半导体光放大器的非线性分析

1、半导体光放大器的非线性分析    关键词：半导体：光放大器；非线性0引言 信息化是当代经济和社会发展的迫切需求和必然趋势，新世纪以来，光纤通信网成为电信骨干网的主要技术。随着全球“信息高速公路”的发展，同时出现了各种新的基于多媒体的通信业务，对通信网络的带宽、成本和自愈恢复功能等提出了更高的要求。波分复用(WDM)技术是节省光纤线路，提升传输容量的现实最优技术。当然，WDM技术也得到了掺饵光线放大器(EDFA)的大力支持，但是由于扩大传输容量的需求不断猛增，仅靠工作在c波段(1525-1565nm)的EDFA的WDM己不够用。由于半导体光纤放大器(SOA

2、)具有处理高速信号的能力，带宽宽，功耗低，增益高，结构紧凑，易于与其他半导体光电器件集成，价格便宜等特点，将会在全光通信网络中获得广泛的应用。 半导体光放大器是用向半导体活性层注入载流子生成反转分布状态，光信号被感应产生并放大后输出的器件。它比光纤放大器的体积更小，功耗更低。它是利用和光通信用的半导体激光器相类似的工艺制成的。和石英光纤放大器相比，半导体光放大器更适于基干长距离传送系统，并适于光纤网络高性能化后光部件多且性能各异的情况。 利用半导体光放大器，有利于光通信性能的扩大，体积减小，功耗降低和成本降低利用半导体光放大器对400，级电流和Ic(集成电路)电流的控制，制成了ns级高速开关的

3、光控制门，获得40dB的高开关比。最近还做出高密度集成的矩阵型光开关和波长选择器等高性能光模块。 目前主要的研究都是基于半导体光放大器的非线性理论的研究，以及应用这些非线性效应来进行波长变换，全光逻辑门，光逻辑开关，全光再生，时钟复变等。研究的内容有的从理论方程入手，有的从实验环境的搭建入手等等，来推导出输入与输出的关系。 1半导体光放大器增益特性 半导体光放大器(SOA)具有良好的非线性特性，及用来集成光子器件，可实现光逻辑运算功能，并在其它领域也有着广泛的应用。与其它非线性介质相比较，半导体光放大器具有较宽的增益谱、便于集成、成本较低、超快增益响应等优点。半导体放大器(SOA)的增益特性在

4、应用中具有重要的作用，在不同的应用中对其增益特性有不同的要求。下面从半导体放大器的载流子的速率方程和藕合波方程出发，对SOA的稳态特性和动态特性给出了细致的分析和研究，得出了半导体放大器内载流子浓度及其增益随各参数如输入光功率、注入偏置电流、输入光波长、SOA有源区长度等的变化情况，为在SOA应用中的参数选择提供了参考依据，为半导体放大器非线性特性的具体应用提供了理论依据，为研究SOA的输出特性，如输出功率，输出消光比、信噪比等进一步研究打了良好的理论基础。 2SOA增益饱和特性 当利用SOA中的非线性效应时，SOA是工作在饱和状态下的，因此有必要分析SOA的增益饱和特性。SOA具有较强的增益

5、非线性特性，当小信号光输入时，SOA对输入光有放大作用，但当入射光功率逐渐增大后，由于消耗SOA中工作物质中的载流子，SOA内载流子浓度减小，从而引起SOA增益的饱和。我们用可调谐DFB激光器产生连续光，首先在注入光功率一定，注入电流不同的条件下，研究连续光经过SOA时的增益特性。 SOA的增益饱和特性表现在两个方面。一方面，随着注入电流的增加，放大器的增益将增加，输出功率也相应增加，但电流增加到某一值后，受载流予增益恢复时间的限制，增益受到抑制，进一步增加电流，增益不但不增加，反而下降，即出现了饱和。另一方面，当注入电流为一定值时，在未达到饱和前，输出光功率随着输入光功率的增加相应增加，光增

6、益通常为常数。当输入光功率增加到某一很高的值时，由于大量的载流子参与受激辐射复合，得不到及时的补充就出现增益饱和甚至增益下降，表现为输出光功率增大的趋势随着输入光功率的增加而减缓。 3SOA增益饱和恢复时间 由于SOA的非线性效应，当功率较强的脉冲信号光输入SOA后，由于脉冲信号强度的起伏，使其消耗的载流子数也发生相应的变化，由于SOA内载流子浓度发生变化而引起SOA增益饱和变化，即脉冲信号光强度的变化调制了SOA的增益，同时载流子的变化会引起SOA腔内折射率的变化：所以当探测光通过SOA时，将会受到SOA增益和折射率的调制，对于脉冲信号的波峰处，SOA腔内增益达到饱和，探测光经过SOA得不到

7、放大，而在信号脉冲的谷底处，SOA腔内增益没有达到饱和，探测光信号得到较大的增益，由于探测光的幅度和相位受到信号光的调制，输出的探测光携带与脉冲信号光反相的信息。 4结语 SOA的增益饱和特性表现在两个方面。一方面，随着注入电流的增加，放大器的增益将增加，但电流增加到某一值后，增益受到抑制，进一步增加电流，增益出现饱和。另一方面，当注入电流为一定时，在未达到饱和前，输出光功率随着输入光功率的增加相应增加，当输入光功率增加到某一很高的值时，表现为输出光功率增大的趋势随着输入光功率的增加而减缓：对SOA增益恢复时间的实验结果表明，增大偏置电流可以缩短载流子恢复时间。        参考文献： 1时书丽、于宏伟，对半导体光放大器内四波混频波长变换的研究，辽宁大学学报，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=刘爱明、吴重庆、龚岩栋