半导体光放大器.ppt
半导体光放大器半导体光放大器光放大器的重要性动机动机：解决电中继器设备复杂、维护难、成本高的问题：解决电中继器设备复杂、维护难、成本高的问题 光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光电光光电光光电光光电光(O-E-O)(O-E-O)(O-E-O)(O-E-O)变换方式。变换方式。变换方式。变换方式。装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道信道信道信道历史历史：以1989年诞生的掺铒光纤放大器 (Erbium Doped Fiber Amplifier,EDFA)代表的全光放大技术是光纤通信技 术上的一次革命影响影响：光放大器最重要的意义在于促使波分复用技光放大器最重要的意义在于促使波分复用技术术(WDM)WDM)走向实用化、促进了光接入网的实用化走向实用化、促进了光接入网的实用化光放大器的出现，可视为光纤光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。通信发展史上的重要里程碑。光放大器的原理光放大器的原理光放大器的功能光放大器的功能：提供光信号增益，以补偿光提供光信号增益，以补偿光信号在通路中的传输衰减，增大系统的无中继信号在通路中的传输衰减，增大系统的无中继传输距离。传输距离。在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反转（非线性光纤放大器除外），然后通过受反转（非线性光纤放大器除外），然后通过受激辐射实现对入射光的放大。激辐射实现对入射光的放大。光放大器是基于光放大器是基于受激辐射或受激散射受激辐射或受激散射原理实现原理实现入射光信号放大的一种器件。其机制与激光器入射光信号放大的一种器件。其机制与激光器完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器没有反馈或反馈较小的激光器。半导体光放大器SOARR1 1RR2 2I I半导体光放大器示意图半导体光放大器示意图半导体光放大器示意图半导体光放大器示意图SOASOA也是一种也是一种也是一种也是一种重要的光放大重要的光放大重要的光放大重要的光放大器，其结构类器，其结构类器，其结构类器，其结构类似于普通的半似于普通的半似于普通的半似于普通的半导体激光器。导体激光器。导体激光器。导体激光器。半导体光放大器的放大特性主要决定于激光腔的反射特性与半导体光放大器的放大特性主要决定于激光腔的反射特性与半导体光放大器的放大特性主要决定于激光腔的反射特性与半导体光放大器的放大特性主要决定于激光腔的反射特性与有源层的介质特性。有源层的介质特性。有源层的介质特性。有源层的介质特性。根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体光放大根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体光放大根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体光放大根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体光放大器分为：器分为：器分为：器分为：-法布里珀罗放大器法布里珀罗放大器法布里珀罗放大器法布里珀罗放大器(FP(FPSOA)SOA)-行波放大器行波放大器行波放大器行波放大器(TW(TWSOA)SOA)SOA简介p 随随随随半半半半导体激光器导体激光器导体激光器导体激光器特性的改善，特性的改善，特性的改善，特性的改善，发发发发展了展了展了展了FPFPFPFP半半半半导体导体导体导体光放大器，之光放大器，之光放大器，之光放大器，之后开后开后开后开始始始始对对对对行波式半行波式半行波式半行波式半导体导体导体导体光放大器的研光放大器的研光放大器的研光放大器的研究。究。究。究。p 半半半半导体导体导体导体光放大器由三五族的半光放大器由三五族的半光放大器由三五族的半光放大器由三五族的半导体导体导体导体合金所合金所合金所合金所制成制成制成制成，如砷化如砷化如砷化如砷化镓镓镓镓等等等等p 放大波段放大波段放大波段放大波段 13001600 nm 13001600 nm 13001600 nm 13001600 nm，涵盖涵盖涵盖涵盖1300 nm 1300 nm 1300 nm 1300 nm 窗口窗口窗口窗口p 频带宽频带宽频带宽频带宽大大大大于于于于 40 nm40 nm40 nm40 nmp 增益高增益高增益高增益高于于于于 30 dB30 dB30 dB30 dBSOA特点尺寸小，易尺寸小，易尺寸小，易尺寸小，易制制制制作成作成作成作成集成电集成电集成电集成电路路路路与集成光电路结合与集成光电路结合与集成光电路结合与集成光电路结合使用。