半导体光放大器PPT幻灯片
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《光放大器》ppt课件
第6章 光放大器
当具有1550 nm波长的光信号经过这段掺铒光纤时， 亚 稳态的粒子以受激辐射的方式跃迁到基态， 并产生出 和入射光信号中的光子一模一样的光子， 从而大大添 加了信号光中的光子数量， 即实现了信号光在掺铒光 纤的传输过程中不断被放大的功能， 掺铒光纤放大器 也由此得名。
第6章 光放大器
亚稳 态 受激 辐射
4 I15 /2
基态
1550 nm
图6.4 铒的能级图
第6章 光放大器
铒的能级图如图6.4所示。 其发光原理可用三能级 系统来解释， 基态为4I15/2， 激发态为4I13/2， 4I11/2。 在泵浦光的鼓励下， 4I11/2能级上的粒子数不断添加， 又由于其上的粒子不稳定， 很快跃迁到亚稳态4I13/2 能级， 从而实现了粒子数反转。
第6章 光放大器
那些与信号同方向的自发辐射光子被激活介质放大, 这 些由自发辐射产生并经放大了的光子组成放大的自发 辐射(ASE), 由于它们在相位上是随机的， 它们对于信 号光没有奉献而产生了信号带宽内的噪声。
没有外部激发所产生的自发辐射依赖于较高和较 低能级上相对的粒子数， 这很容易了解。 自发辐射因 子即粒子数反转因子(nsp)可以定义为
第6章 光放大器
铒
输入光
光 纤
泵 浦 LD WDM
(a)
输出光 输入光
铒
光
纤输 出 光信 号泵 源自 LD WDM(b)铒
输入光
光 纤
输 出 光信 号
泵 浦 LD WDM
泵 浦 LD WDM
(c)
图6.6 EDFA的三种构造
光 隔 离器 偏振器
第6章 光放大器
EDFA有如下优点： 〔1〕 转移效率高， 从泵浦源吸收的光功率转移到 被放大的光信号上的功率效率大于50%。 〔2〕 放大的谱宽与目前WDM系统的光谱范围一致， 适宜于WDM光纤通讯。 〔3〕 具有较高的饱和输出光功率， 为1 mW(10～ 25 dBm)。 〔4〕 动态范围大。
第十一章光放大器--精品PPT课件
第十一章光放大器--精品PPT课件
11.1光放大器的基本应用和类型
11.1.1 光放大器在现代光纤通信 系统中的应用
光纤通信中用光纤来传输光信号。光纤的 中继距离受限于光纤的损耗和色散。就损 耗而言，目前光纤损耗典型值在1.31μm波 段 为 0 . 35dB/km 左 右， 在 1 . 55μm波 段 为 0.25dB/km左右。
极限情况下泵浦光都用于放大信号光，那么此时
PCE p 1 s
EDFA的增益
假设没有自发辐射，根据前面的能量守恒原则有：
GPs,out1p Pp,in
Ps,in
P s s,in
极端情况下，当输入信号功率非常大时，即Ps,in>>(p/s)Pp,in， 放大器最大增益是1，这表示放大器对信号几乎没有放大。
(1) 工作波长与光纤最小损耗窗口一致，可 在光纤通信中获得广泛应用。
(2) 耦合效率高。因为是光纤型放大器，易 于光纤耦合连接，也可用熔接技术与传输 光纤熔接在一起，损耗可降至0.1dB，这样 的熔接反射损耗也很小，不易自激。
(3) 能量转换效率高。激光工作物质集 中在光纤芯子，且集中在光纤芯子中的 近轴部分，而信号光和泵浦光也是在近 轴部分最强，这使得光与物质作用很充 分。
iP D E s E n2 E s 2 E n 2 2 E s E n
因此，在光检测器之后，由ASE 带来的噪声包括ASE噪声项 和ASE与信号的拍频项，它们可以落在检测器带宽内减低接收 机的信噪比。在检测器之间放置一个光滤波器，可以大幅度降 低ASE噪声的功率。
当放大器增益足够大时，系统热噪声可以忽略；另外， 放大的信号功率一般远大于ASE噪声功率，因此ASE噪声项一 般远小于ASE与信号拍频项。在这种条件下，假设检测器前加 入光滤波器，那么输出信号的信噪比可以由下式决定：
11.1光放大器的基本应用和类型
11.1.1 光放大器在现代光纤通信 系统中的应用
光纤通信中用光纤来传输光信号。光纤的 中继距离受限于光纤的损耗和色散。就损 耗而言，目前光纤损耗典型值在1.31μm波 段 为 0 . 35dB/km 左 右， 在 1 . 55μm波 段 为 0.25dB/km左右。
极限情况下泵浦光都用于放大信号光，那么此时
PCE p 1 s
EDFA的增益
假设没有自发辐射，根据前面的能量守恒原则有：
GPs,out1p Pp,in
Ps,in
P s s,in
极端情况下，当输入信号功率非常大时，即Ps,in>>(p/s)Pp,in， 放大器最大增益是1，这表示放大器对信号几乎没有放大。
(1) 工作波长与光纤最小损耗窗口一致，可 在光纤通信中获得广泛应用。
(2) 耦合效率高。因为是光纤型放大器，易 于光纤耦合连接，也可用熔接技术与传输 光纤熔接在一起，损耗可降至0.1dB，这样 的熔接反射损耗也很小，不易自激。
