關于半導體光放大器第一頁，共三十九頁，2022年，8月28日2半導體光放大器內容安排SOA的簡介SOA的出現和發展SOA的基本原理SOA技術的應用SOA的發展

第二頁，共三十九頁，2022年，8月28日3一、半導體光放大器的簡介1、半導體光放大器（SOA）概念：以半導體材料作為增益介質、能對外來光子進行放大或提供增益的光電子器件。半導體光放大器與激光器

相同點：都需要增益介質

都能使光子在增益介質內引起高效的受激輻射都需為受激輻射所需的粒子數反轉提供所需能源

不同點：所要放大的光子的來源上的差別第三頁，共三十九頁，2022年，8月28日4一、半導體光放大器的簡介優點：

1、工作波長范圍大（1310nm到1550nm）2、體積小，結構簡單，功耗低，反應速度快3、可與其他有源和無源光電子器件進行混合或單片集成

第四頁，共三十九頁，2022年，8月28日5一、半導體光放大器的簡介缺點：1、不同波長通道間存在較強的交叉增益調制與非線性相互作用2、在與光纖進行耦合時，芯片兩端與光纖的耦合損耗均在3dB以上第五頁，共三十九頁，2022年，8月28日6二、SOA的出現與發展1、SOA的出現1960年，美國貝爾實驗室研究出以紅寶石為介質的世界上第一臺激光器1962年，前蘇聯的列別捷夫和美國的4個單位幾乎同時研究出以半導體GaAs為增益介質的半導體激光器。（同質結）第六頁，共三十九頁，2022年，8月28日7二、SOA的出現與發展1966年，美籍華人高錕和喬治何克漢提出用石英玻璃纖維光載波所攜帶的信息。半導體激光器被期待為光纖通信的理想光源。貝爾實驗室開始研究異質結半導體激光器(GaAlAs)。1970年，研究出雙異質結半導體激光器，與此同時，美國康寧公司將玻璃纖維損耗從1000dB/km降至20dB/km，使光纖通信成為可能。第七頁，共三十九頁，2022年，8月28日8二、SOA的出現與發展2、光纖通信的需求拉動SOA的發展1983年，研究出法布里—珀羅半導體光放大器（FP-SOA）和行波半導體光放大器（TW-SOA）1987年，我國“863”計劃進一步對半導體光放大器進行研究：

基于體材料量子阱材料量子點半導體材料

波段為1310nm到1550nm

單純研究器件基于SOA波長變換碼型變化等全光信號處理的應用

第八頁，共三十九頁，2022年，8月28日9二、SOA的出現與發展3、SOA受到光纖放大器的嚴重挑戰摻稀土離子光纖放大器：EDFA——受激輻射

非線性光纖放大器：拉曼光纖放大器——非線性效應

第九頁，共三十九頁，2022年，8月28日二、SOA的出現與發展EDFA優點（Er+3粒子的優點）：

1、遷躍能力對應波長范圍=光纖最低損耗波段（1550nm）2、容易形成高濃度的粒子數反轉和高增益3、可與傳輸光纖直接熔接，熔接損耗僅為1dB4、增益與輸入光的偏振態相關性小，噪聲指數低第十頁，共三十九頁，2022年，8月28日11二、SOA的出現與發展SOA與光纖放大器性能對比僅有幾項實驗室數據可與EDFA媲美，商用器件指標比EDFA遜色第十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日12二、SOA的出現與發展4、SOA的發展機遇SOA作“全波放大器”

EDFA適用于C+L帶（1530-1565-1625nm）

要解決的問題：如何開發O帶（1260-1360nm）,E帶（1360-1460nm）和S帶（1460-1530nm）的帶寬資源

SOA對各波段光信號有放大能力第十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日13二、SOA的出現與發展SOA與EDFA“合作”光發射機和光纖放大器泵浦源必需半導體激光器可在獲得半導體激光器的同時，獲得相應SOA以EDFA為參照，取長補短提高光放大器性能第十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日14二、SOA的出現與發展SOA用于降低用戶接入網的成本反射式半導體光放大器（RSOA）第十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日15三、SOA的基本原理1、SOA的基本結構

SOA是一個半導體P-N結第十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日16三、SOA的基本原理減小半導體材料與空氣分界面上的菲涅爾反射有源層中的載流子是在由正向偏置電流注入的。有源層周圍是具有較低折射率的寬帶隙材料，使器件的注入效率和受激輻射效率大大提高第十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日17三、SOA的工作原理外加正向偏壓形成粒子數反轉外部光照導致受激輻射，光信號被放大第十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日18三、SOA的工作原理3.1半導體增益介質

內建電場

耗盡區P型半導體----++++N型半導體

空穴濃度高度高電子濃度高構成P-N結時，它們之間存在很大的載流子濃度差—導致空穴和電子向不同區域擴散，從而形成內建電場。最終擴散運動和漂移運動達到平很，內建電場穩定第十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日19三、SOA的工作原理3.2載流子注入與粒子數反轉為了使光子在增益介質中獲得增益，在外部能量作用下（半導體光放大器或者半導體激光器通常為直接電注入）形成離子束反轉是產生受激輻射從而產生增益的必要條件。粒子數反轉：高能級E2上的粒子數目大于低能級E1上的粒子數目。第十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日20二、SOA的工作原理3.2載流子注入與粒子數反轉形成如果P-N結原內建電場電壓為VD,兩端加正向偏壓V，則外電場削弱內建電場對載流子擴散運動的阻擋作用P區和N區的費米能級重新分離，且滿足：

