SOA光放大器：一文快速让你了解半导体光放大器

半导体光放大器是基于半导体增益介质的光放大器。它本质上就像光纤耦合半导体激光管，端镜已被增透膜取代;倾斜波导可用于进一步降低末端反射率。信号光通常通过半导体单模波导发送，横向尺寸为1-2μm，长度约为0.5-2mm。波导模式与有源（放大）区域有显著重叠，有源（放大）区域由电流泵送。注入电流在导带中产生一定的载流子密度，允许从导带到价带的光跃迁。增益最大值发生在略高于带隙能量的光子能量上。

半导体光放大器工作原理

       半导体光放大器通过受激发射对入射光信号进行放大，其机理与半导体激光器相同。SOA光放大器只是一个没有反馈的半导体激光器，其核心是当半导体光放大器被光或电泵浦时，粒子数反转获得光增益，如图1a所示。光放大器增益分布曲线和相应的放大器增益频谱曲线如图1b所示。

       但是，半导体激光器在解理面存在反射（反射系数R约为32%），具有相当大的反馈。当偏流低于阈值时，它们被作为半导体光放大器使用，但是必须考虑在法布里-珀罗（F-P）腔体界面上的多次反射，如图2a所示。这种半导体光放大器就称为F-P放大器。

       当R1=R2，并考虑到ν=νm时，使用F-P干涉理论可以求得该放大器的放大倍数GFPA(ν)为

 

 

图1 半导体光放大器原理和增益分布曲线

a）行波半导体光放大器  b）光放大器增益分布曲线g（ν)和相应的放大器增益频谱曲线G（ν)

       当入射光信号的频率νs与腔体谐振频率νm相等时，增益GFPA(ν)就达到峰值，当νs偏离νm时，GFPA(ν)下降得很快，如图2b所示。由图可见，当半导体解理面与空气的反射率R=0.32时，F-P放大器在谐振频率处的峰值最大；反射率越小，增益也越小；当R=0时，半导体激光器就变为半导体行波光放大器，其增益频谱特性是高斯曲线。

 

图 2法布里-玻罗（F-P）半导体光放大器（SOA）

a）SOA的结构和原理图   b）SOA不同反射率的增益频谱曲线

       由以上的讨论可知，增大提供光反馈的F-P谐振腔的反射率R，可以显著地增加SOA的增益，反射率R越大，在谐振频率处的增益也越大。但是，当R超过一定值后，半导体光放大器将变为半导体激光器。当GR=1时，公式（1）将变为无限大，此时SOA产生激光发射。

SOA 放大特性

Inphenix的半导体光放大器已被证明是多功能和多功能设备，是光网络的关键构建模块。有五个主要参数用于表征半导体光放大器（SOA）：

· 小信号增益（gs）;在 -22dBm 输入功率下高达 25 dB;

· 增益带宽;在 80 dB 时高达 3 nm

· 饱和输出功率 （psat） 高达 17 dBm;

· 噪声系数 （NF） 7.0-8.0 dB;

· 偏振相关增益 （PDG）<1 dB 或高达 10 dB

SOA光放大器应具有适合应用的最高增益。还需要宽光带宽，以便SOA可以放大宽范围的信号波长。增益饱和效应会给输出带来不希望的失真，因此理想的SOA应具有非常高的饱和输出功率，以实现良好的线性度，并以最小的失真最大化其动态范围。理想的SOA还应该具有非常低的噪声系数（物理极限为3dB），以最小化输出端的放大自发发射（ASE）功率。最后，理想的SOA应具有非常低的极化灵敏度，以最小化横向电（TE）和横向磁（TM）极化状态之间的增益差。然而，理想的SOA是不可能实现的，因为其中发生的各种过程的物理限制。

图 3- SOA 相互关联的参数

SOA参数是密切相关的，为了实现一个参数的最佳值，应该妥协其他规范和/或控制频谱工作区域，如图3所示。

SOA 的类型

根据 SOA 在客户系统中扮演的角色，它们可以分为四类：串联、助推器;切换 SOA 和前置放大器;

· 直插：更高的增益，中等的 Psat;较低的NF和较低的PDG，通常与极化无关的SOA;

· 增强器：较高的Psat，较低的增益，通常取决于极化;

· 开关：更高的消光比和更快的上升/下降时间;

· 前置放大器：适用于更长的传输距离、更低的 NF 和更高的增益。

此外，PDG 可以确定 SOA 的极性。例如，如果PDG小于1.5dB，则SOA与极性无关（P-I），如果PDG高达10 dB，则SOA与极性相关（P-D）。

SOA 的应用

1、传统应用

放大是SOA在光通信系统中的基本原理应用。SOAsarea高度通用的组件，可用于电信中的各种放大和路由功能。商业化的SOA现已在市场上广泛使用，并正迅速成为一种经济高效的解决方案，用于核心、城域和最终接入应用的先进光学系统中的光放大。SOA可用于任何光通信网络，通过作为升压放大器（后置放大器）、直列放大器在链路中的各个点重新生成信号。

2、电信

SOA 被各行各业广泛使用。最重要的行业之一是电信，它们在路由和交换方面受到重视。此外，SOA还用于增强或放大长距离光纤通信的信号输出。在此应用中，电信公司使用从总部到数据中心的光纤线路。这些传输线可能超过10公里或更远，需要使用SOA来增强/放大来自通常光源的信号。