(3) 能量转换效率高。激光工作物质集 中在光纤芯子，且集中在光纤芯子中的 近轴部分，而信号光和泵浦光也是在近 轴部分最强，这使得光与物质作用很充 分。
iP D E s E n2 E s 2 E n 2 2 E s E n
因此，在光检测器之后，由ASE 带来的噪声包括ASE噪声项 和ASE与信号的拍频项，它们可以落在检测器带宽内减低接收 机的信噪比。在检测器之间放置一个光滤波器，可以大幅度降 低ASE噪声的功率。
当放大器增益足够大时，系统热噪声可以忽略；另外， 放大的信号功率一般远大于ASE噪声功率，因此ASE噪声项一 般远小于ASE与信号拍频项。在这种条件下，假设检测器前加 入光滤波器，那么输出信号的信噪比可以由下式决定：
半导体光放大器 ppt课件
半导体光放大器
1
ppt课件
半导体光放大器内容安排
SOA的简介 SOA的出现和发展 SOA的基本原理 SOA技术的应用 SOA的发展
2
ppt课件
一、半导体光放大器的简介
1、半导体光放大器（SOA）
概念：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。
14
ppt课件
三、SOA的基本原理
1、SOA的基本结构
SOA是一个半导体P-N结
15
ppt课件
三、SOA的基本原理
减小半导体材料 与空气分界面上 的载流子是 在由正向偏置电流注 入的。
有源层周围是具 有较低折射率的 宽带隙材料，使 器件的注入效率 和受激辐射效率 大大提高
12
ppt课件
二、 SOA的出现与发展
SOA与EDFA“合作” 光发射机和光纤放大器泵浦源必需半导体激光器
可在获得半导体激光器的同时，获得相应SOA 以EDFA为参照，取长补短提高光放大器性能
13
ppt课件
二、 SOA的出现与发展
SOA用于降低用户接入网的成本
反射式半导体光放大器（RSOA）
1、迁跃能力对应波长范围=光纤最低损耗波段 （1550nm） 2、容易形成高浓度的粒子数反转和高增益 3、可与传输光纤直接熔接，熔接损耗仅为1dB 4、增益与输入光的偏振态相关性小，噪声指数低
10
ppt课件
二、 SOA的出现与发展
SOA与光纤放大器性能对比
仅有几项实验室数据可与EDFA媲美，商用器件指标比 EDFA逊色
外加电场满足:
eV=EN – EP >Eg 时，注入耗尽区内的电子和空穴通过辐射符合而产生光子的速率 将大于材料对光子的吸收速率，从而在半导体内产生增益
1
ppt课件
半导体光放大器内容安排
SOA的简介 SOA的出现和发展 SOA的基本原理 SOA技术的应用 SOA的发展
2
ppt课件
一、半导体光放大器的简介
1、半导体光放大器（SOA）
概念：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。
14
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三、SOA的基本原理
1、SOA的基本结构
SOA是一个半导体P-N结
15
ppt课件
三、SOA的基本原理
减小半导体材料 与空气分界面上 的载流子是 在由正向偏置电流注 入的。
有源层周围是具 有较低折射率的 宽带隙材料，使 器件的注入效率 和受激辐射效率 大大提高
12
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二、 SOA的出现与发展
SOA与EDFA“合作” 光发射机和光纤放大器泵浦源必需半导体激光器
可在获得半导体激光器的同时，获得相应SOA 以EDFA为参照，取长补短提高光放大器性能
13
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二、 SOA的出现与发展
SOA用于降低用户接入网的成本
反射式半导体光放大器（RSOA）
1、迁跃能力对应波长范围=光纤最低损耗波段 （1550nm） 2、容易形成高浓度的粒子数反转和高增益 3、可与传输光纤直接熔接，熔接损耗仅为1dB 4、增益与输入光的偏振态相关性小，噪声指数低
10
ppt课件
二、 SOA的出现与发展
SOA与光纤放大器性能对比
仅有几项实验室数据可与EDFA媲美，商用器件指标比 EDFA逊色
外加电场满足:
eV=EN – EP >Eg 时，注入耗尽区内的电子和空穴通过辐射符合而产生光子的速率 将大于材料对光子的吸收速率，从而在半导体内产生增益
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
半导体三极管及放大电路PPT精品课件
截止区
图3－20
饱和区： 输出特性的上升和弯曲部分
动态：当放大电路输入信号后（vi0）， 电路中各处的电压、电流处于变动 状态，这时电路处于动态工作情况， 简称动态。
