半導(dǎo)體光放大器的原理及應(yīng)用分析(共4頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上半導(dǎo)體光放大器的原理及應(yīng)用分析電子081 8 摘要：半導(dǎo)體光放大器的主要特點(diǎn)是它由有源區(qū)和無源區(qū)構(gòu)成, 其放大原理主要取決于有源層的介質(zhì)特性和激光腔的特性。半導(dǎo)體光放大器可用作線性放大器、波長轉(zhuǎn)換器、光開關(guān)和再生器等等。關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體光放大器光纖通信波長轉(zhuǎn)換器光開關(guān)1半導(dǎo)體光放大器的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光放大器是一種把發(fā)光器件一一半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)作為放大裝置使用的器件, 因?yàn)榫哂心軒ЫY(jié)構(gòu), 所以其增益帶寬比采用光纖放大器的寬。另外, 通過改變所使用的半導(dǎo)體材料的組成可以使波長使用范圍超過100nm, 這是半導(dǎo)體光放大器的一個(gè)突出特點(diǎn)。半導(dǎo)體光放大器由有源區(qū)和無源區(qū)構(gòu)成, 如圖1

2、所示, 有源區(qū)為增益區(qū), 使用Inp這樣的半導(dǎo)體材料制作, 與半導(dǎo)體激光器的主要不同之處是SOA帶抗反射涂層, 以防止放大器端面的反射, 排除共振器功效?？狗瓷渫繉泳褪窃诙嗣嬖O(shè)置單層或多層介質(zhì)層。以平面波人射單層介質(zhì)層時(shí), 抗反射膜的條件相對(duì)于厚度為1/4波長。實(shí)際的放大器, 傳輸光是數(shù)微米的點(diǎn)光, 可以研究假想波導(dǎo)模嚴(yán)格的無反射條件。去除端面反射影響的另一種方法, 也可以采用使端面傾斜的方法和窗結(jié)構(gòu)。把光放大器作為光通信中繼放大器使用, 入射光的偏振方向是無規(guī)則的, 最好是偏振波依賴性小的放大器。為了消除這種偏振波依賴性, 可以引人運(yùn)用窄條結(jié)構(gòu)使激活波導(dǎo)光路近似正方形斷面形狀的方法和施加抗張

3、應(yīng)力, 以增大TM波增益的應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)。目前, 實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān)半導(dǎo)體光放大器的方法有很多種, 如張應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)、應(yīng)變補(bǔ)償結(jié)構(gòu)、同時(shí)采用張應(yīng)變量子阱和壓應(yīng)變量子阱的混合應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)等。圖2為采用脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變量子阱光放大器基本結(jié)構(gòu)圖。有源區(qū)4C3T采用混合應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu), 即4個(gè)壓應(yīng)變量子阱, 3個(gè)張應(yīng)變量子阱, 壓應(yīng)變和張應(yīng)變量子阱之間用與Ipn晶格匹配的寬的IaGaAsP壘層隔開上下波導(dǎo)層分別為波長1.15um的IaGaAsP匹配材料包層為p型Inp, 接觸層為重P型摻雜IaGaAsP材料, 材料的外延法生長過程中, n型摻雜源為硅烷,p 型摻雜源為二甲基鋅材料；生長完成后, 采用標(biāo)

4、準(zhǔn)的光刻、反應(yīng)離子刻蝕、濕法腐蝕、蒸發(fā)、濺射等工藝制作脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。2 半導(dǎo)體光放大器的原理半導(dǎo)體光放大器的原理與摻稀土光纖放大器相似但也有不同, 其放大特性主要取決于有源層的介質(zhì)特性和激光腔的特性。它雖也是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)放大發(fā)光但發(fā)光的媒介是非平衡載流子即電子空穴對(duì)而非稀有元素。半導(dǎo)體的發(fā)光可根據(jù)激發(fā)方式的不同分為光致發(fā)光、電致發(fā)光和陰極發(fā)光等。光致發(fā)光是指用半導(dǎo)體的光吸收作用來產(chǎn)生非平衡載流子, 實(shí)際上是一種光向另一種光轉(zhuǎn)換的過程。電致發(fā)光是指用電學(xué)方法將非平衡載流子直接注人到半導(dǎo)體中而產(chǎn)生發(fā)光, 這常借助于PN結(jié)來完成。在半導(dǎo)體中電子的能級(jí)限制在導(dǎo)帶和價(jià)帶兩個(gè)帶內(nèi), 在導(dǎo)帶中電子充當(dāng)移動(dòng)載流

