半导体光放大器的原理及应用分析

半导体光放大器的原理及应用分析电子081 8 摘要：半导体光放大器的主要特点是它由有源区和无源区构成, 其放大原理主要取决于有源层的介质特性和激光腔的特性。半导体光放大器可用作线性放大器、波长转换器、光开关和再生器等等。关键词：半导体光放大器光纤通信波长转换器光开关1半导体光放大器的结构半导体光放大器是一种把发光器件一一半导体激光器结构作为放大装置使用的器件, 因为具有能带结构, 所以其增益带宽比采用光纤放大器的宽。另外, 通过改变所使用的半导体材料的组成可以使波长使用范围超过100nm, 这是半导体光放大器的一个突出特点。半导体光放大器由有源区和无源区构成, 如图1所示, 有源区为增益区, 使用Inp这样的半导体材料制作, 与半导体激光器的主要不同之处是SOA带抗反射涂层, 以防止放大器端面的反射, 排除共振器功效。抗反射涂层就是在端面设置单层或多层介质层。以平面波人射单层介质层时, 抗反射膜的条件相对于厚度为1/4波长。实际的放大器, 传输光是数微米的点光, 可以研究假想波导模严格的无反射条件。去除端面反射影响的另一种方法, 也可以采用使端面倾斜的方法和窗结构。把光放大器作为光通信中继放大器使用, 入射光的偏振方向是无规则的, 最好是偏振波依赖性小的放大器。为了消除这种偏振波依赖性, 可以引人运用窄条结构使激活波导光路近似正方形断面形状的方法和施加抗张应力, 以增大TM波增益的应变量子阱结构。目前, 实现偏振无关半导体光放大器的方法有很多种, 如张应变量子阱结构、应变补偿结构、同时采用张应变量子阱和压应变量子阱的混合应变量子阱结构等。图2为采用脊型波导结构的应变量子阱光放大器基本结构图。有源区4C3T采用混合应变量子阱结构, 即4个压应变量子阱, 3个张应变量子阱, 压应变和张应变量子阱之间用与Ipn晶格匹配的宽的IaGaAsP垒层隔开上下波导层分别为波长1.15um的IaGaAsP匹配材料包层为p型Inp, 接触层为重P型掺杂IaGaAsP材料, 材料的外延法生长过程中, n型掺杂源为硅烷,p 型掺杂源为二甲基锌材料；生长完成后, 采用标准的光刻、反应离子刻蚀、湿法腐蚀、蒸发、溅射等工艺制作脊型波导结构。2 半导体光放大器的原理半导体光放大器的原理与掺稀土光纤放大器相似但也有不同, 其放大特性主要取决于有源层的介质特性和激光腔的特性。它虽也是粒子数反转放大发光但发光的媒介是非平衡载流子即电子空穴对而非稀有元素。半导体的发光可根据激发方式的不同分为光致发光、电致发光和阴极发光等。光致发光是指用半导体的光吸收作用来产生非平衡载流子, 实际上是一种光向另一种光转换的过程。电致发光是指用电学方法将非平衡载流子直接注人到半导体中而产生发光, 这常借助于PN结来完成。在半导体中电子的能级限制在导带和价带两个带内, 在导带中电子充当移动载流子, 在价带中空穴充当载流子。半导体在外界激发下, 可将价带中的电子激发到导带中, 同时在价带中留下空穴, 所产生的电子和空穴分别跃迁到导带底和价带顶, 这一过程只与晶格交换能量而不产生光发射, 称为无辐射跃迁, 与此同时, 导带底的电子还要跃迁到价带顶与空穴复合, 并同时发射光子, 二者形成动态平衡, 与热平衡状态下的情况不同, 这时的电子和空穴为非平衡载流子, 载流子的分布不再是费米统计分布。由于电子从导带底跃迁到价带顶的时间常数即辐射寿命与无辐射跃迁的时间常数相比相对较长, 所以可以认为电子和空穴各自保持热平衡状态, 对载流子的这种准平衡状态分别用准费米能级和来表示。半导体的辐射跃迁包括自发跃迁和受激跃迁两个过程。自发辐射跃迁是指占据高能态的电子可以自发地跃迁到低的空能态与空穴复合, 同时发射一个光子, 这一过程称为自发辐射发光受激辐射跃迁是指与一个理想的光子相互作用后导致的受激辐射。这两个过程类似于掺饵光纤放大器(EDFA)中的自发辐射和受激辐射过程。半导体在外界激励下会产生非平衡载流子, 半导体在泵浦光激励下怎样产生光放大为?了尽可能简单, 假设半导体在0 K, 费米能级在禁带的中间位置, 因此在Ep以下的每个有效能级上被电子充满, 则半导体将吸收子。如果半导体未受光泵浦激励, 则半导体将吸收光子, 其实半导体的两个能带所扮演的角色类似于EDFA中的能带E1和E2所起的作用, 只是它的能带比EDFA的能带更宽。