1. 估算法确定静态工作点
见图3－14(b)
IB
V CC V BE Rb
VBE：硅管约为0.7V。 锗管约为0.2V。
Rb
300k
Rc 4k Cb2
Cb1 IB
c IC
vi
e
12V
BJT的放大作用，按电流分配实现，称 之为电流控制元件；
电流放大系数
共基电路： 共射电路：
IC 1
IE
IC
IB
三、BJT的特性曲线（共射连接）
iC
iB
N
P
N
vCE
vBE
图3－8
1. 输入特性曲线
iB f (vBE ) vCE 常数
iB(mA)
vCE=0V VCE 1V
80
25 C
60
40
满足放大的外部条件。
b. 下面推导IC和IB的关系
IE = IB + IC
I C αI E I CBO
代入
IC αI B αI C ICBO
整理 式得
IC
α 1
IB
I CBO
1
令 α 1
则 I C I B (1 ) I CBO
令 I CEO (1 ) I CBO
ICEO：基极开路，c流到e的电流，称穿透电流
4k
图3－18 (a)
ib
+ vi Rb
ic +
Rc RL v0
图3－18 (b)
第3章半导体三极管及其放大电路 113页PPT
三极管的组态
• 三极管有三个电极，可视为一个二端口网络，其中 两个电极构成输入端口、两个电极构成输出端口， 输入、输出端口公用某一个电极。根据公共电极的 不同，三极管组成的放大电路有3种连接方式，通常 称为放大电路的三种组态，即共基极、共发射极和 共集电极电路组态，如图3-4所示。
08.09.2019
输入电压u i 为微弱变化的电压信号，它引起三极管基极电流的变化， 其 变 化 量 为 i b ， 若 输 入 交 流 电 压 u i 变 化 量 为 ui 40 mV ， 使 i b 变 化 ib 20 μA ，使集电极电流 ic 变化 ic ib 2 mA ，其中 (100) 称为共发 射极交流电流放大系数(其数值和共发射极直流电流放大系数 接近，即在
第3章 晶体三极管 及其放大电路
08.09.2019
基本要求
• 1）熟悉晶体三极管结构、工作原理及特性 曲线；
• 2）掌握基本放大电路的静态和动态分析， 即静态工作点和交流性能参数（电压放大 倍数、输入电阻、输出电阻）的计算；多 级放大电路的分析和计算；
• 3）了解放大电路的频率特性等。
08.09.2019
1．电流放大倍数 1）直流电流放大系数 2）交流电流放大系数
IC iICB
iB
2．极间反向电流
1）集电极－基极之间的反向饱和电流 ICBO 2）集电极－发射极之间的穿透电流 I CEO
3．集电极最大允许电流 ICM 4．集电极－发射极之间反向击穿电压 U (BR) CEO
5．集电极最大允许功率损耗 PCM
（2）饱和区
三极管工作在饱和区时，其 uCE 1V ，此时发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很 小。管子进入饱和区后， iC iB ，此时 下降， uCE 很小，一般对于硅管典型值 UCE 0.3V ，锗管典型值 UCE 0.1V 。在放大电路中应避免三极管工作在饱和区，而 在数字电路中，由于 uCE 很小，三极管视作开关闭合状态。
《光放大技术》课件
详细描述
总结词
光放大技术在光纤通信、光学传感、激光雷达等领域有广泛应用。
总结词
光放大技术广泛应用于光纤通信领域，用于放大传输过程中的光信号，提高通信系统的传输距离和可靠性。在光学传感领域，光放大技术用于提高探测器的灵敏度和分辨率。在激光雷达领域，光放大技术可以提高激光雷达的探测距离和精度。
详细描述
光放大技术也可以应用于医疗领域，如光学成像、激光治疗和光学检测等。
总结词
在光学成像领域，光放大技术可以提高成像质量和分辨率，如荧光显微镜、光学相干断层扫描仪等医疗设备中都有广泛应用。在激光治疗领域，光放大技术可以提高激光能量密度和精度，实现高效、安全的治疗效果，如激光眼科手术、激光美容等。在光学检测领域，光放大技术可以用于检测生物分子、细胞和组织等的结构和功能，为医学研究和诊断提供有力支持。
分析实验结果，对比理论值与实际值，探讨误差原因。
结果分析
总结实验结论，提出改进意见和建议。
结论总结
THANKS
感谢观看
在多通道光放大系统中，通道间的交叉增益调制效应可能会导致信号质量的下降。
探索新型的光放大材料，提高光放大器的性能和稳定性，降低对温度和泵浦光源的依赖。
新型光放大材料研究
研究适用于更宽光谱范围的光放大技术，以实现对不同波长光信号的有效放大。
宽光谱光放大技术
将光放大器与其他光器件集成在一起，实现更紧凑、高效的光通信系统。
光放大器集成化
结合人工智能和机器学习等技术，实现对光放大器的智能控制和优化，提高光放大器的性能和稳定性。
智能化光放大技术
05
光放大技术的实验与实践
光放大器、光信号发生器、光功率计、光衰减器、光隔离器、光滤波器等。
