半導(dǎo)體光放大器（semiconductor optical amplifier）簡稱：SOA 導(dǎo)體光放大器的原理與摻稀土光纖放大器相似但也有不同, 其放大特性主要取決于有源層的介質(zhì)特性和激光腔的特性。它雖也是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)放大發(fā)光但發(fā)光的媒介是非平衡載流子即電子空穴對而非稀有元素。半導(dǎo)體的發(fā)光可根據(jù)激發(fā)方式的不同分為光致發(fā)光、電致發(fā)光和陰極發(fā)光等。
介紹
早在半導(dǎo)體激光器出現(xiàn)時(shí)，就開始了對SOA的研究，但由于初期的半導(dǎo)體材料激光放大器偏振靈敏度較高，使得SOA一度沉寂。但近幾年來應(yīng)變量子阱材料的研制成功，克服了偏振敏感的缺點(diǎn)，性能也有許多改進(jìn)。半導(dǎo)體光放大器的增益可以達(dá)到30dB以上，而且在1310nm窗口和1550nm窗口上都能使用。如能使其增益在相應(yīng)使用波長范圍保持平坦，那么它不僅可以作為光放大的一種有益的選擇方案，還可促成l310nm窗口WDM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。
分類
SOA有兩種：一種是將通常的半導(dǎo)體激光器當(dāng)作光放大器使用，稱作F—P半導(dǎo)體激光放大器(FPA)；另一種是在F—P激光器的兩個(gè)端面上涂有抗反射膜，消除兩端的反射，以獲得寬頻帶、高輸出、低噪聲。
優(yōu)點(diǎn)
SOA的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、體積小，可充分利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體激光器技術(shù)，制作工藝成熟，成本低、壽命長、功耗小，且便于與其他光器件進(jìn)行集成。另外，其工作波段可覆蓋l.3～1．6/μm波段，這是EDFA或PDFA所無法實(shí)現(xiàn)的。但最大的弱點(diǎn)是與光纖的耦合損耗太大，噪聲及串?dāng)_較大且易受環(huán)境溫度影響，因此穩(wěn)定性較差。SOA除了可用于光放大外，還可以作為光開關(guān)和波長變換器。
結(jié)構(gòu)
半導(dǎo)體光放大器是一種把發(fā)光器件一一半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)作為放大裝置使用的器件因?yàn)榫哂?a href="/hebeideji/8814790047084981567.html">能帶結(jié)構(gòu)所以其增益帶寬比采用光纖放大器的寬。另外通過改變所使用的半導(dǎo)體材料的組成可以使波長使用范圍超過100nm,這是半導(dǎo)體光放大器的一個(gè)突出特點(diǎn)。半導(dǎo)體光放大器由有源區(qū)和無源區(qū)構(gòu)成，如圖1所示，有源區(qū)為增益區(qū)，使用Inp這樣的半導(dǎo)體材料制作，與半導(dǎo)體激光器的主要不同之處是SOA帶抗反射涂層，以防止放大器端面的反射，排除共振器功效。抗反射涂層就是在端面設(shè)置單層或多層介質(zhì)層。以平面波人射單層介質(zhì)層時(shí)，抗反射膜的條件相對于厚度為1/4波長。實(shí)際的放大器，傳輸光是數(shù)微米的點(diǎn)光，可以研究假想波導(dǎo)模嚴(yán)格的無反射條件。去除端面反射影響的另一種方法，也可以采用使端面傾斜的方法和窗結(jié)構(gòu)。把光放大器作為光通信中繼放大器使用，入射光的偏振方向是無規(guī)則的，最好是偏振波依賴性小的放大器。為了消除這種偏振波依賴性，可以引人運(yùn)用窄條結(jié)構(gòu)使激活波導(dǎo)光路近似正方形斷面形狀的方法和施加抗張應(yīng)力，以增大TM波增益的應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)。目前，實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān)半導(dǎo)體光放大器的方法有很多種，如張應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)、應(yīng)變補(bǔ)償結(jié)構(gòu)、同時(shí)采用張應(yīng)變量子阱和壓應(yīng)變量子阱的混合應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)等。