半导体光放大器及其应用(黄德修,张新亮,黄黎蓉编著)思维导图
半导体光放大器SOAppt课件
有源层周围是具有
较低折射率的宽带
隙材料,提高受激辐
射效率和注入效率
目录
SOA概述
◦ SOA简介
◦ SOA发展历程
SOA的分类和结构
SOA的工作原理
SOA的特性
SOA的应用
SOA的工作原理
受激辐射：
在外加的偏置电流作用下，形成了粒子数反转。
处于高能级的电子在外来光场的感应下，发射
一个与感应光子一模一样的光子。
常数和峰值增益的频率可以相差很大，不同偏振态输入光信号的增益也可达到5-8dB。
这种特性称为偏振灵敏性。以FP-SOA为例，主要原因在于有源层很薄，对TE和TM模的限
制因子Γ和有效折射率不同，并且腔面对TE和TM模的反射系数R也不同，当注入电流接近
闲值电流时，TE模的增益比TM模的增益高。两种模的单程增益差为:
益不增加。
当注入电流一定时，未达到饱和时，
输出光功率随着输入功率增加而增加，
但达到饱和时，表现为输出光功率增
大趋势随光功率增加而减缓。
SOA增益随输入光信号功率的关系
SOA的噪声特性
半导体光放大器是一种基于受激辐射的放大器，同时又存在自发辐射，自发辐射是一种固有
的非相干光辐射，是一种噪声。输入光得到了放大，同时也混入了自发辐射噪声。
目录
SOA概述
◦ SOA简介
◦ SOA发展历程
SOA的分类和结构
SOA的工作原理
SOA的特性
SOA的应用
SOA简介
◦ 半导体光放大器（SOA）是以半导体材料作为增益介质，能对外来光子进行放大或提供增益的光电
子器件。
SOA与激光器的区别
相同点：
都需要增益介质
《半导体照明》PPT课件上课讲义
存在的问题
• 价格过高 • 发光效率还不够高 • 性价比低 • 还不到民众普及的时刻 • 半导体照明的寿命实际上还涉及多方面的
问题，与10万小时的理论寿命有差距 • 专利争议
• 高频特性，可以达到300G Hz（硅为10G， 砷化镓为80G）
GaN半导体材料特点
• 高温特性，在300℃正常工作（非常适用于 航天、军事和其它高温环境）
• 耐酸、耐碱、耐腐蚀（可用于恶劣环境）
• 高压特性（耐冲击，可靠性高）
• 大功率（对通讯设备是非常渴望的）
GaN外延片生产
• 通过MOCVD进行GaN单晶膜外延生长 用蓝宝石为衬底材料 用高纯氨气提供氮源 用金属有机源提供镓、铟、铝源 通过金属有机源化学气相沉积的方法 进行生长
方大集团于2001年9月在国内第一个 生产出GaN基LED外延片
方大集团6X2MOCVD设备
GaN基蓝绿光LED芯片
GaN基大功率蓝光LED芯片
GaN半导体光电器件应用
• 蓝、绿光LED
全彩色大屏幕 交通信号灯 背光源、仪器仪表指示灯 景观光源
室外大LED全彩色屏幕
LED交通信号灯
城 市 建 筑 装 饰 灯 光 工 程
七、未来的前景
未来的指标
• 发光效率达到 200 ml/w • 显色指数接近 100% • 新的半导体材料和技术会进一步发展 • 价格下降，为百姓所接受
进入主流光源是必然趋势
• 没有人怀疑 • 国内外的传统照明企业都非常积极 • 真正进入绿色照明 • 产业链条已经形成，互动作用明显
半导体光放大器
R1
R2
半导体光放大器示意图
•半导体光放大器的放大特性主要决定于激光腔的反射特性与有源层的介质特性。 •根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体光放大器分为：----法布里－ 珀罗放大器(FP－SOA)
----行波放大器(TW－SOA)
SOA的基本结构
SOA是一个半导体P-N结
减小半导体材料 与空气分界面上 的菲涅尔反射
在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为：
Rth
1 2L
ln
1 R1R2