实验设备
总结词
光放大技术在光纤通信、光学传感、激光雷达等领域有广泛应用。
总结词
光放大技术广泛应用于光纤通信领域，用于放大传输过程中的光信号，提高通信系统的传输距离和可靠性。在光学传感领域，光放大技术用于提高探测器的灵敏度和分辨率。在激光雷达领域，光放大技术可以提高激光雷达的探测距离和精度。
详细描述
光放大技术也可以应用于医疗领域，如光学成像、激光治疗和光学检测等。
总结词
在光学成像领域，光放大技术可以提高成像质量和分辨率，如荧光显微镜、光学相干断层扫描仪等医疗设备中都有广泛应用。在激光治疗领域，光放大技术可以提高激光能量密度和精度，实现高效、安全的治疗效果，如激光眼科手术、激光美容等。在光学检测领域，光放大技术可以用于检测生物分子、细胞和组织等的结构和功能，为医学研究和诊断提供有力支持。
分析实验结果，对比理论值与实际值，探讨误差原因。
结果分析
总结实验结论，提出改进意见和建议。
结论总结
THANKS
感谢观看
在多通道光放大系统中，通道间的交叉增益调制效应可能会导致信号质量的下降。
探索新型的光放大材料，提高光放大器的性能和稳定性，降低对温度和泵浦光源的依赖。
新型光放大材料研究
研究适用于更宽光谱范围的光放大技术，以实现对不同波长光信号的有效放大。
宽光谱光放大技术
将光放大器与其他光器件集成在一起，实现更紧凑、高效的光通信系统。
光放大器集成化
结合人工智能和机器学习等技术，实现对光放大器的智能控制和优化，提高光放大器的性能和稳定性。
智能化光放大技术
05
光放大技术的实验与实践
光放大器、光信号发生器、光功率计、光衰减器、光隔离器、光滤波器等。
实验设备
光传输第3章 光纤通信系统用元器件(光放大器)PPT课件
光放大器在光纤通信系统目前最重要的应用就是促使了波分复用技 术(Wavelength Division Multiplexing，WDM)走向实用化。
光放大器还将促进光孤子通信技术的实用化。光孤子通信是利用光 纤的非线性来补偿光纤的色散作用的一种新型通信方式。
2
光放大器的发展最早可追溯到1923年A·斯梅卡尔预示的 自发喇曼散射。1928年印度加尔各答大学的喇曼观测到自发 喇曼效应。
铒离子的三能带结构
800n m 9 8n 0 m 1 84 n 0 m 1530n m
4 I 9 /2
吸收过程主要有： 4 I 1 1 /2 基态4I15/2→4I9/2（对应800nm泵浦）；
4 I 1 3 /2
4I15/2→4I11/2（对应980nm泵浦）； 4I15/2→4I13/2（对应1480nm泵浦）；
GG0expG (G 1•P P osut) 定义放大器增益降至最大信号增益一半时的输出功率为饱和输出功率
Posu
t
G0 G0
ln 2 2
Ps
归 一 化 增G /益0G
1 .0
0 .8
显示出增益饱和特性
0 .6
0 .4
G 0=30dB
10dB
0 .2
15dB
1 0 -2
1 0 -1
1
102
归 一 化 输 出 功 率 P out/P s
EDF
泵 浦 光
具有较高的输出信号功率
双向泵浦掺铒光纤放大器结构
信 号 光 光 隔 离 器 耦 合 器
耦 合 器 光 隔 离 器 光 滤 波 器输 出 光
泵 浦 光
EDF
泵 浦 光
具有更高的输出信号功率，性能与信号传输方向无关
光放大器还将促进光孤子通信技术的实用化。光孤子通信是利用光 纤的非线性来补偿光纤的色散作用的一种新型通信方式。
2
光放大器的发展最早可追溯到1923年A·斯梅卡尔预示的 自发喇曼散射。1928年印度加尔各答大学的喇曼观测到自发 喇曼效应。
铒离子的三能带结构
800n m 9 8n 0 m 1 84 n 0 m 1530n m
4 I 9 /2
吸收过程主要有： 4 I 1 1 /2 基态4I15/2→4I9/2（对应800nm泵浦）；
4 I 1 3 /2
4I15/2→4I11/2（对应980nm泵浦）； 4I15/2→4I13/2（对应1480nm泵浦）；
GG0expG (G 1•P P osut) 定义放大器增益降至最大信号增益一半时的输出功率为饱和输出功率
Posu
t
G0 G0
ln 2 2
Ps
归 一 化 增G /益0G
1 .0
0 .8
显示出增益饱和特性
0 .6
0 .4
G 0=30dB
10dB
0 .2
15dB
1 0 -2
1 0 -1
1
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归 一 化 输 出 功 率 P out/P s
EDF
泵 浦 光
具有较高的输出信号功率
双向泵浦掺铒光纤放大器结构
信 号 光 光 隔 离 器 耦 合 器
耦 合 器 光 隔 离 器 光 滤 波 器输 出 光
泵 浦 光
EDF
泵 浦 光
具有更高的输出信号功率，性能与信号传输方向无关
半导体光放大器PPT课件