圖2為采用脊型波導(dǎo)股份結(jié)構(gòu)的應(yīng)變量子阱光放大器基本結(jié)構(gòu)圖。有源區(qū)4C3T采用混合應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，即4個(gè)壓應(yīng)變量子阱,3個(gè)張應(yīng)變量子阱，壓應(yīng)變和張應(yīng)變量子阱之間用與Ipn晶格匹配的寬的IaGaAsP壘層隔開上下波導(dǎo)層分別為波長1.15um的IaGaAsP匹配材料包層為p型Inp,接觸層為重P型摻雜IaGaAsP材料，材料的外延法生長過程中,n型摻雜源為硅烷,p型摻雜源為二甲基鋅材料；生長完成后，采用標(biāo)準(zhǔn)的光刻、反應(yīng)離子刻蝕、濕法腐蝕、蒸發(fā)、濺射等工藝制作脊型波導(dǎo)股份結(jié)構(gòu)。
原理
光致發(fā)光是指用半導(dǎo)體的光吸收作用來產(chǎn)生非平衡載流子，實(shí)際上是一種光向另一種光轉(zhuǎn)換的過程。電致發(fā)光是指用電學(xué)方法將非平衡載流子直接注人到半導(dǎo)體中而產(chǎn)生發(fā)光，這常借助于PN結(jié)來完成。在半導(dǎo)體中電子的能級限制在導(dǎo)帶和價(jià)帶兩個(gè)帶內(nèi)，在導(dǎo)帶中電子充當(dāng)移動(dòng)載流子，在價(jià)帶中空穴充當(dāng)載流子。半導(dǎo)體在外界激發(fā)下，可將價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶中，同時(shí)在價(jià)帶中留下空穴，所產(chǎn)生的電子和空穴分別躍遷到導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂，這一過程只與晶格交換能量而不產(chǎn)生光發(fā)射，稱為無輻射躍遷，與此同時(shí)，導(dǎo)帶底的電子還要躍遷到價(jià)帶頂與空穴復(fù)合，并同時(shí)發(fā)射光子，二者形成動(dòng)態(tài)平衡，與熱平衡狀態(tài)下的情況不同，這時(shí)的電子和空穴為非平衡載流子，載流子的分布不再是恩里科·費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布。
半導(dǎo)體在外界激勵(lì)下會(huì)產(chǎn)生非平衡載流子，半導(dǎo)體在泵浦光激勵(lì)下怎樣產(chǎn)生光放大為了盡可能簡單，假設(shè)半導(dǎo)體在0K,費(fèi)米能級在禁帶的中間位置，因此在Ep以下的每個(gè)有效能級上被電子充滿，則半導(dǎo)體將吸收子。如果半導(dǎo)體未受光泵浦激勵(lì)，則半導(dǎo)體將吸收光子，其實(shí)半導(dǎo)體的兩個(gè)能帶所扮演的角色類似于EDFA中的能帶E1和E2所起的作用，只是它的能帶比EDFA的能帶更寬。一個(gè)帶3隙Ex把處在下面的導(dǎo)帶和上面的價(jià)帶分開，這樣，從一個(gè)能帶轉(zhuǎn)移到另一個(gè)能帶內(nèi)所發(fā)生的能量改變至少是Eg,因此，若hv>E則半導(dǎo)體吸收光子，當(dāng)吸收了泵浦光子后就會(huì)在導(dǎo)帶中產(chǎn)生電子，而在價(jià)帶中留下空穴，然后電子和空穴都迅速向能帶的最底點(diǎn)弛豫，并通過發(fā)射一個(gè)能量為禁帶寬度能量的光子復(fù)合。如果泵浦源的強(qiáng)度越來越大，電子將會(huì)趨向于累積在導(dǎo)帶的底部，空穴趨向于累積在價(jià)帶的頂部，直到電子空穴對的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡為止。如果假設(shè)帶內(nèi)馳豫過程比帶間復(fù)合速率快得多，那么可以利用準(zhǔn)費(fèi)米能級Epn和Epp來描述電子空穴的數(shù)目。于是導(dǎo)帶底和Epn之間的每個(gè)態(tài)都被添滿，而價(jià)帶頂和之間的所有態(tài)都是空的，從而實(shí)現(xiàn)光放大。通過適當(dāng)?shù)倪x擇半導(dǎo)體材料，就可獲得能使發(fā)射或吸收波長處于光通信所需要的范圍(如1300nm或1550nm)內(nèi)的帶隙。
參考資料 >