使用。使用。使用。结构较为简单结构较为简单结构较为简单结构较为简单、功耗低、功耗低、功耗低、功耗低、寿命长寿命长寿命长寿命长、成本低。、成本低。、成本低。、成本低。增益响应增益响应增益响应增益响应相相相相当当当当快速，快速，快速，快速，适适适适用用用用于于于于交交交交换换换换及信及信及信及信号处理等光网号处理等光网号处理等光网号处理等光网络应用中。络应用中。络应用中。络应用中。同同同同时时时时具具具具有有有有光放大及光放大及光放大及光放大及信号处理信号处理信号处理信号处理的能力，如的能力，如的能力，如的能力，如开关开关开关开关功能等。功能等。功能等。功能等。应应应应用在全光波用在全光波用在全光波用在全光波长变换长变换长变换长变换、光交、光交、光交、光交换换换换中。中。中。中。SOA特点与光纤与光纤的耦合的耦合损损耗太大耗太大 易受易受偏振态影响偏振态影响(0.52 dB)(0.52 dB)噪声噪声指指数数高高(8 dB)(8 dB)易造成串音易造成串音易受易受环境温环境温度度影响影响，稳定性较差稳定性较差半导体光放大器半导体光放大器(SOA)p pn n外加正向偏压实现结区粒子数反转外加正向偏压实现结区粒子数反转外部光照导致受激辐射，信号光被放大外部光照导致受激辐射，信号光被放大内部的自发辐射产生自发辐射噪声内部的自发辐射产生自发辐射噪声(ASE)(ASE)，它也会被放大，它也会被放大没有谐振腔的选择，没有谐振腔的选择，SOASOA将同时输出将同时输出放大的光信号和自发辐射噪声放大的光信号和自发辐射噪声行波半导体光放大器行波半导体光放大器TWTWSOASOA与与FPFPSOASOA的区别在于端面的反射率大小，的区别在于端面的反射率大小，TWTWSOASOA具有极低的端面反射率，通常在具有极低的端面反射率，通常在0.1%0.1%以下。以下。降低端面反射方法：倾斜有源区法、窗面结构。降低端面反射方法：倾斜有源区法、窗面结构。TWTWSOASOA的增益、增益带宽和噪声特性都可以满足的增益、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：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。SOA的应用SOA的应用的应用SOA的应用的应用 其他应用：其他应用：其他应用：其他应用：光波长转换光波长转换光波长转换光波长转换（XGM,XPM,FWMXGM,XPM,FWM）光开关光开关光开关光开关：直接调制：直接调制：直接调制：直接调制SOASOA的注入电流实现光的通断。的注入电流实现光的通断。的注入电流实现光的通断。的注入电流实现光的通断。特点：高速、无损特点：高速、无损特点：高速、无损特点：高速、无损 光信号处理器件。光信号处理器件。光信号处理器件。光信号处理器件。半导体激光放大器(SOA)未未来发来发展方向展方向当输当输当输当输入入入入信号过大时，将信号过大时，将信号过大时，将信号过大时，将使使使使SOA SOA SOA SOA 增益增益增益增益饱和饱和饱和饱和，造成放大，造成放大，造成放大，造成放大信号信号信号信号的非的非的非的非线线线线性失真，在光性失真，在光性失真，在光性失真，在光网络网络网络网络中，中，中，中，经经经经多多多多级级级级串接放大串接放大串接放大串接放大后后后后，会会会会造造造造成成成成严重严重严重严重的的的的信号信号信号信号失真。失真。失真。失真。提高提高提高提高饱和饱和饱和饱和功率的方法功率的方法功率的方法功率的方法 增益增益增益增益钳制钳制钳制钳制(gain-clamp)(gain-clamp)(gain-clamp)(gain-clamp)光放大器光放大器光放大器光放大器 外加光外加光外加光外加光(holding light)(holding light)(holding light)(holding light)结构结构结构结构 量子井量子井量子井量子井(MQW)(MQW)(MQW)(MQW)结构结构结构结构 锥锥锥锥形波形波形波形波导结构导结构导结构导结构前前前前两两两两者缺者缺者缺者缺点为点为点为点为降低未降低未降低未降低未饱和饱和饱和饱和增益增益增益增益
