半導(dǎo)體光放大器的非線性分析

1、半導(dǎo)體光放大器的非線性分析    關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體：光放大器；非線性0引言 信息化是當(dāng)代經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的迫切需求和必然趨勢(shì)，新世紀(jì)以來(lái)，光纖通信網(wǎng)成為電信骨干網(wǎng)的主要技術(shù)。隨著全球“信息高速公路”的發(fā)展，同時(shí)出現(xiàn)了各種新的基于多媒體的通信業(yè)務(wù)，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬、成本和自愈恢復(fù)功能等提出了更高的要求。波分復(fù)用(WDM)技術(shù)是節(jié)省光纖線路，提升傳輸容量的現(xiàn)實(shí)最優(yōu)技術(shù)。當(dāng)然，WDM技術(shù)也得到了摻餌光線放大器(EDFA)的大力支持，但是由于擴(kuò)大傳輸容量的需求不斷猛增，僅靠工作在c波段(1525-1565nm)的EDFA的WDM己不夠用。由于半導(dǎo)體光纖放大器(SOA

2、)具有處理高速信號(hào)的能力，帶寬寬，功耗低，增益高，結(jié)構(gòu)緊湊，易于與其他半導(dǎo)體光電器件集成，價(jià)格便宜等特點(diǎn)，將會(huì)在全光通信網(wǎng)絡(luò)中獲得廣泛的應(yīng)用。 半導(dǎo)體光放大器是用向半導(dǎo)體活性層注入載流子生成反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，光信號(hào)被感應(yīng)產(chǎn)生并放大后輸出的器件。它比光纖放大器的體積更小，功耗更低。它是利用和光通信用的半導(dǎo)體激光器相類似的工藝制成的。和石英光纖放大器相比，半導(dǎo)體光放大器更適于基干長(zhǎng)距離傳送系統(tǒng)，并適于光纖網(wǎng)絡(luò)高性能化后光部件多且性能各異的情況。 利用半導(dǎo)體光放大器，有利于光通信性能的擴(kuò)大，體積減小，功耗降低和成本降低利用半導(dǎo)體光放大器對(duì)400，級(jí)電流和Ic(集成電路)電流的控制，制成了ns級(jí)高速開關(guān)的

3、光控制門，獲得40dB的高開關(guān)比。最近還做出高密度集成的矩陣型光開關(guān)和波長(zhǎng)選擇器等高性能光模塊。 目前主要的研究都是基于半導(dǎo)體光放大器的非線性理論的研究，以及應(yīng)用這些非線性效應(yīng)來(lái)進(jìn)行波長(zhǎng)變換，全光邏輯門，光邏輯開關(guān)，全光再生，時(shí)鐘復(fù)變等。研究的內(nèi)容有的從理論方程入手，有的從實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建入手等等，來(lái)推導(dǎo)出輸入與輸出的關(guān)系。 1半導(dǎo)體光放大器增益特性 半導(dǎo)體光放大器(SOA)具有良好的非線性特性，及用來(lái)集成光子器件，可實(shí)現(xiàn)光邏輯運(yùn)算功能，并在其它領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。與其它非線性介質(zhì)相比較，半導(dǎo)體光放大器具有較寬的增益譜、便于集成、成本較低、超快增益響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。半導(dǎo)體放大器(SOA)的增益特性在

4、應(yīng)用中具有重要的作用，在不同的應(yīng)用中對(duì)其增益特性有不同的要求。下面從半導(dǎo)體放大器的載流子的速率方程和藕合波方程出發(fā)，對(duì)SOA的穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性給出了細(xì)致的分析和研究，得出了半導(dǎo)體放大器內(nèi)載流子濃度及其增益隨各參數(shù)如輸入光功率、注入偏置電流、輸入光波長(zhǎng)、SOA有源區(qū)長(zhǎng)度等的變化情況，為在SOA應(yīng)用中的參數(shù)選擇提供了參考依據(jù)，為半導(dǎo)體放大器非線性特性的具體應(yīng)用提供了理論依據(jù)，為研究SOA的輸出特性，如輸出功率，輸出消光比、信噪比等進(jìn)一步研究打了良好的理論基礎(chǔ)。 2SOA增益飽和特性 當(dāng)利用SOA中的非線性效應(yīng)時(shí)，SOA是工作在飽和狀態(tài)下的，因此有必要分析SOA的增益飽和特性。SOA具有較強(qiáng)的增益