光子载流子中的图4-SOA（上）可用于光子集成电路（PIC）（左下）

3、功能应用

SOA还可用于执行在未来光学透明网络中有用的功能。这些全光功能可以帮助克服所谓的“电子瓶颈”，这是目前部署高速光通信网络（例如光波长转换器）的主要限制因素。SOA 函数应用程序总是基于 SOA 非线性的。这些非线性主要是由放大器输入信号引起的载波密度变化引起的。SOA中常用的四种主要非线性类型是交叉增益调制（XGM）、交叉相位调制（XPM）、自相位调制（SPM）和四波混频（FWM）。

4、传感

传感是在许多应用中使用 SOA 的另一个重要行业。SOA在传感器中的一个重要用途是光纤布拉格解调仪。在此设置中，SLD 或 DFB 用作输入光源。SOA将光信号提升到光纤布拉格光栅（FBG），通常通过环行器来控制光信号的方向。温度或应变的变化会改变光信号到PD/传感器的波长或时序。这可以提醒用户可能的故障。

SOA在传感中的另一个重要用途是光检测和测距（LiDAR）。LiDAR 设备可以很小，仅用于多普勒测距，也可以显示为能够映射的阵列。LiDAR 应用的一个例子使用调频连续波 （FMCW） 来检测运动的多普勒效应，例如自动驾驶汽车和无人机。此外，FMCW还可用于制图和检查。窄带中使用的SOA（通常与DFB一起使用）可以具有高输出功率>20mW，用于更长的范围。

图6-集成SOA的LiDAR芯片。这些芯片的阵列提供了广域扫描。

图7 - 调频连续波（FMCW）激光雷达。绿色的 SOA。

5、CWDM

之前强调的小尺寸、良好的集成能力和通过规模化制造工艺降低成本的巨大潜力将继续确保SOA在未来的先进光网络中发挥越来越重要的作用。粗波分复用 （CWDM） 是一种经济的路线，可为城域网和企业网络层提供连接灵活性并提高吞吐量。扩展CWDM系统的容量和距离（>100公里）需要在整个光带宽（从1260 nm到1620 nm）上运行的低成本光放大器。SOA 是目前唯一可行的技术，可以部署以满足这些不断扩展的应用程序。

6、波多姆-PON

SOA在电信中的扩展作用是它们在波分复用-无源光网络（WDM-PON）中的使用。电缆公司利用从家庭办公室到接收数据的客户的光纤线路，通常具有节点或分发中心来协助交换和路由数据。此设置允许将数据有效地分发给大型客户群。SOA 是 WDM-PON 的早期应用，但将来可能会有所增长。
SOA 还有其他一些有吸引力的应用，例如强度调制器和相位调制器、用于光信号处理的 SOA 逻辑、用于光时分复用网络的 SOA 加/放复用器、可在高频 （> 10 GHz 轻松生成脉冲的 SOA 脉冲发生器、光接收器和 3R 发生器所需的 SOA 时钟恢复， SOA色散补偿器克服了色散对传输距离的限制，SOA检测器检测光信号。SOA也可用于选通光信号，即信号可以被SOA放大或吸收。SOA在低偏置电流下的阻断特性非常有用，因为它们支持通道路由功能，例如可重新配置的加/插复用器（ROADM），可以在通道隔离优于50 dB的情况下产生。

SOA的优势

1. SOA在带宽内提供的光增益与入射光信号的波长相对无关。

2. 注入电流用作放大的泵浦信号，而不是光泵浦。

3. 由于其紧凑的尺寸，SOA可以与单个平面衬底上的多个波导光子器件集成。

4. 它们使用与二极管激光器相同的技术。

5. SOA 能够在 1300 nm 和 1550 nm 的通信光谱带下工作，带宽更宽（高达 100 nm）。

6. 它们可以配置和集成，以用作光接收器端的前置放大器。

7. SOA 可以用作 WDM 光网络中的简单逻辑门。

SOA的局限性

1. SOA可以提供高达几十毫瓦（mW）的输出光功率，这通常足以满足光纤通信链路中的单通道操作。但是，WDM 系统可能需要每个通道高达几 mW 的功率。

2. 由于输入光纤进出SOA集成芯片的耦合往往会引起信号损失，因此SOA必须提供额外的光增益，以尽量减少这种损耗对有源区域的输入/输出方面的影响。

3. SOA对输入光信号的偏振高度敏感。

4. 它们在有源介质中产生的噪声水平高于光纤放大器。

5. 如果在WDM应用中根据需要放大多个光通道，SOA会产生严重的串扰。

如何使半导体激光器变为半导体光放大器

      减小LD解理端面反射反馈，使就可以制出行波半导体光放大器。使条状有源区与正常的解理面倾斜或在有源层端面和解理面之间插入透明窗口区，如图8所示。在图8b的输出透明窗口区，光束在到达半导体和空气界面前在该窗口区已发散，经界面反射的光束进一步发散，只有极小部分光耦合进薄的有源层。当与抗反射膜一起使用时，反射率可以小至10-4，从而使LD变为SOA。

 

图8 减小反射使LD近似变为行波（TW）半导体光放大器（SOA）

a）条状有源区与解理面成倾斜结构  b）窗口解理面结构

本文来源：科能融合通信

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产品描述：

  KG-SOA半导体光放大器模块内部采用了进口高性能SOA，采用独特的ATC设计保证输出功率的稳定性，其高速全光放大的模块，对传输协议完全透明的特点，尤其适用于高速光纤通信系统。同时可以提供台式封装，能够满足科研试验领域的需求 ，前面板提供电源开关，LCD 功率显示，输出功率调解旋钮，后面板提供了 RS232 计算机接口。

产品特点：

  光纤器件的生产和性能测试

  小信号功率放大

  实验室研究领域

  光纤通信系统

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  低噪声指数

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  偏振相关度低

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