2019/11/4
.
11
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减小反射率的方法2
增透膜 光输入
透明区 有源区
光输出
有源区端面和解理面之间插入透明窗口区。 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。
.
12
优 点
1 尺寸小，易制作成集成电路与集成光电路结合使用。 结构较为简单、功耗低、寿命长、成本低。 2
法布里珀罗放大器法布里珀罗放大器fpfpsoasoa行波放大器行波放大器twtwsoasoa根据光放大器端面根据光放大器端面反射率和工作偏置反射率和工作偏置条件将半导体光条件将半导体光放大器分为放大器分为其腔面反射率为其腔面反射率小于202019fpsoa的结构和原理半导体激光器由于在解理面存在反射当偏流低于阈值时是放大器
∙对光信号偏振态的敏感性
半导体光放大器的偏振特性主要是指放大器对输入信号光的偏振态敏感,对 不同的偏振态的增益不相同,没有经过特殊设计的半导体光放大器对TE模、 TM模的增益可相差5dB~8dB,而且会使增益的有效带宽减小,这当然是光纤 通信中不希望见到的。
2019/11/4
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14
2019/11/4
半导体光放大器
2019/11/4
姓名： 班级： 学号:
光放大器的重要性
动机：解决电中继器设备复杂、维护难、成本高的问题
光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光－电－光(O-E-O)变换方式。 装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道
历史：以1989年诞生的掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier,
3 增益响应相当快速，适用于交换及信号处理等光网络应用中。
《光放大技术》幻灯片
➢对不同传输速率的数字体系具有完全的透明度，即 与准数字体系和同步数字体系的各种速率兼容，调 制方案可任意选择；
➢EDFA的工作电流比3R（O/E/O）中继放大器的小， 因此可以减小远供电流，从而降低了海缆的电阻和 绝缘性能的要求；
2021/5/20
School of Science, GDOU ·Fiber-optic Communication
直到1987年，EDFA取得突破性进展，英国南安普顿
大学和美国AT&T Bell实验室报道了离子态的稀土元素铒
在光纤中可提供1.55µm通信波段的光增益，随后开始提
供实际应用。
2021/5/20
School of Science, GDOU ·Fiber-optic Communication
6
§6-1 概述
《光放大技术》幻灯片
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School of Science, GDOU ·Fiber-optic Communication
4
§6-1 概述
复习课件时点击右向箭头播放下一段动画！
此动画是直接光放大工作原理的动画：无需转换
为电信号、通过一段特种光纤直接进行光放大、可以同
时放大多个信道、装置简单（只需几个无源器件和低速
电子元件）。
2021/5/20
School of Science, GDOU ·Fiber-optic Communication
l1
光
l2
➢EDFA的工作电流比3R（O/E/O）中继放大器的小， 因此可以减小远供电流，从而降低了海缆的电阻和 绝缘性能的要求；
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直到1987年，EDFA取得突破性进展，英国南安普顿
大学和美国AT&T Bell实验室报道了离子态的稀土元素铒
在光纤中可提供1.55µm通信波段的光增益，随后开始提
供实际应用。
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§6-1 概述
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为电信号、通过一段特种光纤直接进行光放大、可以同
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如果P-N结原内建电场电压为VD ,两端加正向偏压V，则外电场削弱 内建电场对载流子扩散运动的阻挡作用
P区和N区的费米能级重新分离，且满足： EN – EP =eV
