半導體光放大器的原理及應用分析(共4頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上半導體光放大器的原理及應用分析電子081 8 摘要：半導體光放大器的主要特點是它由有源區(qū)和無源區(qū)構成, 其放大原理主要取決于有源層的介質特性和激光腔的特性。半導體光放大器可用作線性放大器、波長轉換器、光開關和再生器等等。關鍵詞：半導體光放大器光纖通信波長轉換器光開關1半導體光放大器的結構半導體光放大器是一種把發(fā)光器件一一半導體激光器結構作為放大裝置使用的器件, 因為具有能帶結構, 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體材料的組成可以使波長使用范圍超過100nm, 這是半導體光放大器的一個突出特點。半導體光放大器由有源區(qū)和無源區(qū)構成, 如圖1

2、所示, 有源區(qū)為增益區(qū), 使用Inp這樣的半導體材料制作, 與半導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。抗反射涂層就是在端面設置單層或多層介質層。以平面波人射單層介質層時, 抗反射膜的條件相對于厚度為1/4波長。實際的放大器, 傳輸光是數(shù)微米的點光, 可以研究假想波導模嚴格的無反射條件。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構。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, 可以引人運用窄條結構使激活波導光路近似正方形斷面形狀的方法和施加抗張

3、應力, 以增大TM波增益的應變量子阱結構。目前, 實現(xiàn)偏振無關半導體光放大器的方法有很多種, 如張應變量子阱結構、應變補償結構、同時采用張應變量子阱和壓應變量子阱的混合應變量子阱結構等。圖2為采用脊型波導結構的應變量子阱光放大器基本結構圖。有源區(qū)4C3T采用混合應變量子阱結構, 即4個壓應變量子阱, 3個張應變量子阱, 壓應變和張應變量子阱之間用與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

4、準的光刻、反應離子刻蝕、濕法腐蝕、蒸發(fā)、濺射等工藝制作脊型波導結構。2 半導體光放大器的原理半導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特性和激光腔的特性。它雖也是粒子數(shù)反轉放大發(fā)光但發(fā)光的媒介是非平衡載流子即電子空穴對而非稀有元素。半導體的發(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)光是指用半導體的光吸收作用來產(chǎn)生非平衡載流子, 實際上是一種光向另一種光轉換的過程。電致發(fā)光是指用電學方法將非平衡載流子直接注人到半導體中而產(chǎn)生發(fā)光, 這常借助于PN結來完成。在半導體中電子的能級限制在導帶和價帶兩個帶內, 在導帶中電子充當移動載流

5、子, 在價帶中空穴充當載流子。半導體在外界激發(fā)下, 可將價帶中的電子激發(fā)到導帶中, 同時在價帶中留下空穴, 所產(chǎn)生的電子和空穴分別躍遷到導帶底和價帶頂, 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, 導帶底的電子還要躍遷到價帶頂與空穴復合, 并同時發(fā)射光子, 二者形成動態(tài)平衡, 與熱平衡狀態(tài)下的情況不同, 這時的電子和空穴為非平衡載流子, 載流子的分布不再是費米統(tǒng)計分布。由于電子從導帶底躍遷到價帶頂?shù)臅r間常數(shù)即輻射壽命與無輻射躍遷的時間常數(shù)相比相對較長, 所以可以認為電子和空穴各自保持熱平衡狀態(tài), 對載流子的這種準平衡狀態(tài)分別用準費米能級和來表示。半導體的輻射躍遷包括

