半導體光放大器

半導體光放大器（semiconductor optical amplifier）簡稱：SOA

導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於有源層的介質特性和雷射腔的特性。它雖也是粒子數反轉放大發光但發光的媒介是非平衡載流子即電子空穴對而非稀有元素。半導體的發光可根據激發方式的不同分為光致發光、電致發光和陰極發光等。

中文名稱	半導體光放大器
英文名稱	semiconductor optical amplifier;SOA
定　　義	一種由半導體材料製造的光放大器。
套用學科	通信科技（一級學科），光纖傳輸與接入（二級學科）

基本介紹

• 中文名：半導體光放大器
• 外文名：semiconductor optical amplifier
• 簡稱：SOA

介紹

早在半導體雷射器出現時，就開始了對SOA的研究，但由於初期的半導體材料雷射放大器偏振靈敏度較高，使得SOA一度沉寂。但近幾年來應變數子阱材料的研製成功，克服了偏振敏感的缺點，性能也有許多改進。半導體光放大器的增益可以達到30dB以上，而且在1310nm視窗和1550nm視窗上都能使用。如能使其增益在相應使用波長範圍保持平坦，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視窗WDM系統的實現。

分類

SOA有兩種：一種是將通常的半導體雷射器當作光放大器使用，稱作F—P半導體雷射放大器(FPA)；另一種是在F—P雷射器的兩個端面上塗有抗反射膜，消除兩端的反射，以獲得寬頻帶、高輸出、低噪聲。

優點

SOA的優點是：結構簡單、體積小，可充分利用現有的半導體雷射器技術，製作工藝成熟，成本低、壽命長、功耗小，且便於與其他光器件進行集成。另外，其工作波段可覆蓋l.3～1．6/μm波段，這是EDFA或PDFA所無法實現的。但最大的弱點是與光纖的耦合損耗太大，噪聲及串擾較大且易受環境溫度影響，因此穩定性較差。SOA除了可用於光放大外，還可以作為光開關和波長變換器。

結構

半導體光放大器是一種把發光器件一一半導體雷射器結構作為放大裝置使用的器件因為具有能帶結構所以其增益頻寬比採用光纖放大器的寬。另外通過改變所使用的半導體材料的組成可以使波長使用範圍超過100nm,這是半導體光放大器的一個突出特點。半導體光放大器由有源區和無源區構成,如圖1所示,有源區為增益區,使用Inp這樣的半導體材料製作,與半導體雷射器的主要不同之處是SOA帶抗反射塗層,以防止放大器端面的反射,排除共振器功效。抗反射塗層就是在端面設定單層或多層介質層。以平面波人射單層介質層時,抗反射膜的條件相對於厚度為1/4波長。實際的放大器,傳輸光是數微米的點光,可以研究假想波導模嚴格的無反射條件。去除端面反射影響的另一種方法,也可以採用使端面傾斜的方法和窗結構。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,可以引人運用窄條結構使激活波導光路近似正方形斷面形狀的方法和施加抗張應力,以增大TM波增益的應變數子阱結構。目前,實現偏振無關半導體光放大器的方法有很多種,如張應變數子阱結構、應變補償結構、同時採用張應變數子阱和壓應變數子阱的混合應變數子阱結構等。圖2為採用脊型波導結構的應變數子阱光放大器基本結構圖。有源區4C3T採用混合應變數子阱結構,即4個壓應變數子阱,3個張應變數子阱,壓應變和張應變數子阱之間用與Ipn晶格匹配的寬的IaGaAsP壘層隔開上下波導層分別為波長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型摻雜源為矽烷,p型摻雜源為二甲基鋅材料；生長完成後,採用標準的光刻、反應離子刻蝕、濕法腐蝕、蒸發、濺射等工藝製作脊型波導結構。

原理

導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於有源層的介質特性和雷射腔的特性。它雖也是粒子數反轉放大發光但發光的媒介是非平衡載流子即電子空穴對而非稀有元素。半導體的發光可根據激發方式的不同分為光致發光、電致發光和陰極發光等。光致發光是指用半導體的光吸收作用來產生非平衡載流子,實際上是一種光向另一種光轉換的過程。電致發光是指用電學方法將非平衡載流子直接注人到半導體中而產生髮光,這常藉助於PN結來完成。在半導體中電子的能級限制在導帶和價帶兩個帶內,在導帶中電子充當移動載流子,在價帶中空穴充當載流子。半導體在外界激發下,可將價帶中的電子激發到導帶中,同時在價帶中留下空穴,所產生的電子和空穴分別躍遷到導帶底和價帶頂,這一過程只與晶格交換能量而不產生光發射,稱為無輻射躍遷,與此同時,導帶底的電子還要躍遷到價帶頂與空穴複合,並同時發射光子,二者形成動態平衡,與熱平衡狀態下的情況不同,這時的電子和空穴為非平衡載流子,載流子的分布不再是費米統計分布。

半導體在外界激勵下會產生非平衡載流子,半導體在泵浦光激勵下怎樣產生光放大為了儘可能簡單,假設半導體在0K,費米能級在禁帶的中間位置,因此在Ep以下的每個有效能級上被電子充滿,則半導體將吸收子。如果半導體未受光泵浦激勵,則半導體將吸收光子,其實半導體的兩個能帶所扮演的角色類似於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。一個帶3隙Ex把處在下面的導帶和上面的價帶分開,這樣,從一個能帶轉移到另一個能帶內所發生的能量改變至少是Eg,因此,若hv>E則半導體吸收光子,當吸收了泵浦光子後就會在導帶中產生電子,而在價帶中留下空穴,然後電子和空穴都迅速向能帶的最底點弛豫,並通過發射一個能量為禁頻寬度能量的光子複合。如果泵浦源的強度越來越大,電子將會趨向於累積在導帶的底部,空穴趨向於累積在價帶的頂部,直到電子空穴對的產生和複合達到動態平衡為止。如果假設帶內馳豫過程比帶間複合速率快得多,那么可以利用準費米能級Epn和Epp來描述電子空穴的數目。於是導帶底和Epn之間的每個態都被添滿,而價帶頂和之間的所有態都是空的,從而實現光放大。通過適當的選擇半導體材料,就可獲得能使發射或吸收波長處於光通信所需要的範圍(如1300nm或1550nm)內的帶隙。