5、非線性特性，當(dāng)小信號(hào)光輸入時(shí)，SOA對(duì)輸入光有放大作用，但當(dāng)入射光功率逐漸增大后，由于消耗SOA中工作物質(zhì)中的載流子，SOA內(nèi)載流子濃度減小，從而引起SOA增益的飽和。我們用可調(diào)諧DFB激光器產(chǎn)生連續(xù)光，首先在注入光功率一定，注入電流不同的條件下，研究連續(xù)光經(jīng)過(guò)SOA時(shí)的增益特性。 SOA的增益飽和特性表現(xiàn)在兩個(gè)方面。一方面，隨著注入電流的增加，放大器的增益將增加，輸出功率也相應(yīng)增加，但電流增加到某一值后，受載流予增益恢復(fù)時(shí)間的限制，增益受到抑制，進(jìn)一步增加電流，增益不但不增加，反而下降，即出現(xiàn)了飽和。另一方面，當(dāng)注入電流為一定值時(shí)，在未達(dá)到飽和前，輸出光功率隨著輸入光功率的增加相應(yīng)增加，光增

6、益通常為常數(shù)。當(dāng)輸入光功率增加到某一很高的值時(shí)，由于大量的載流子參與受激輻射復(fù)合，得不到及時(shí)的補(bǔ)充就出現(xiàn)增益飽和甚至增益下降，表現(xiàn)為輸出光功率增大的趨勢(shì)隨著輸入光功率的增加而減緩。 3SOA增益飽和恢復(fù)時(shí)間 由于SOA的非線性效應(yīng)，當(dāng)功率較強(qiáng)的脈沖信號(hào)光輸入SOA后，由于脈沖信號(hào)強(qiáng)度的起伏，使其消耗的載流子數(shù)也發(fā)生相應(yīng)的變化，由于SOA內(nèi)載流子濃度發(fā)生變化而引起SOA增益飽和變化，即脈沖信號(hào)光強(qiáng)度的變化調(diào)制了SOA的增益，同時(shí)載流子的變化會(huì)引起SOA腔內(nèi)折射率的變化：所以當(dāng)探測(cè)光通過(guò)SOA時(shí)，將會(huì)受到SOA增益和折射率的調(diào)制，對(duì)于脈沖信號(hào)的波峰處，SOA腔內(nèi)增益達(dá)到飽和，探測(cè)光經(jīng)過(guò)SOA得不到

7、放大，而在信號(hào)脈沖的谷底處，SOA腔內(nèi)增益沒有達(dá)到飽和，探測(cè)光信號(hào)得到較大的增益，由于探測(cè)光的幅度和相位受到信號(hào)光的調(diào)制，輸出的探測(cè)光攜帶與脈沖信號(hào)光反相的信息。 4結(jié)語(yǔ) SOA的增益飽和特性表現(xiàn)在兩個(gè)方面。一方面，隨著注入電流的增加，放大器的增益將增加，但電流增加到某一值后，增益受到抑制，進(jìn)一步增加電流，增益出現(xiàn)飽和。另一方面，當(dāng)注入電流為一定時(shí)，在未達(dá)到飽和前，輸出光功率隨著輸入光功率的增加相應(yīng)增加，當(dāng)輸入光功率增加到某一很高的值時(shí)，表現(xiàn)為輸出光功率增大的趨勢(shì)隨著輸入光功率的增加而減緩：對(duì)SOA增益恢復(fù)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，增大偏置電流可以縮短載流子恢復(fù)時(shí)間。        參考文獻(xiàn)： 1時(shí)書麗、于宏偉，對(duì)半導(dǎo)體光放大器內(nèi)四波混頻波長(zhǎng)變換的研究，遼寧大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，31(1) 2Y，Liu，M，T Hill，E，Tangdiongga et al wavelength conversion usingnonlinear polarization rotation in a single semiconductor opticalamplifierJIE EE Photon Technol Lett，2003，15(1)：90-92， 3=劉愛明、吳重慶、龔巖棟