一个带隙Ex把处在下面的导带和上面的价带分开, 这样, 从一个能带转移到另一个能带内所发生的能量改变至少是Eg, 因此, 若hvE 则半导体吸收光子, 当吸收了泵浦光子后就会在导带中产生电子, 而在价带中留下空穴, 然后电子和空穴都迅速向能带的最底点弛豫, 并通过发射一个能量为禁带宽度能量的光子复合。如果泵浦源的强度越来越大, 电子将会趋向于累积在导带的底部, 空穴趋向于累积在价带的顶部, 直到电子空穴对的产生和复合达到动态平衡为止。如果假设带内驰豫过程比带间复合速率快得多, 那么可以利用准费米能级Epn和Epp来描述电子空穴的数目。于是导带底和Epn之间的每个态都被添满, 而价带顶和之间的所有态都是空的, 从而实现光放大。通过适当的选择半导体材料, 就可获得能使发射或吸收波长处于光通信所需要的范围(如1300nm或1550nm)内的带隙。3 半导体光放大器的应用SOA在光纤通信系统中有着广泛的应用, 不仅可做光发送机的功率放大器、线路的中继放大器、光接收机的前置放大器和光分路补偿放大器,而且还可以作为非线器件用于光开关和波长变换器等光信号处理模块 。3.1线性放大半导体光放大器用作线性放大器的优点是可靠、小尺寸和可集成。它提供了中等的性能, 因为饱和较快而噪声因素较大。采用增益籍制半导体光放大器可以有效地增加器件的饱和功率, 采用锥形结构可提高饱和输出。SOA在1300-1500nm波段的线路放大器具有很大竞争力。3.2与半导体光器件的单片集成可与其它半导体光器件集成是半导体光放大器的一个特点。目前已报导可与半导体激光器、光探测器、光调制器、光开关等器件集成。通过将光放大器集成, 可以补偿光装置的插人损耗。特别是吸收型调制器, 如果牺牲插人损耗的话, 就能降低工作电压和线性调频脉冲参数, 从而增大了元件设计的自由度, 希望能提高装置的综合性能。3.3在波长变换方面的应用全光波长转换器（简称波长转换器）将是全光通信系统及未来宽带网络中必不可少的器件, 是波分复用光网络中的关键性部件。在高速光纤通信系统中,波长转换器作为高速全光器件,能够在通信中进行波长路由选择, 在网络中能重复利用波长,提高波长使用率,使得多波长网络管理更加灵活、合理。它在光开关、光交换、波长路由、波长再用等技术中有着广泛的应用。3.4全光2R再生器传统的光电再生方法把光信号转变为电信号后, 在电域对信号进行再生后再转变为光信号, 该方法成本高并受到电子处理速度的限制。全光再生技术是最理想的再生方式, 它突破了传输速率的 “电子瓶颈” , 符合光纤网的要求。利用半导体光放大器中的自相位调制效应所引起的频谱红移现象, 通过在半导体光放大器后面放置光带通滤波器可以达到再生目的, 并且适用于高速的光纤传输信道。3.5在噪声抑制和再生中继器方面的应用波长变换器的非线性输人输出特性可应用于再生中继器方面 , 采用的信号可以改善朋或者消光比等。另外, 若在饱和区域使用光放大器, 与通常的线性放大器相比, 会降低噪声指数。这不一定会直接改善错误率。但有人提出可以用于改善光限幅光源的水, 其效果已得到证实。3.6光栅开关作为光开关的主要优点在于它的高速开光能力。本征损耗补偿因为自身光放大、高可靠性、较高集成潜力、紧凑尺寸和潜在低损耗等。有人尝试把半导体光放大器作为开关光的光栅使用, 把它与光分支电路组合在一起, 构成光空间开关, 可以获得50dB以上的较大消光比。利用它可以抑制串音, 这一点是以往波导光路型光开关所做不到的。有人提出了一种基于半导体光放大器的双端口全光光开关。这种光开关以一个平行排列藕合器作为其核心元件, 具有类似于非线性光学环路镜(NOLM)和比特光学非对称解复用器(TOAD)的结构。由于这种光开关是基于的, 所以它结构紧凑, 易于集成, 而且需要很小的控制光功率（几个Mw）。这种光开关具有两个开关端口, 满足了一些特殊应用场合的需要。人们现正在研究把多路波长与空间开关组合在一起, 实现大规模太位开关网。4结束语半导体光放大器的优点是具有很大的增益带宽一, 增益平坦性较好能够动态转换波长, 体积小, 泵浦简单, 可批量生产, 成本低。而它的缺点则是具有对信号光偏振敏感的特性, 以及对信号光增益的饱和性, 以上两点限制了在光纤通信中的应用。目前半导体光放大器的性能已得到了稳步提高, 特别是在发展大规模波分多路传输、或者光交换方式等新一代光技术方面。随着全光网络的发展, 半导体光放大器技术必将