式中，Rth 为阈值增益系数，α为谐振腔内激活物质的损耗系数，L为谐振腔的长 度，R1，R2<1为两个反射镜的反射率
激光振荡的相位条件为
L m 或 2nL
2n
m
式中，λ为激光波长，n为激活物质的折射率，m=1, 2, 3 …称为纵模模数。
产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。 设在单位物质中，处于 低能级E1和处于高能级E2(E2>E1)的原子数分别为N1和N2。
当系统处于热平衡状态时，
N2 exp( E2 E1 )
N1
kT
式中， k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2E1)>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。 这是因为电子总是首先 占据低能量的轨道。
信号处理的应用
光放大器有半导体光放大器和光纤放大器两种类型。
半导体放大器分为谐振式和行波式；
光纤放大器分为掺稀土元素光纤放大器和非线性光学放大 器。
非线性光学放大器分为拉曼（SRA）和布里渊（SBA） 光纤放大器。
3、SOA受到光纤放大器的严重挑战
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 20080030303８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。
半导体激光器原理及应用86页PPT
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时原理及应用
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。
第十一章光放大器-资料
作业
11.14
假设没有自发辐射，由能量守恒原则有：
GPs,out1p
Ps,in
s
Pp,in
Ps,in↑
↓
当输入功率非常大时，
即 Ps,in >> (p/s)Pp,in ，
放大器增益是1，即对 信号无放大
EDFA的增益：随增益介质长度变化
当泵浦光足够强的时候，EDFA长为L时的最大增益为：
Gmaxer seL
放大器的类型
1.半导体激光放大器 (SOA) 结构大体上与激光二极管 (Laser Diode, LD) 相同
2.掺杂光纤放大器 (DFA) 利用稀土金属离子 (铒) 作为激活工作物质的一种放大器
光放大器的工作原理
(2) 受激辐射 (1) 能量注入
光放大器与激光器的唯一区别就是光放大器没有正反馈机制
缺点：只能对单一波长进行波长转换
基于四波混频的波长变换
f1: signal f2: CW
2f1-f2: signal 2f2-f1: signal
E2f1-f2 Ef1Ef2 2f1f2 E2f2-f1 Ef1Ef2 2f2f1
优点：真正的全光波长转换 缺点：随着转换波长范围的扩
大，转换效率迅速降低
s
p hv s s hv p
输出能量不超过原有信号能量与注入的泵浦能量之和
功率转换效率 PCEPs,ou t Ps,inPs,out
Pp,in
Pp,in
极限情况下泵浦光都用于放大信号光，那么此时：
PCEPs,out p 1
Pp,in
s
EDFA的增益：随输入功率的变化
SSm m * iinnG2
N NN*
半导体光放大器(SOA)
半导体光放大器(SOA)SOA的放大原理与半导体激光器的工作原理相同，也是利用能级间受激跃迁而出现粒子数反转的现象进行光放大。
SOA有两种：一种是将通常的半导体激光器当作光放大器使用，称作F—P半导体激光放大器(FPA)；另一种是在F—P激光器的两个端面上涂有抗反射膜，消除两端的反射，以获得宽频带、高输出、低噪声。
早在半导体激光器出现时，就开始了对SOA的研究，但由于初期的半导体材料激光放大器偏振灵敏度较高，使得SOA一度沉寂。