5、子, 在價(jià)帶中空穴充當(dāng)載流子。半導(dǎo)體在外界激發(fā)下, 可將價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶中, 同時(shí)在價(jià)帶中留下空穴, 所產(chǎn)生的電子和空穴分別躍遷到導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂, 這一過程只與晶格交換能量而不產(chǎn)生光發(fā)射, 稱為無輻射躍遷, 與此同時(shí), 導(dǎo)帶底的電子還要躍遷到價(jià)帶頂與空穴復(fù)合, 并同時(shí)發(fā)射光子, 二者形成動(dòng)態(tài)平衡, 與熱平衡狀態(tài)下的情況不同, 這時(shí)的電子和空穴為非平衡載流子, 載流子的分布不再是費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布。由于電子從導(dǎo)帶底躍遷到價(jià)帶頂?shù)臅r(shí)間常數(shù)即輻射壽命與無輻射躍遷的時(shí)間常數(shù)相比相對(duì)較長, 所以可以認(rèn)為電子和空穴各自保持熱平衡狀態(tài), 對(duì)載流子的這種準(zhǔn)平衡狀態(tài)分別用準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)和來表示。半導(dǎo)體的輻射躍遷包括

6、自發(fā)躍遷和受激躍遷兩個(gè)過程。自發(fā)輻射躍遷是指占據(jù)高能態(tài)的電子可以自發(fā)地躍遷到低的空能態(tài)與空穴復(fù)合, 同時(shí)發(fā)射一個(gè)光子, 這一過程稱為自發(fā)輻射發(fā)光受激輻射躍遷是指與一個(gè)理想的光子相互作用后導(dǎo)致的受激輻射。這兩個(gè)過程類似于摻餌光纖放大器(EDFA)中的自發(fā)輻射和受激輻射過程。半導(dǎo)體在外界激勵(lì)下會(huì)產(chǎn)生非平衡載流子, 半導(dǎo)體在泵浦光激勵(lì)下怎樣產(chǎn)生光放大為?了盡可能簡單, 假設(shè)半導(dǎo)體在0 K, 費(fèi)米能級(jí)在禁帶的中間位置, 因此在Ep以下的每個(gè)有效能級(jí)上被電子充滿, 則半導(dǎo)體將吸收子。如果半導(dǎo)體未受光泵浦激勵(lì), 則半導(dǎo)體將吸收光子, 其實(shí)半導(dǎo)體的兩個(gè)能帶所扮演的角色類似于EDFA中的能帶E1和E2所起的作

7、用, 只是它的能帶比EDFA的能帶更寬。一個(gè)帶隙Ex把處在下面的導(dǎo)帶和上面的價(jià)帶分開, 這樣, 從一個(gè)能帶轉(zhuǎn)移到另一個(gè)能帶內(nèi)所發(fā)生的能量改變至少是Eg, 因此, 若hv>E 則半導(dǎo)體吸收光子, 當(dāng)吸收了泵浦光子后就會(huì)在導(dǎo)帶中產(chǎn)生電子, 而在價(jià)帶中留下空穴, 然后電子和空穴都迅速向能帶的最底點(diǎn)弛豫, 并通過發(fā)射一個(gè)能量為禁帶寬度能量的光子復(fù)合。如果泵浦源的強(qiáng)度越來越大, 電子將會(huì)趨向于累積在導(dǎo)帶的底部, 空穴趨向于累積在價(jià)帶的頂部, 直到電子空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡為止。如果假設(shè)帶內(nèi)馳豫過程比帶間復(fù)合速率快得多, 那么可以利用準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)Epn和Epp來描述電子空穴的數(shù)目。于是導(dǎo)帶底和

8、Epn之間的每個(gè)態(tài)都被添滿, 而價(jià)帶頂和之間的所有態(tài)都是空的, 從而實(shí)現(xiàn)光放大。通過適當(dāng)?shù)倪x擇半導(dǎo)體材料, 就可獲得能使發(fā)射或吸收波長處于光通信所需要的范圍(如1300nm或1550nm)內(nèi)的帶隙。3 半導(dǎo)體光放大器的應(yīng)用SOA在光纖通信系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用, 不僅可做光發(fā)送機(jī)的功率放大器、線路的中繼放大器、光接收機(jī)的前置放大器和光分路補(bǔ)償放大器,而且還可以作為非線器件用于光開關(guān)和波長變換器等光信號(hào)處理模塊 。3.1線性放大半導(dǎo)體光放大器用作線性放大器的優(yōu)點(diǎn)是可靠、小尺寸和可集成。它提供了中等的性能, 因?yàn)轱柡洼^快而噪聲因素較大。采用增益籍制半導(dǎo)體光放大器可以有效地增加器件的飽和功率, 采用錐

