半导体光放大器

1、半导体光放大器半导体光放大器内容安排2SOA的简介SOA的出现和发展SOA的基本原理SOA技术的应用SOA的发展 一、半导体光放大器的简介31、半导体光放大器（SOA）概念：以半导体材料作为增益介质、能对外来光子进行放大或提供增益的光电子器件。半导体光放大器与激光器 相同点：都需要增益介质 都能使光子在增益介质内引起高效的受激辐射 都需为受激辐射所需的粒子数反转提供所需能源 不同点：所要放大的光子的来源上的差别一、半导体光放大器的简介4优点： 1、工作波长范围大（1310nm到1550nm） 2、体积小，结构简单，功耗低，反应速度快 3、可与其他有源和无源光电子器件进行混合或单片集成 一、半导

2、体光放大器的简介缺点： 1、不同波长通道间存在较强的交叉增益调制与非线性相互作用 2、在与光纤进行耦合时，芯片两端与光纤的耦合损耗均在3dB以上5二、 SOA的出现与发展6 1、SOA的出现1960年，美国贝尔实验室研究出以红宝石为介质的世界上第一台激光器1962年，前苏联的列别捷夫和美国的4个单位几乎同时研究出以半导体GaAs为增益介质的半导体激光器。（同质结）二、 SOA的出现与发展1966年，美籍华人高锟和乔治何克汉提出用石英玻璃纤维光载波所携带的信息。半导体激光器被期待为光纤通信的理想光源。贝尔实验室开始研究异质结半导体激光器(GaAlAs)。1970年，研究出双异质结半导体激光器，与

3、此同时，美国康宁公司将玻璃纤维损耗从1000dB/km降至20dB/km，使光纤通信成为可能。7二、 SOA的出现与发展82、光纤通信的需求拉动SOA的发展1983年，研究出法布里珀罗半导体光放大器（FP-SOA）和行波半导体光放大器（TW-SOA）1987年，我国“863”计划进一步对半导体光放大器进行研究： 基于体材料 量子阱材料 量子点半导体材料 波段为1310nm到1550nm 单纯研究器件 基于SOA波长变换码型变化等全光 信号处理的应用 二、 SOA的出现与发展93、SOA受到光纤放大器的严重挑战掺稀土离子光纤放大器：EDFA受激辐射 非线性光纤放大器：拉曼光纤放大器非线性效应 二

4、、 SOA的出现与发展EDFA优点（Er+3粒子的优点）： 1、迁跃能力对应波长范围=光纤最低损耗波段（1550nm） 2、容易形成高浓度的粒子数反转和高增益 3、可与传输光纤直接熔接，熔接损耗仅为1dB 4、增益与输入光的偏振态相关性小，噪声指数低二、 SOA的出现与发展11SOA与光纤放大器性能对比仅有几项实验室数据可与EDFA媲美，商用器件指标比EDFA逊色二、 SOA的出现与发展124、SOA的发展机遇SOA作“全波放大器” EDFA适用于C+L带（1530-1565-1625nm） 要解决的问题：如何开发O带（1260-1360nm）,E带（1360-1460nm） 和S带（1460

5、-1530nm）的带宽资源 SOA对各波段光信号有放大能力二、 SOA的出现与发展13SOA与EDFA“合作” 光发射机和光纤放大器泵浦源必需半导体激光器可在获得半导体激光器的同时，获得相应SOA以EDFA为参照，取长补短提高光放大器性能二、 SOA的出现与发展14SOA用于降低用户接入网的成本反射式半导体光放大器（RSOA）三、SOA的基本原理151、SOA的基本结构 SOA是一个半导体P-N结三、SOA的基本原理16减小半导体材料与空气分界面上的菲涅尔反射有源层中的载流子是在由正向偏置电流注入的。有源层周围是具有较低折射率的宽带隙材料，使器件的注入效率和受激辐射效率大大提高三、SOA的工作

6、原理17 外加正向偏压形成粒子数反转外加正向偏压形成粒子数反转 外部光照导致受激辐射，光信号被放大外部光照导致受激辐射，光信号被放大三、SOA的工作原理3.1 半导体增益介质 内建电场 耗尽区 P P型型半导体半导体- - - - -+ + + + + N N型型半导体半导体 空穴浓度高度高电子浓度高构成P-N结时，它们之间存在很大的载流子浓度差导致空穴和电子向不同区域扩散，从而形成内建电场。最终扩散运动和漂移运动达到平很，内建电场稳定18三、SOA的工作原理3.2 载流子注入与粒子数反转为了使光子在增益介质中获得增益，在外部能量作用下（半导体光放大器或者半导体激光器通常为直接电注入）形成离子

7、束反转是产生受激辐射从而产生增益的必要条件。粒子数反转：高能级E2上的粒子数目大于低能级E1上的粒子数目。19二、SOA的工作原理203.2 载流子注入与粒子数反转形成如果P-N结原内建电场电压为VD ,两端加正向偏压V，则外电场削弱内建电场对载流子扩散运动的阻挡作用P区和N区的费米能级重新分离，且满足： EN EP =eV注入耗尽层的非平衡载流子通过自发辐射复合产生电致发光，当外加电场满足: eV=EN EP Eg 时，注入耗尽区内的电子和空穴通过辐射符合而产生光子的速率将大于材料对光子的吸收速率，从而在半导体内产生增益二、SOA的工作原理213.3 受激辐射 处于高能级E2的电子在外来光场

