半導(dǎo)體光放大器

1、半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器內(nèi)容安排2SOA的簡介SOA的出現(xiàn)和發(fā)展SOA的基本原理SOA技術(shù)的應(yīng)用SOA的發(fā)展 一、半導(dǎo)體光放大器的簡介31、半導(dǎo)體光放大器（SOA）概念：以半導(dǎo)體材料作為增益介質(zhì)、能對外來光子進(jìn)行放大或提供增益的光電子器件。半導(dǎo)體光放大器與激光器 相同點：都需要增益介質(zhì) 都能使光子在增益介質(zhì)內(nèi)引起高效的受激輻射 都需為受激輻射所需的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)提供所需能源 不同點：所要放大的光子的來源上的差別一、半導(dǎo)體光放大器的簡介4優(yōu)點： 1、工作波長范圍大（1310nm到1550nm） 2、體積小，結(jié)構(gòu)簡單，功耗低，反應(yīng)速度快 3、可與其他有源和無源光電子器件進(jìn)行混合或單片集成 一、半導(dǎo)

2、體光放大器的簡介缺點： 1、不同波長通道間存在較強(qiáng)的交叉增益調(diào)制與非線性相互作用 2、在與光纖進(jìn)行耦合時，芯片兩端與光纖的耦合損耗均在3dB以上5二、 SOA的出現(xiàn)與發(fā)展6 1、SOA的出現(xiàn)1960年，美國貝爾實驗室研究出以紅寶石為介質(zhì)的世界上第一臺激光器1962年，前蘇聯(lián)的列別捷夫和美國的4個單位幾乎同時研究出以半導(dǎo)體GaAs為增益介質(zhì)的半導(dǎo)體激光器。（同質(zhì)結(jié)）二、 SOA的出現(xiàn)與發(fā)展1966年，美籍華人高錕和喬治何克漢提出用石英玻璃纖維光載波所攜帶的信息。半導(dǎo)體激光器被期待為光纖通信的理想光源。貝爾實驗室開始研究異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(GaAlAs)。1970年，研究出雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器，與

3、此同時，美國康寧公司將玻璃纖維損耗從1000dB/km降至20dB/km，使光纖通信成為可能。7二、 SOA的出現(xiàn)與發(fā)展82、光纖通信的需求拉動SOA的發(fā)展1983年，研究出法布里珀羅半導(dǎo)體光放大器（FP-SOA）和行波半導(dǎo)體光放大器（TW-SOA）1987年，我國“863”計劃進(jìn)一步對半導(dǎo)體光放大器進(jìn)行研究： 基于體材料 量子阱材料 量子點半導(dǎo)體材料 波段為1310nm到1550nm 單純研究器件 基于SOA波長變換碼型變化等全光 信號處理的應(yīng)用 二、 SOA的出現(xiàn)與發(fā)展93、SOA受到光纖放大器的嚴(yán)重挑戰(zhàn)摻稀土離子光纖放大器：EDFA受激輻射 非線性光纖放大器：拉曼光纖放大器非線性效應(yīng) 二

4、、 SOA的出現(xiàn)與發(fā)展EDFA優(yōu)點（Er+3粒子的優(yōu)點）： 1、遷躍能力對應(yīng)波長范圍=光纖最低損耗波段（1550nm） 2、容易形成高濃度的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和高增益 3、可與傳輸光纖直接熔接，熔接損耗僅為1dB 4、增益與輸入光的偏振態(tài)相關(guān)性小，噪聲指數(shù)低二、 SOA的出現(xiàn)與發(fā)展11SOA與光纖放大器性能對比僅有幾項實驗室數(shù)據(jù)可與EDFA媲美，商用器件指標(biāo)比EDFA遜色二、 SOA的出現(xiàn)與發(fā)展124、SOA的發(fā)展機(jī)遇SOA作“全波放大器” EDFA適用于C+L帶（1530-1565-1625nm） 要解決的問題：如何開發(fā)O帶（1260-1360nm）,E帶（1360-1460nm） 和S帶（1460

5、-1530nm）的帶寬資源 SOA對各波段光信號有放大能力二、 SOA的出現(xiàn)與發(fā)展13SOA與EDFA“合作” 光發(fā)射機(jī)和光纖放大器泵浦源必需半導(dǎo)體激光器可在獲得半導(dǎo)體激光器的同時，獲得相應(yīng)SOA以EDFA為參照，取長補(bǔ)短提高光放大器性能二、 SOA的出現(xiàn)與發(fā)展14SOA用于降低用戶接入網(wǎng)的成本反射式半導(dǎo)體光放大器（RSOA）三、SOA的基本原理151、SOA的基本結(jié)構(gòu) SOA是一個半導(dǎo)體P-N結(jié)三、SOA的基本原理16減小半導(dǎo)體材料與空氣分界面上的菲涅爾反射有源層中的載流子是在由正向偏置電流注入的。有源層周圍是具有較低折射率的寬帶隙材料，使器件的注入效率和受激輻射效率大大提高三、SOA的工作