注入耗尽层的非平衡载流子通过自发辐射复合产生电致发光，当 外加电场满足: eV=EN – EP >Eg 时，注入耗尽区内的电子和空穴通过辐射符合而产生光子的速率 将大于材料对光子的吸收速率，从而在半导体内产生增益
仅有几项实验室数据可与EDFA媲美，商用器件指标比 EDFA逊色
11
二、 SOA的出现与发展
4、SOA的发展机遇
SOA作“全波放大器”
EDFA适用于C+L带（1530-1565-1625nm） 要解决的问题：如何开发O带（1260-1360nm）,E带（1360-1460nm） 和S带（1460-1530nm）的带宽资源 SOA对各波段光信号有放大能力
12
二、 SOA的出现与发展
SOA与EDFA“合作” 光发射机和光纤放大器泵浦源必需半导体激光器 可在获得半导体激光器的同时，获得相应SOA 以EDFA为参照，取长补短提高光放大器性能
13
二、 SOA的出现与发展
SOA用于降低用户接入网的成本 反射式半导体光放大器（RSOA）
14
三、SOA的基本原理
9
二、 SOA的出现与发展
EDFA优点（Er+3粒子的优点）：
1、迁跃能力对应波长范围=光纤最低损耗波段 （1550nm） 2、容易形成高浓度的粒子数反转和高增益 3、可与传输光纤直接熔接，熔接损耗仅为1dB 4、增益与输入光的偏振态相关性小，噪声指数低
10
二、 SOA的出现与发展
SOA与光纤放大器性能对比
17
三、SOA的工作原理
3.1 半导体增益介质
构成P-N结时，它们之间存在很大的 载流子浓度差—导致空穴和电子向不 同区域扩散，从而形成内建电场。
内建电场
空穴浓度高度 高
P型 半导体
-+ - + N型 - + 半导体 -+
耗尽区
电子浓度高
最终扩散运动和漂移运动达 到平很，内建电场稳定
18
三、SOA的工作原理
半导体光放大器
1
半导体光放大器内容安排
SOA的简介 SOA的出现和发展 SOA的基本原理 SOA技术的应用 SOA的发展
2
一、半导体光放大器的简介
1、半导体光放大器（SOA）
概念：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。
半导体光放大器与激光器
相同点：都需要增益介质 都能使光子在增益介质内引起高效的受激辐射 都需为受激辐射所需的粒子数反转提供所需能源
1970年，研究出双异质结半导体激光器，与此同时， 美国康宁公司将玻璃纤维损耗从1000dB/km降至 20dB/km，使光纤通信成为可能。
7
Байду номын сангаас
二、 SOA的出现与发展
2、光纤通信的需求拉动SOA的发展
1983年，研究出法布里—珀罗半导体光放大器（FP-SOA）和行波 半导体光放大器（TW-SOA）
1987年，我国“863”计划进一步对半导体光放大器进行研究： 基于体材料 量子阱材料 量子点半导体材料
波段为1310nm到1550nm 单纯研究器件 基于SOA波长变换码型变化等全光
信号处理的应用
8
二、 SOA的出现与发展
3、SOA受到光纤放大器的严重挑战
掺稀土离子光纤放大器：EDFA——受激辐射 非线性光纤放大器：拉曼光纤放大器——非线性效应
5
二、 SOA的出现与发展
1、SOA的出现
1960年，美国贝尔实验室研究出以红宝石为介质的世 界上第一台激光器
1962年，前苏联的列别捷夫和美国的4个单位几乎同时 研究出以半导体GaAs为增益介质的半导体激光器。 （同质结）
6
二、 SOA的出现与发展
1966年，美籍华人高锟和乔治何克汉提出用石英玻 璃纤维光载波所携带的信息。半导体激光器被期待 为光纤通信的理想光源。贝尔实验室开始研究异质 结半导体激光器(GaAlAs)。
FP型半导体及光放大器的结构完全等同于半导体激 光器
增益限制因素： 泵浦速率 输入信号功率 注入光频 半导体激光放大器腔结构参数等
22
三、SOA的工作原理
2、行波型半导体激光放大器
理想的行波型半导体激光放大器实际上可以看作两端面具 有零反射率的FP型半导体激光放大器。
增益限制因素： （1）放大了的自发辐射所引起的增益饱和效应 （2）其它外光学元件反射所产生的标准具效应
1、SOA的基本结构
SOA是一个半导体P-N结
15
三、SOA的基本原理
减小半导体材料 与空气分界面上 的菲涅尔反射
有源层周围是具
有较低折射率的
有源层中的载流子是 在由正向偏置电流注 入的。
宽带隙材料，使 器件的注入效率 和受激辐射效率 大大提高
16
三、SOA的工作原理
外加正向偏压形成粒子数反转 外部光照导致受激辐射，光信号被放大
23
三、SOA的工作原理
TW－SOA与FP－SOA的区别在于端面的反射率大小， TW－SOA具有极低的端面反射率，通常在0.1%以下。
20
二、SOA的工作原理
3.3 受激辐射
处于高能级E2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
特点：
（1）感应光子的能量等于 向下跃迁的能及之差。