8、的感应下，发射一个与感应光子一模一样的光子特点： （1）感应光子的能量等于 向下跃迁的能及之差。 （2）受激辐射产生的光子 与感应光子是全同光子 （3）受激辐射过程实质是对外来入射光的放大过程。 二、SOA的工作原理223.4 SOA的分类 1、法布里-珀罗型激光放大器 FP型半导体及光放大器的结构完全等同于半导体激光器 增益限制因素： 泵浦速率 输入信号功率 注入光频 半导体激光放大器腔结构参数等 三、SOA的工作原理232、行波型半导体激光放大器理想的行波型半导体激光放大器实际上可以看作两端面具有零反射率的FP型半导体激光放大器。增益限制因素： （1）放大了的自发辐射所引起的增益饱和效应

9、（2）其它外光学元件反射所产生的标准具效应三、SOA的工作原理24TWSOA与FPSOA的区别在于端面的反射率大小， TWSOA具有极低的端面反射率，通常在0.1%以下。降低端面反射方法：倾斜有源区法、窗面结构。TWSOA的增益、增益带宽和噪声特性都可以满足光纤通信的要求，但如下两个缺点限制着它在光纤通信中的实际应用：对光信号偏振态的敏感性；对光信号偏振态的敏感性；对光信号增益的饱和性。对光信号增益的饱和性。三、SOA的工作原理3.5半导体激光器与半导体光放大器的比较1、放大光子来源 半导体激光器：放大由自发辐射所产生的光子 半导体光放大器：放大腔外进来的需要放大的光子2、LD、FP-SOA和

10、TW-SOA的结构和工作方式25三、SOA的工作原理2、LD、FP-SOA和TW-SOA的结构和工作方式基本差别：半导体激光器偏置在阈值之上 FP-SOA偏置在阈值以下 TW-SOA偏置在获得所需获得所需线性 增益的注入电流26四、SOA技术的应用274.1 SOA技术在光通信系统中的应用1、置于光检测器钱作为“光前置放大器”可以减小最小可检测功率，从而大大提高检测灵敏度，增长光纤通信的距离。四、SOA技术的应用284.1 SOA技术在光通信系统中的应用2、用作电再生端的 “光中继器”SOA作为“光中继器”，可以用来补偿由于光纤产生的损耗，从而扩展了两电再生之间的距离。四、SOA技术的应用29

11、4.1 SOA技术在光通信系统中的应用3、SOA可作为 “光功率放大器” 用于用户环路中。其作用是用来补偿光开关器件和光功率分配器中的插入损耗和功率分配损耗四、SOA技术的应用4.2 SOA在全光波长转换中的应用波长转换：实现传输信息从一个波长向另一个波长 的转换30四、SOA技术的应用波分复用系统中对波长转换器性能要求： 高可靠性，低功率消耗，比特率透明，无消光比退化现象，大的输入功率动态范围和小的输出功率范围，大的波长转换范围，结构简单等。基于SOA的全光波长转换器： 交叉增益调制（XGM）型 交叉相位调制（XPM）型 FWM型优点：SOA具有多种非线性效应、所需信号输入功 率小、体积小并

12、且便于集成。 31四、SOA技术的应用4.5 SOA技术应用总结器件器件工作原理工作原理 应用应用 半导体光放大器 线性应用 增益介质：线放、功放和前放 增益介质：SOA环形腔用于微波滤波 增益介质：SOA环形腔用于多波长产生 增益介质：反射式SOA用于接入网中放大光信号 光开关矩阵 基于SOA光开关的可控制光延时 反射式SOA的直接调制实现加载信息32四、SOA技术的应用器器件件工作原理工作原理 应用应用半导体光放大器非线性应用 全光波长转换 基于波长转换实现可调光延时 基于ASE的SGM实现微波滤波 全光逻辑门及复杂逻辑运算 全光解复用 全光采样 SOA环形腔用于全光时钟恢复 基于FWM效

13、应的慢光效应 基于XPM或者XGM效应的UWB信号产生 全光码型转换 基于XPM或者XGM效应的全光微分运算33五、SOA的发展1、基于低维量子结构的SOA低维量子结构：半导体超晶格、量子阱、量子线和 量子点 能带工程：根据需要设计合适的低维量子结构来“裁剪”半导体材料的能带结构，从而极大地提高器件性能 34五、SOA的发展35五、SOA的发展2、应变效应传统材料的半导体激光器和SOA的能带结构图如下:并非是满足粒子数反转条件的理想能带结构，原因如下： （1）、导带和价带的能带形状严重不对称 （2）、晶格匹配的体材料和量子阱材料的能带不利于实现光增益的偏振 不灵性36五、SOA的发展因此，于20世纪80年代提出“价带工程”37五、