6、自發(fā)躍遷和受激躍遷兩個過程。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)與空穴復合, 同時發(fā)射一個光子, 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理想的光子相互作用后導致的受激輻射。這兩個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。半導體在外界激勵下會產(chǎn)生非平衡載流子, 半導體在泵浦光激勵下怎樣產(chǎn)生光放大為?了盡可能簡單, 假設半導體在0 K, 費米能級在禁帶的中間位置, 因此在Ep以下的每個有效能級上被電子充滿, 則半導體將吸收子。如果半導體未受光泵浦激勵, 則半導體將吸收光子, 其實半導體的兩個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。一個帶隙Ex把處在下面的導帶和上面的價帶分開, 這樣, 從一個能帶轉移到另一個能帶內所發(fā)生的能量改變至少是Eg, 因此, 若hv>E 則半導體吸收光子, 當吸收了泵浦光子后就會在導帶中產(chǎn)生電子, 而在價帶中留下空穴, 然后電子和空穴都迅速向能帶的最底點弛豫, 并通過發(fā)射一個能量為禁帶寬度能量的光子復合。如果泵浦源的強度越來越大, 電子將會趨向于累積在導帶的底部, 空穴趨向于累積在價帶的頂部, 直到電子空穴對的產(chǎn)生和復合達到動態(tài)平衡為止。如果假設帶內馳豫過程比帶間復合速率快得多, 那么可以利用準費米能級Epn和Epp來描述電子空穴的數(shù)目。于是導帶底和

8、Epn之間的每個態(tài)都被添滿, 而價帶頂和之間的所有態(tài)都是空的, 從而實現(xiàn)光放大。通過適當?shù)倪x擇半導體材料, 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)內的帶隙。3 半導體光放大器的應用SOA在光纖通信系統(tǒng)中有著廣泛的應用, 不僅可做光發(fā)送機的功率放大器、線路的中繼放大器、光接收機的前置放大器和光分路補償放大器,而且還可以作為非線器件用于光開關和波長變換器等光信號處理模塊 。3.1線性放大半導體光放大器用作線性放大器的優(yōu)點是可靠、小尺寸和可集成。它提供了中等的性能, 因為飽和較快而噪聲因素較大。采用增益籍制半導體光放大器可以有效地增加器件的飽和功率, 采用錐

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

10、全光器件,能夠在通信中進行波長路由選擇, 在網(wǎng)絡中能重復利用波長,提高波長使用率,使得多波長網(wǎng)絡管理更加靈活、合理。它在光開關、光交換、波長路由、波長再用等技術中有著廣泛的應用。3.4全光2R再生器傳統(tǒng)的光電再生方法把光信號轉變?yōu)殡娦盘柡? 在電域對信號進行再生后再轉變?yōu)楣庑盘? 該方法成本高并受到電子處理速度的限制。全光再生技術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。利用半導體光放大器中的自相位調制效應所引起的頻譜紅移現(xiàn)象, 通過在半導體光放大器后面放置光帶通濾波器可以達到再生目的, 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用波

11、長變換器的非線性輸人輸出特性可應用于再生中繼器方面 , 采用的信號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, 會降低噪聲指數(shù)。這不一定會直接改善錯誤率。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。3.6光柵·開關作為光開關的主要優(yōu)點在于它的高速開光能力。本征損耗補償因為自身光放大、高可靠性、較高集成潛力、緊湊尺寸和潛在低損耗等。有人嘗試把半導體光放大器作為開關光的光柵使用, 把它與光分支電路組合在一起, 構成光空間開關, 可以獲得50dB以上的較大消光比。利用它可以抑制串音, 這一點是以往波導光路型光開關所做不到的。有人提出了一

12、種基于半導體光放大器的雙端口全光光開關。這種光開關以一個平行排列藕合器作為其核心元件, 具有類似于非線性光學環(huán)路鏡(NOLM)和比特光學非對稱解復用器(TOAD)的結構。由于這種光開關是基于的, 所以它結構緊湊, 易于集成, 而且需要很小的控制光功率（幾個Mw）。這種光開關具有兩個開關端口, 滿足了一些特殊應用場合的需要。人們現(xiàn)正在研究把多路波長與空間開關組合在一起, 實現(xiàn)大規(guī)模太位開關網(wǎng)。4結束語半導體光放大器的優(yōu)點是具有很大的增益帶寬一, 增益平坦性較好能夠動態(tài)轉換波長, 體積小, 泵浦簡單, 可批量生產(chǎn), 成本低。而它的缺點則是具有對信號光偏振敏感的特性, 以及對信號光增益的飽和性, 以上兩點限制了在光纖通信中的應用。目前半導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方面。隨著全光網(wǎng)絡的發(fā)展, 半導體光放大器技術必將會有越來越廣的