𝑡1𝑡2exp(−𝛾𝐿)1−𝑟1𝑟2exp(−2𝛾𝐿)E𝑖n其中𝛾为复传播系数增益G为𝐺=𝑃𝑜𝑢𝑡𝑃𝑖𝑛zSOA的工作原理可以得出，最高增益和最低增益分别为𝐺𝑚𝑎𝑥=(1−𝑅)2𝐺𝑠1+𝑅𝐺𝑠2𝐺𝑚𝑖𝑛=(1−𝑅)2𝐺𝑠1−𝑅𝐺𝑠2上图所示为FP-SOA在不同频率下的增益，当频率为谐振腔频率时，出现增益峰值。反射率R越大，SOA增益越大，但是当超过一定值后，放大器变为激光器。𝐺𝐹PA=(1−𝑅)2𝐺𝑠1−𝑅𝐺𝑠2+4𝑅2𝐺𝑠𝑠𝑖𝑛2(𝜋(𝑣−𝑣𝑚)Δ𝑣𝑙)有源层单程非饱和增益𝐺𝑠=eΓ𝑔(𝜔)−𝛼𝑓𝑐𝐿介质增益谱𝑔𝜔=𝑔01+𝜔−𝜔02𝑇2+𝑃𝑃𝑠目录SOA概述◦SOA简介◦SOA发展历程SOA的分类和结构SOA的工作原理SOA的特性SOA的应用SOA的特性饱和特性噪声特性偏振灵敏性SOA的饱和特性SOA的增益饱和特性表现有两方面随着注入电流的增加，放大器的增益将增加，但当电流增加到某一值后，增益受到抑制，进一步增加电流而增益不增加。当注入电流一定时，未达到饱和时，输出光功率随着输入功率增加而增加，但达到饱和时，表现为输出光功率增大趋势随光功率增加而减缓。SOA增益随输入光信号功率的关系SOA的噪声特性半导体光放大器是一种基于受激辐射的放大器，同时又存在自发辐射，自发辐射是一种固有的非相干光辐射，是一种噪声。输入光得到了放大，同时也混入了自发辐射噪声。半导体光放大器在放大过程中都会把辐射叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪比(SNR)降低，其降低程度通常用噪声指数来表示𝐹𝑛，其定义为𝐹𝑛=(𝑆𝑁𝑅)𝑖𝑛𝑆𝑁𝑅𝑜𝑢𝑡应用于光波通信系统时，要求𝐹𝑛尽量低。SOA的偏振灵敏性SOA与光纤放大器不同，对于SOA，由于TE和TM偏振态不同时，光信号在有源层中的传输常数和峰值增益的频率可以相差很大，不同偏振态输入光信号的增益也可达到5-8dB。这种特性称为偏振灵敏性。以FP-SOA为例，主要原因在于有源层很薄，对TE和TM模的限制因子Γ和有效折射率不同，并且腔面对TE和TM模的反射系数R也不同，当注入电流接近闲值电流时，TE模的增益比TM模的增益高。两种模的单程增益差为:∆𝐺=10(Γ𝑇𝐸−Γ𝑇𝑀)𝑔(𝜔)𝐿ln10偏振灵敏性是半导体光放大器应用中的一个限制因素，应设法减小。目录SOA概述◦SOA简介◦SOA发展历程SOA的分类和结构SOA的工作原理SOA的特性SOA的应用SOA的应用置于光检测器之前作为光前置放大器可以减小可检测功率，从而提高检测灵敏度，增长光纤通信距离。SOA的应用可以用作光中继器用来补偿光纤产生的损耗，从而扩展两电再生的距离。但是由于性能不如EDFA，所以在实际应用中更多采用EDFA。SOA的应用全光波长转换器(简称波长转换器)将是全光通信系统及未来宽带网络中必不可少的器件，是波分复用光网络中的关键性部件。如交叉增益调制型(XGM-SOA)等。谢谢