但近几年来应变量子阱材料的研制成功，克服了偏振敏感的缺点，性能也有许多改进。
半导体光放大器的增益可以达到30dB以上，而且在1310nm窗口和1550nm窗口上都能使用。
如能使其增益在相应使用波长范围保持平坦，那么它不仅可以作为光放大的一种有益的选择方案，还可促成l310nm窗口WDM系统的实现。
SOA的优点是：结构简单、体积小，可充分利用现有的半导体激光器技术，制作工艺成熟，成本低、寿命长、功耗小，且便于与其他光器件进行集成。
另外，其工作波段可覆盖l.3～1．6／μm波段，这是EDFA或PDFA所无法实现的。
但最大的弱点是与光纤的耦合损耗太大，噪声及串扰较大且易受环境温度影响，因此稳定性较差。
SOA除了可用于光放大外，还可以作为光开关和波长变换器。
2．拉曼光纤放大器拉曼放大技术是采用受激拉曼散射(SRS)这种非线性效应来进行放大的。
石英光纤具有很宽的受激拉曼散射增益谱，并在13THz附近有一较宽的主峰。
如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光即可得到放大，这种基于受激拉曼散射机制的光放大器即称为拉曼光纤放大器。
(1)拉曼光纤放大器的类型拉曼光纤放大器有两种类型：一种是集总式拉曼光纤放大器；另一种是分布式拉曼放大器。
集总式拉曼光纤放大器所用的光纤增益介质比较短，一般在几km，泵浦功率要求很高，一般为几W左右，可产生40dB以上的高增益，可作为功率放大器，放大EDFA所无法放大的波段。
半导体光放大器
由于SOA的载流子寿命短，增益恢复的时间长，若入射光脉冲的能量较大，SOA在对光脉冲放大的过程 中会出现增益饱和，呈现高的光学非线性。一般来说，SOA在对光脉冲放大的过程中，由于载流子浓度 的变化，引起SOA折射率的变化，脉冲经过SOA后，脉冲波形将发生变化。在数值模拟中，关于SOA的理 论模型最初是由Agrawal和Olsson提出，该模型包含了由于受激辐射消耗载流子引起的SOA增益饱和。 随着人们对这一动态过程认识的逐渐深入，以后的模型逐步发展到包含带内载流子加热和光谱烧孔引 起的增益压缩，增益非对称和漂移，，随位置和时间变化的载流子寿命等物理机制。然而，由于采用包含 上面所有物理机制的模型在进行数值模拟时比较复杂，所以一般的模型都只包含部分物理机制。而要准 确模拟超短光脉冲经SOA后的放大脉冲的特性，必须包含所有物理机制。过去Agrawal等人的研究中，在 考虑部分物理机制的情况下，SOA对高斯光脉冲和边沿较为平缓的超高斯光脉冲的放大特性作过初步 的理论研究，而要使理论研究更加接近物理事实，必须全面考虑SOA的物理机制。
波长变换即为波长的再分配和再利用以解决交叉连接中的波长竞争、有效地进行路由选择、降 低网络的阻塞率。从而提高网络的灵活性和可扩展性，同时也有利于网络的运行、管理和控制电光型已经实用， 但是其变换效率低，对信号不透明。目前研究热点集中往全光波长变换上。在多种波长变换的 方案中，基于SOA的波长变换比通常的光/电/光(O/E/O)方式要简单和成本低。可利用其交叉增 益调制(XGM)、交叉相位调制(XPM)或四波混频(FWM)方案来实现。因FWM波长转换的效率低而难 获得实用：XGM结构简单、容易实现，但转换后信号与输入信号反相且反转光脉冲带有较大的 啁啾，XPM能实现同相和消光比高的波长转换，但需要两个SOA分别置于M-Z。干涉仪的两臂上， 这只有用光子集成的工艺才能凑效。为了解决在基于SOA的交叉增益调制全光波长变换中反转光 脉冲带有较大的啁啾，采用串联的SOA可以在提高转换距离的同时，有效降低反转光脉冲的啁啾 量。在基于SOA的四波混频全光波长变换中，通过适当调节SOA的饱和功率、以及光谱烧孔和载 流子加热的饱和功率的情况下，可以得到在较大的波长转换范围内，转换效率均衡的目的。