（2）受激辐射产生的光子 与感应光子是全同光子
（3）受激辐射过程实质是对外来入射光的放大过程。
21
二、SOA的工作原理
3.4 SOA的分类 1、法布里-珀罗型激光放大器
3.2 载流子注入与粒子数反转
为了使光子在增益介质中获得增益，在外部能量作 用下（半导体光放大器或者半导体激光器通常为直 接电注入）形成离子束反转是产生受激辐射从而产 生增益的必要条件。
粒子数反转：高能级E2上的粒子数目大于低能级E1 上的粒子数目。
19
二、SOA的工作原理
3.2 载流子注入与粒子数反转形成
不同点：所要放大的光子的来源上的差别
3
一、半导体光放大器的简介
优点：
1、工作波长范围大（1310nm到1550nm） 2、体积小，结构简单，功耗低，反应速度快 3、可与其他有源和无源光电子器件进行混合 或单片集成
4
一、半导体光放大器的简介
缺点：
1、不同波长通道间存在较强的交叉增益调制与非线性 相互作用 2、在与光纤进行耦合时，芯片两端与光纤的耦合损耗 均在3dB以上
P区和N区的费米能级重新分离，且满足： EN – EP =eV
注入耗尽层的非平衡载流子通过自发辐射复合产生电致发光，当 外加电场满足: eV=EN – EP >Eg 时，注入耗尽区内的电子和空穴通过辐射符合而产生光子的速率 将大于材料对光子的吸收速率，从而在半导体内产生增益
仅有几项实验室数据可与EDFA媲美，商用器件指标比 EDFA逊色
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二、 SOA的出现与发展
4、SOA的发展机遇
SOA作“全波放大器”
EDFA适用于C+L带（1530-1565-1625nm） 要解决的问题：如何开发O带（1260-1360nm）,E带（1360-1460nm） 和S带（1460-1530nm）的带宽资源 SOA对各波段光信号有放大能力
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二、 SOA的出现与发展
SOA与EDFA“合作” 光发射机和光纤放大器泵浦源必需半导体激光器 可在获得半导体激光器的同时，获得相应SOA 以EDFA为参照，取长补短提高光放大器性能
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二、 SOA的出现与发展
SOA用于降低用户接入网的成本 反射式半导体光放大器（RSOA）
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三、SOA的基本原理
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二、 SOA的出现与发展
EDFA优点（Er+3粒子的优点）：
1、迁跃能力对应波长范围=光纤最低损耗波段 （1550nm） 2、容易形成高浓度的粒子数反转和高增益 3、可与传输光纤直接熔接，熔接损耗仅为1dB 4、增益与输入光的偏振态相关性小，噪声指数低
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二、 SOA的出现与发展
SOA与光纤放大器性能对比
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三、SOA的工作原理
3.1 半导体增益介质
构成P-N结时，它们之间存在很大的 载流子浓度差—导致空穴和电子向不 同区域扩散，从而形成内建电场。
内建电场
空穴浓度高度 高
P型 半导体
-+ - + N型 - + 半导体 -+
耗尽区
电子浓度高
最终扩散运动和漂移运动达 到平很，内建电场稳定
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三、SOA的工作原理
半导体光放大器
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半导体光放大器内容安排
SOA的简介 SOA的出现和发展 SOA的基本原理 SOA技术的应用 SOA的发展
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一、半导体光放大器的简介
1、半导体光放大器（SOA）
概念：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。
半导体光放大器与激光器
相同点：都需要增益介质 都能使光子在增益介质内引起高效的受激辐射 都需为受激辐射所需的粒子数反转提供所需能源
1970年，研究出双异质结半导体激光器，与此同时， 美国康宁公司将玻璃纤维损耗从1000dB/km降至 20dB/km，使光纤通信成为可能。