EN

–EP=eV注入耗盡層的非平衡載流子通過自發輻射復合產生電致發光，當外加電場滿足:eV=EN

–EP>Eg

時，注入耗盡區內的電子和空穴通過輻射符合而產生光子的速率將大于材料對光子的吸收速率，從而在半導體內產生增益第二十頁，共三十九頁，2022年，8月28日21二、SOA的工作原理3.3受激輻射處于高能級E2的電子在外來光場的感應下，發射一個與感應光子一模一樣的光子特點：

（1）感應光子的能量等于

向下躍遷的能及之差。

（2）受激輻射產生的光子

與感應光子是全同光子

（3）受激輻射過程實質是對外來入射光的放大過程。

第二十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日22二、SOA的工作原理3.4SOA的分類

1、法布里-珀羅型激光放大器FP型半導體及光放大器的結構完全等同于半導體激光器增益限制因素：

泵浦速率

輸入信號功率

注入光頻

半導體激光放大器腔結構參數等第二十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日23三、SOA的工作原理2、行波型半導體激光放大器理想的行波型半導體激光放大器實際上可以看作兩端面具有零反射率的FP型半導體激光放大器。增益限制因素：

（1）放大了的自發輻射所引起的增益飽和效應

（2）其它外光學元件反射所產生的標準具效應第二十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日24三、SOA的工作原理TW－SOA與FP－SOA的區別在于端面的反射率大小，TW－SOA具有極低的端面反射率，通常在0.1%以下。降低端面反射方法：傾斜有源區法、窗面結構。TW－SOA的增益、增益帶寬和噪聲特性都可以滿足光纖通信的要求，但如下兩個缺點限制著它在光纖通信中的實際應用：對光信號偏振態的敏感性；對光信號增益的飽和性。第二十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日25三、SOA的工作原理3.5半導體激光器與半導體光放大器的比較1、放大光子來源

半導體激光器：放大由自發輻射所產生的光子

半導體光放大器：放大腔外進來的需要放大的光子2、LD、FP-SOA和TW-SOA的結構和工作方式第二十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日26三、SOA的工作原理2、LD、FP-SOA和TW-SOA的結構和工作方式基本差別：半導體激光器偏置在閾值之上FP-SOA偏置在閾值以下TW-SOA偏置在獲得所需獲得所需線性

增益的注入電流第二十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日27四、SOA技術的應用4.1SOA技術在光通信系統中的應用1、置于光檢測器錢作為“光前置放大器”可以減小最小可檢測功率，從而大大提高檢測靈敏度，增長光纖通信的距離。第二十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日28四、SOA技術的應用4.1SOA技術在光通信系統中的應用2、用作電再生端的“光中繼器”SOA作為“光中繼器”，可以用來補償由于光纖產生的損耗，從而擴展了兩電再生之間的距離。第二十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日29四、SOA技術的應用4.1SOA技術在光通信系統中的應用3、SOA可作為“光功率放大器”用于用戶環路中。其作用是用來補償光開關器件和光功率分配器中的插入損耗和功率分配損耗第二十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日30四、SOA技術的應用4.2SOA在全光波長轉換中的應用波長轉換：實現傳輸信息從一個波長向另一個波長

的轉換第三十頁，共三十九頁，2022年，8月28日31四、SOA技術的應用波分復用系統中對波長轉換器性能要求：高可靠性，低功率消耗，比特率透明，無消光比退化現象，大的輸入功率動態范圍和小的輸出功率范圍，大的波長轉換范圍，結構簡單等?；赟OA的全光波長轉換器：

交叉增益調制（XGM）型

交叉相位調制（XPM）型FWM型優點：SOA具有多種非線性效應、所需信號輸入功率小、體積小并且便于集成。

第三十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日32四、SOA技術的應用4.5SOA技術應用總結器件工作原理應用

半導體光放大器

線性應用

增益介質：線放、功放和前放

增益介質：SOA環形腔用于微波濾波增益介質：SOA環形腔用于多波長產生增益介質：反射式SOA用于接入網中放大光信號

光開關矩陣

基于SOA光開關的可控制光延時

反射式SOA的直接調制實現加載信息第三十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日33四、SOA技術的應用器件工作原理

應用半導體光放大器非線性應用

全光波長轉換

基于波長轉換實現可調光延時

基于ASE的SGM實現微波濾波

全光邏輯門及復雜邏輯運算

全光解復用

全光采樣SOA環形腔用于全光時鐘恢復

基于FWM效應的慢光效應

基于XPM或者XGM效應的UWB信號產生

全光碼型轉換

基于XPM或者XGM效應的全光微分運算第三十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日34五、SOA的發展1、基于低維量子結構的SOA低維量子結構：半導體超晶格、量子阱、量子線和

量子點