6、原理17 外加正向偏壓形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)外加正向偏壓形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 外部光照導(dǎo)致受激輻射，光信號被放大外部光照導(dǎo)致受激輻射，光信號被放大三、SOA的工作原理3.1 半導(dǎo)體增益介質(zhì) 內(nèi)建電場 耗盡區(qū) P P型型半導(dǎo)體半導(dǎo)體- - - - -+ + + + + N N型型半導(dǎo)體半導(dǎo)體 空穴濃度高度高電子濃度高構(gòu)成P-N結(jié)時，它們之間存在很大的載流子濃度差導(dǎo)致空穴和電子向不同區(qū)域擴(kuò)散，從而形成內(nèi)建電場。最終擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動達(dá)到平很，內(nèi)建電場穩(wěn)定18三、SOA的工作原理3.2 載流子注入與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)為了使光子在增益介質(zhì)中獲得增益，在外部能量作用下（半導(dǎo)體光放大器或者半導(dǎo)體激光器通常為直接電注入）形成離子

7、束反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生受激輻射從而產(chǎn)生增益的必要條件。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：高能級E2上的粒子數(shù)目大于低能級E1上的粒子數(shù)目。19二、SOA的工作原理203.2 載流子注入與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)形成如果P-N結(jié)原內(nèi)建電場電壓為VD ,兩端加正向偏壓V，則外電場削弱內(nèi)建電場對載流子擴(kuò)散運(yùn)動的阻擋作用P區(qū)和N區(qū)的費(fèi)米能級重新分離，且滿足： EN EP =eV注入耗盡層的非平衡載流子通過自發(fā)輻射復(fù)合產(chǎn)生電致發(fā)光，當(dāng)外加電場滿足: eV=EN EP Eg 時，注入耗盡區(qū)內(nèi)的電子和空穴通過輻射符合而產(chǎn)生光子的速率將大于材料對光子的吸收速率，從而在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生增益二、SOA的工作原理213.3 受激輻射 處于高能級E2的電子在外來光場

8、的感應(yīng)下，發(fā)射一個與感應(yīng)光子一模一樣的光子特點： （1）感應(yīng)光子的能量等于 向下躍遷的能及之差。 （2）受激輻射產(chǎn)生的光子 與感應(yīng)光子是全同光子 （3）受激輻射過程實質(zhì)是對外來入射光的放大過程。 二、SOA的工作原理223.4 SOA的分類 1、法布里-珀羅型激光放大器 FP型半導(dǎo)體及光放大器的結(jié)構(gòu)完全等同于半導(dǎo)體激光器 增益限制因素： 泵浦速率 輸入信號功率 注入光頻 半導(dǎo)體激光放大器腔結(jié)構(gòu)參數(shù)等 三、SOA的工作原理232、行波型半導(dǎo)體激光放大器理想的行波型半導(dǎo)體激光放大器實際上可以看作兩端面具有零反射率的FP型半導(dǎo)體激光放大器。增益限制因素： （1）放大了的自發(fā)輻射所引起的增益飽和效應(yīng)

9、（2）其它外光學(xué)元件反射所產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)三、SOA的工作原理24TWSOA與FPSOA的區(qū)別在于端面的反射率大小， TWSOA具有極低的端面反射率，通常在0.1%以下。降低端面反射方法：傾斜有源區(qū)法、窗面結(jié)構(gòu)。TWSOA的增益、增益帶寬和噪聲特性都可以滿足光纖通信的要求，但如下兩個缺點限制著它在光纖通信中的實際應(yīng)用：對光信號偏振態(tài)的敏感性；對光信號偏振態(tài)的敏感性；對光信號增益的飽和性。對光信號增益的飽和性。三、SOA的工作原理3.5半導(dǎo)體激光器與半導(dǎo)體光放大器的比較1、放大光子來源 半導(dǎo)體激光器：放大由自發(fā)輻射所產(chǎn)生的光子 半導(dǎo)體光放大器：放大腔外進(jìn)來的需要放大的光子2、LD、FP-SOA和