9、形結(jié)構(gòu)可提高飽和輸出。SOA在1300-1500nm波段的線路放大器具有很大競爭力。3.2與半導(dǎo)體光器件的單片集成可與其它半導(dǎo)體光器件集成是半導(dǎo)體光放大器的一個(gè)特點(diǎn)。目前已報(bào)導(dǎo)可與半導(dǎo)體激光器、光探測器、光調(diào)制器、光開關(guān)等器件集成。通過將光放大器集成, 可以補(bǔ)償光裝置的插人損耗。特別是吸收型調(diào)制器, 如果犧牲插人損耗的話, 就能降低工作電壓和線性調(diào)頻脈沖參數(shù), 從而增大了元件設(shè)計(jì)的自由度, 希望能提高裝置的綜合性能。3.3在波長變換方面的應(yīng)用全光波長轉(zhuǎn)換器（簡稱波長轉(zhuǎn)換器）將是全光通信系統(tǒng)及未來寬帶網(wǎng)絡(luò)中必不可少的器件, 是波分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵性部件。在高速光纖通信系統(tǒng)中,波長轉(zhuǎn)換器作為高速

10、全光器件,能夠在通信中進(jìn)行波長路由選擇, 在網(wǎng)絡(luò)中能重復(fù)利用波長,提高波長使用率,使得多波長網(wǎng)絡(luò)管理更加靈活、合理。它在光開關(guān)、光交換、波長路由、波長再用等技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。3.4全光2R再生器傳統(tǒng)的光電再生方法把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)后, 在電域?qū)π盘?hào)進(jìn)行再生后再轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào), 該方法成本高并受到電子處理速度的限制。全光再生技術(shù)是最理想的再生方式, 它突破了傳輸速率的 “電子瓶頸” , 符合光纖網(wǎng)的要求。利用半導(dǎo)體光放大器中的自相位調(diào)制效應(yīng)所引起的頻譜紅移現(xiàn)象, 通過在半導(dǎo)體光放大器后面放置光帶通濾波器可以達(dá)到再生目的, 并且適用于高速的光纖傳輸信道。3.5在噪聲抑制和再生中繼器方面的應(yīng)用波

11、長變換器的非線性輸人輸出特性可應(yīng)用于再生中繼器方面 , 采用的信號(hào)可以改善朋或者消光比等。另外, 若在飽和區(qū)域使用光放大器, 與通常的線性放大器相比, 會(huì)降低噪聲指數(shù)。這不一定會(huì)直接改善錯(cuò)誤率。但有人提出可以用于改善光限幅光源的水, 其效果已得到證實(shí)。3.6光柵·開關(guān)作為光開關(guān)的主要優(yōu)點(diǎn)在于它的高速開光能力。本征損耗補(bǔ)償因?yàn)樽陨砉夥糯?、高可靠性、較高集成潛力、緊湊尺寸和潛在低損耗等。有人嘗試把半導(dǎo)體光放大器作為開關(guān)光的光柵使用, 把它與光分支電路組合在一起, 構(gòu)成光空間開關(guān), 可以獲得50dB以上的較大消光比。利用它可以抑制串音, 這一點(diǎn)是以往波導(dǎo)光路型光開關(guān)所做不到的。有人提出了一

12、種基于半導(dǎo)體光放大器的雙端口全光光開關(guān)。這種光開關(guān)以一個(gè)平行排列藕合器作為其核心元件, 具有類似于非線性光學(xué)環(huán)路鏡(NOLM)和比特光學(xué)非對(duì)稱解復(fù)用器(TOAD)的結(jié)構(gòu)。由于這種光開關(guān)是基于的, 所以它結(jié)構(gòu)緊湊, 易于集成, 而且需要很小的控制光功率（幾個(gè)Mw）。這種光開關(guān)具有兩個(gè)開關(guān)端口, 滿足了一些特殊應(yīng)用場合的需要。人們現(xiàn)正在研究把多路波長與空間開關(guān)組合在一起, 實(shí)現(xiàn)大規(guī)模太位開關(guān)網(wǎng)。4結(jié)束語半導(dǎo)體光放大器的優(yōu)點(diǎn)是具有很大的增益帶寬一, 增益平坦性較好能夠動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換波長, 體積小, 泵浦簡單, 可批量生產(chǎn), 成本低。而它的缺點(diǎn)則是具有對(duì)信號(hào)光偏振敏感的特性, 以及對(duì)信號(hào)光增益的飽和性, 以上兩點(diǎn)限制了在光纖通信中的應(yīng)用。目前半導(dǎo)體光放大器的性能已得到了穩(wěn)步提高, 特別是在發(fā)展大規(guī)模波分多路傳輸、或者光交換方式等新一代光技術(shù)方面。隨著全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展, 半導(dǎo)體光放大器技術(shù)必將會(huì)有越來越廣的