半導(dǎo)體光放大器1半導(dǎo)體光放大器的工作原理由半導(dǎo)體激光器的相關(guān)

1、半導(dǎo)體光放大器1.半導(dǎo)體光放大器的工作原理由半導(dǎo)體激光器的相關(guān)知識可知，由一些半導(dǎo)體材料形成的PN結(jié)有源區(qū)，在入射光子的作用下會發(fā)生受激輻射而產(chǎn)生光放大，半導(dǎo)體的這種光放大作用是 制作半導(dǎo)體激光器的基礎(chǔ)。由于半導(dǎo)體激光器的兩端面形成了F P （法布里一珀羅）諧振腔，它起到對光信號選擇合適的波長并提供光學(xué)正反饋作用。而半導(dǎo)體光放大器與半導(dǎo)體激光器所不同的是，它沒有諧振腔（半導(dǎo)體光放大器的PN結(jié)有源區(qū)兩端面涂有抗反射膜，形成透明區(qū)，不發(fā)生反射）。因而，通過半導(dǎo)體 光放大器的光波為行波。圖369為半導(dǎo)體光放大器的工作原理示意圖。H百P巨1電 SHiSA團3-（5?半導(dǎo)體址放犬器笛原理示意當(dāng)向半導(dǎo)體光

2、放大器中注入正向電流，并達到一定值時，N區(qū)自由電子增多并不斷進入PN結(jié)中與空穴復(fù)合，以光子形式釋放能量。該光子在輸入光信號的 感應(yīng)下形成受激輻射，使釋放出的光子和入射光子同頻、同向、同相位、同偏振 方向、同模式并在光子 不斷前進中繼續(xù)受感應(yīng)而產(chǎn)生受激輻射，進而產(chǎn)生更多 的新的光子，使輸入光信號得到放大。放大器的增益是沿著有源區(qū)的長度按指數(shù) 增長的，而且注入電流越大，產(chǎn)生的光子數(shù)越多。一個光放大器輸出的最大功率取決于注入電流的大小。當(dāng)保持注入電流不變，而不斷增大輸入信號強度時， 放大器的增益將不能恒定，放大器增 益較小信號增益減小3dB時，對應(yīng)的放大 器輸出光功率值稱為輸出飽和功率，這種現(xiàn)象稱為

3、增益飽和效應(yīng)。以上討論的放大器特性是對沒有反饋的光放大器而言的 ，這種放大器被稱作 行波放大器。半導(dǎo)體激光器由于在解理面產(chǎn)生的反射而具有相當(dāng)大的反饋。當(dāng)注入電流低于閾值時，它被作為放大器使用，但是必須考慮在法布里一珀羅腔體界 面上的多次反射。這種放大器就稱為 F P腔放大器。如圖3 70所示，入射光 從左端面進入，通過具有增益的有源層介質(zhì)之后到達右端面，部分從端面反射， 大部分從端面出射。反射光反向通過有源層至左端面， 又經(jīng)過一次放大，部分從 左端面出射，其余部分又從左端面反射，再次通過有源層得到放大，如此反復(fù)， 使反射光得到多次放大。團3巾半導(dǎo)休光放大器的F-F入斛光R,下面分析半導(dǎo)體激光放

4、大器的增益特性，設(shè)入射光場為 E，半導(dǎo)體激光放大 器左右端面的透射系數(shù)分別為ti和t2,反射系數(shù)分別為ri和2,有源層長度為L， 則半導(dǎo)體光放大器輸出光為多次透射光之和，可寫為(3 170)式中為有源層的復(fù)傳輸常數(shù)，可表示為/2+j(3 171)式中一為模式限制因子，g為有源層增益系數(shù)，I：為有源層損耗系數(shù)，"為 有源層相位參數(shù)，門=2 n/ ,'.-，n為有源層折射率。'2 應(yīng) |2由式(3 159)可得放大器的增益系數(shù)為G遲=1-W_r I(1-唄弋妙=一=|(3 172)式中R=r j，R=rx2為端面功率反射系數(shù)；為F P諧振頻率；二二=c/(2 L)為 腔內(nèi)

5、縱橫模間隔，也稱FP腔自由光譜區(qū)；G為有源層的單程非飽和增益，相 應(yīng)于行波半導(dǎo)體放大器的增益。通常FP腔放大器的通帶寬度只占自由譜區(qū)的 很小一部分，所以FP腔放大器的帶寬比行波放大器小得多，不適于在光波通 信系統(tǒng)中作為高速或多信道光放大器應(yīng)用，一般用作光信號處理器件。返回頁首2.半導(dǎo)體光放大器的特性半 導(dǎo)體光放大器所能輻射出的光頻率由有源區(qū)的材料決定，因此放大器輸 入光頻率應(yīng)與半導(dǎo)體光放大器所能輻射的光波段相一致?？梢酝ㄟ^適當(dāng)選擇半導(dǎo) 體材料來得到 所需光波段的放大器。由于半導(dǎo)體行波放大器所用半導(dǎo)體材料的 增益譜寬較寬，因此在一個較寬的光頻率范圍內(nèi)，半導(dǎo)體光放大器都有放大作用， 即它可以在很寬

6、的 頻帶進行放大。光放大器的最大增益波長，隨著注入電流的 增加而略向短波長側(cè)移動。半導(dǎo)體光放大器的一個缺點是對偏振態(tài)非常敏感，即增益與輸入光的偏振方 向有關(guān)。輸入光的偏振方向在與結(jié)平面垂直時的增益比偏振方向與結(jié)平面平行的 增益約高6dB。偏振靈敏性是半導(dǎo)體光放大器應(yīng)用中的一個限制因素，應(yīng)設(shè)法盡 量減少。為使兩個方向的增益一致，可以把兩個光放大器串聯(lián)并使二者結(jié)平面相 互垂直，如圖371所示。但從應(yīng)用的角度來看，為了降低偏振態(tài)靈敏性，改變 半導(dǎo)體光放大器的設(shè)計結(jié)構(gòu)比較可取?？梢圆捎脤挾群秃穸瓤杀葦M的有源層設(shè) 計，使TE模和TM模的增益差減小。3-71讎低半導(dǎo)體光散大器偏振靈敏性的便用方法半導(dǎo)體光放

7、大器既可以在光纖通信系統(tǒng)中作為串級全光中繼放大器和光 接收機前置放大器，也可以在局域網(wǎng)中作為分支損耗補償放大器；既可以用于 強度調(diào)制直接檢測光纖通信系統(tǒng)，也可以用于相干光通信系統(tǒng)，并都取得了滿意 的結(jié)果。行波半導(dǎo)體放大器具有高增益、高輸出功率、高帶寬的特點，特別適 合于用作波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)中多路光信號直接放大，也可用在高比特率光纖通信系統(tǒng)中對超短光 脈沖進行直接放大。但是半導(dǎo)體光放大器作為中繼放大器 和功率放大器同時放大多信道信號時，其非線性特性（如交叉相位調(diào)制和四波混 頻等）將變得十分突出，從 而影響到通信系統(tǒng)的整體性能。雖然半導(dǎo)體光放大器在光纖通信系統(tǒng)中具有一定的應(yīng)用前景，但其增益 輸出功率瞬態(tài)特性、非線性失真、偏振靈敏性和連接損耗等諸多特性，均不如摻 餌光纖