10、TW-SOA的結(jié)構(gòu)和工作方式25三、SOA的工作原理2、LD、FP-SOA和TW-SOA的結(jié)構(gòu)和工作方式基本差別：半導(dǎo)體激光器偏置在閾值之上 FP-SOA偏置在閾值以下 TW-SOA偏置在獲得所需獲得所需線性 增益的注入電流26四、SOA技術(shù)的應(yīng)用274.1 SOA技術(shù)在光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用1、置于光檢測器錢作為“光前置放大器”可以減小最小可檢測功率，從而大大提高檢測靈敏度，增長光纖通信的距離。四、SOA技術(shù)的應(yīng)用284.1 SOA技術(shù)在光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用2、用作電再生端的 “光中繼器”SOA作為“光中繼器”，可以用來補(bǔ)償由于光纖產(chǎn)生的損耗，從而擴(kuò)展了兩電再生之間的距離。四、SOA技術(shù)的應(yīng)用29

11、4.1 SOA技術(shù)在光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用3、SOA可作為 “光功率放大器” 用于用戶環(huán)路中。其作用是用來補(bǔ)償光開關(guān)器件和光功率分配器中的插入損耗和功率分配損耗四、SOA技術(shù)的應(yīng)用4.2 SOA在全光波長轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用波長轉(zhuǎn)換：實現(xiàn)傳輸信息從一個波長向另一個波長 的轉(zhuǎn)換30四、SOA技術(shù)的應(yīng)用波分復(fù)用系統(tǒng)中對波長轉(zhuǎn)換器性能要求： 高可靠性，低功率消耗，比特率透明，無消光比退化現(xiàn)象，大的輸入功率動態(tài)范圍和小的輸出功率范圍，大的波長轉(zhuǎn)換范圍，結(jié)構(gòu)簡單等?；赟OA的全光波長轉(zhuǎn)換器： 交叉增益調(diào)制（XGM）型 交叉相位調(diào)制（XPM）型 FWM型優(yōu)點：SOA具有多種非線性效應(yīng)、所需信號輸入功 率小、體積小并

12、且便于集成。 31四、SOA技術(shù)的應(yīng)用4.5 SOA技術(shù)應(yīng)用總結(jié)器件器件工作原理工作原理 應(yīng)用應(yīng)用 半導(dǎo)體光放大器 線性應(yīng)用 增益介質(zhì)：線放、功放和前放 增益介質(zhì)：SOA環(huán)形腔用于微波濾波 增益介質(zhì)：SOA環(huán)形腔用于多波長產(chǎn)生 增益介質(zhì)：反射式SOA用于接入網(wǎng)中放大光信號 光開關(guān)矩陣 基于SOA光開關(guān)的可控制光延時 反射式SOA的直接調(diào)制實現(xiàn)加載信息32四、SOA技術(shù)的應(yīng)用器器件件工作原理工作原理 應(yīng)用應(yīng)用半導(dǎo)體光放大器非線性應(yīng)用 全光波長轉(zhuǎn)換 基于波長轉(zhuǎn)換實現(xiàn)可調(diào)光延時 基于ASE的SGM實現(xiàn)微波濾波 全光邏輯門及復(fù)雜邏輯運(yùn)算 全光解復(fù)用 全光采樣 SOA環(huán)形腔用于全光時鐘恢復(fù) 基于FWM效

13、應(yīng)的慢光效應(yīng) 基于XPM或者XGM效應(yīng)的UWB信號產(chǎn)生 全光碼型轉(zhuǎn)換 基于XPM或者XGM效應(yīng)的全光微分運(yùn)算33五、SOA的發(fā)展1、基于低維量子結(jié)構(gòu)的SOA低維量子結(jié)構(gòu)：半導(dǎo)體超晶格、量子阱、量子線和 量子點 能帶工程：根據(jù)需要設(shè)計合適的低維量子結(jié)構(gòu)來“裁剪”半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)，從而極大地提高器件性能 34五、SOA的發(fā)展35五、SOA的發(fā)展2、應(yīng)變效應(yīng)傳統(tǒng)材料的半導(dǎo)體激光器和SOA的能帶結(jié)構(gòu)圖如下:并非是滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件的理想能帶結(jié)構(gòu)，原因如下： （1）、導(dǎo)帶和價帶的能帶形狀嚴(yán)重不對稱 （2）、晶格匹配的體材料和量子阱材料的能帶不利于實現(xiàn)光增益的偏振 不靈性36五、SOA的發(fā)展因此，于20世紀(jì)80年代提出“價帶工程”37五、