半导体光放大器

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缩写:SOA

定义:采用半导体增益介质的光放大器。

半导体光放大器是采用半导体增益介质的一种光放大器。它类似于一个激光二极管,其中低端的镜子被换成半反射涂层。信号光通过一个半导体单模波导传输,波导的横向维度为1-2微米,长度为0.5-2mm量级。波导模式与活性(放大)区域有很大的交叠,该区域是由电流泵浦的。注入电流在导带产生一定的载流子浓度,允许导带向价带的光学跃迁。峰值增益发生在光子能量稍大于带隙能量时。

SOAs通常以尾纤的形式用于电信系统中,工作波长在1300nm或者1500nm附近,提供约为30dB的增益。


与掺铒光纤放大器的比较

半导体放大技术可以与掺铒光纤放大器想比拟。二者主要的不同体现在:

  1. 装置更加紧凑,仅包含小的半导体芯片,有电子和光接口。
  2. 输出功率更小。
  3. 增益带宽更小,可以得到工作在不同波长区域的装置。
  4. 上能级寿命很短,因此储存的能量更少,泵浦功率或者信号功率变化纳秒(而不是毫秒)量级后增益就会相应的变化。增益的变化会引起相位的改变(参阅线宽增强因子)。
  5. SOAs存在更强的非线性畸变,由于自相位调制四波混频过程。它们通常是不利的,但是也可以用于光信号处理过程。
  6. 噪声系数更高。
  7. 放大过程对偏振态敏感。


垂直腔SOAs

一种特殊的SOAs是垂直腔SOA(VCSOA)。它与垂直腔表面发射激光器类似,但是顶层镜子反射率减小了从而不会达到激光阈值。一定的顶层反射率还是需要的,为了得到比较高的增益,因为单通道通过几个量子阱得到的增益相对较低,但是这也极大的降低了增益带宽。与普通的边发射SOAs相比,VCSOAs体积更加小,价格更便宜,并且在较低的驱动电流下工作。(通常的10mA的电流足够得到20dB的增益)另外,它们还可以被制作成阵列。


应用于信道转移

SOAs通常不仅仅应用于放大:它们还可以应用到光纤通信领域,基于非线性过程的应用例如饱和增益,或者交叉相位偏振,利用的是SOA中载流子浓度变化来得到变化的折射率。这些效应可用于波分复用系统中的信道转移(波长转换),调制格式转换,时钟恢复,信号再生和模式识别等。


参考文献

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[7] P. Urquhart (ed.), Advances in Optical Amplifiers (open-access online edition available), InTech, Rijeka, Croatia (2011)


参阅:放大器掺铒光纤放大器半导体激光器激光二极管