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Байду номын сангаас
二、 SOA的出现与发展
2、光纤通信的需求拉动SOA的发展
1983年，研究出法布里—珀罗半导体光放大器（FP-SOA）和行波 半导体光放大器（TW-SOA）
1987年，我国“863”计划进一步对半导体光放大器进行研究： 基于体材料 量子阱材料 量子点半导体材料
波段为1310nm到1550nm 单纯研究器件 基于SOA波长变换码型变化等全光
信号处理的应用
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二、 SOA的出现与发展
3、SOA受到光纤放大器的严重挑战
掺稀土离子光纤放大器：EDFA——受激辐射 非线性光纤放大器：拉曼光纤放大器——非线性效应
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二、 SOA的出现与发展
1、SOA的出现
1960年，美国贝尔实验室研究出以红宝石为介质的世 界上第一台激光器
1962年，前苏联的列别捷夫和美国的4个单位几乎同时 研究出以半导体GaAs为增益介质的半导体激光器。 （同质结）
6
二、 SOA的出现与发展
1966年，美籍华人高锟和乔治何克汉提出用石英玻 璃纤维光载波所携带的信息。半导体激光器被期待 为光纤通信的理想光源。贝尔实验室开始研究异质 结半导体激光器(GaAlAs)。
FP型半导体及光放大器的结构完全等同于半导体激 光器
增益限制因素： 泵浦速率 输入信号功率 注入光频 半导体激光放大器腔结构参数等
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三、SOA的工作原理
2、行波型半导体激光放大器
理想的行波型半导体激光放大器实际上可以看作两端面具 有零反射率的FP型半导体激光放大器。
增益限制因素： （1）放大了的自发辐射所引起的增益饱和效应 （2）其它外光学元件反射所产生的标准具效应
1、SOA的基本结构
SOA是一个半导体P-N结
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三、SOA的基本原理
减小半导体材料 与空气分界面上 的菲涅尔反射
有源层周围是具
有较低折射率的
有源层中的载流子是 在由正向偏置电流注 入的。
宽带隙材料，使 器件的注入效率 和受激辐射效率 大大提高
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三、SOA的工作原理
外加正向偏压形成粒子数反转 外部光照导致受激辐射，光信号被放大
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三、SOA的工作原理
TW－SOA与FP－SOA的区别在于端面的反射率大小， TW－SOA具有极低的端面反射率，通常在0.1%以下。
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二、SOA的工作原理
3.3 受激辐射
处于高能级E2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
特点：
（1）感应光子的能量等于 向下跃迁的能及之差。
（2）受激辐射产生的光子 与感应光子是全同光子
（3）受激辐射过程实质是对外来入射光的放大过程。
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二、SOA的工作原理
3.4 SOA的分类 1、法布里-珀罗型激光放大器
3.2 载流子注入与粒子数反转
为了使光子在增益介质中获得增益，在外部能量作 用下（半导体光放大器或者半导体激光器通常为直 接电注入）形成离子束反转是产生受激辐射从而产 生增益的必要条件。
粒子数反转：高能级E2上的粒子数目大于低能级E1 上的粒子数目。
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二、SOA的工作原理
3.2 载流子注入与粒子数反转形成
不同点：所要放大的光子的来源上的差别
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一、半导体光放大器的简介
优点：
1、工作波长范围大（1310nm到1550nm） 2、体积小，结构简单，功耗低，反应速度快 3、可与其他有源和无源光电子器件进行混合 或单片集成
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一、半导体光放大器的简介
缺点：
1、不同波长通道间存在较强的交叉增益调制与非线性 相互作用 2、在与光纤进行耦合时，芯片两端与光纤的耦合损耗 均在3dB以上