半导体光放大器备课讲稿
第八章 -2012- 光放大器
图 8.2 需要指出的是，在光纤通信系统中，再生中继器与光放大器的作用是不同的，我 们用图 8.3 来说明。再生中继器可产生表示原有信息的新信号，消除脉冲信号传 输后的畸变和噪声，从这个意义上讲，光放大器并不能代替再生中继器。光放大 器存在着噪声积累，而且不能消除色散对脉冲展宽。当信号的传输距离在 500 公里到 800 公里之间时， 可采用光放大器来补偿信号的衰减， 当超过这个距离时， 再生中继器则是必不可少的。
2
（ 8-17 ）
其中， R1 和 R2 是端面反射率， νm 表示腔共振频率 ( m mc 2ng L )， L c 2ng L 是纵模间隔，也称为 FP 腔的自由光谱范围。 G 是单程放大倍数。由上述的
GFP 方程可以看到，每当入射光的频率 ν 与腔共振频率 νm 一致时，放大倍数 GFP 达到峰值。而入射光的频率偏离腔共振频率峰时， GFP 急剧下降。图
Pout exp g L ，使用初始条件 P0 Pin 、 PL Pout GPin ，就可 Pin
以得到大信号增益：
G 1Pout G G0 exp GPsat
（8-5）
式中，G0 exp g 0 L 是小信号 （不饱和） 放大倍数。 由上式分析可知， 随着 Pout 的增加，G 值将下降。根据饱和输出光功率的定义，可求得它的表达式
图 8.1 与传统中继器比较起来，它具有两个明显的优势， 第一， 它可以对任何比特率和格式的信号都加以放大，这种属性称之为光放大器 对任何比特率和信号格式是透明的。 第二， 它不只是对单个信号波长，而是在一定波长范围内对若干个信号都可以放 大。 光放大器是基于受激辐射机理来实现入射光功率放大的， 工作原理如图 8.2 所示。
半导体光放大器 ppt课件
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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。
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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
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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
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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）
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
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
半导体光放大器1半导体光放大器的工作原理由半导体激光器的相关
半导体光放大器1半导体光放大器的工作原理由半导体
激光器的相关
半导体激光器的工作原理是通过在半导体材料中注入电流，使得电子和空穴在激子形成的激发下发生跃迁而产生光子。
而半导体光放大器则是在激光器的基础上进行改造，通过适当设计和控制来实现对输入光信号的放大。
当偏置电压施加在半导体光放大器上时，电子和空穴在量子阱层中形成的激子将被激发。
激子的能量略高于其所处能带的边缘，因此它们会以快速的速度衰减，并释放出光子。
这些光子将会与输入光信号相互作用。
在半导体光放大器中，输入光信号被耦合到增益介质中，与激子相互作用。
当激子被激发时，它们会传递能量给输入光信号，并使得光信号的强度得到放大。
这是因为激子与输入光信号相互作用后，输入光信号的光子数目增加，从而增强了光信号的强度。
半导体光放大器的放大效果取决于增益介质中激子的数目及与输入光信号的相互作用强度。
这可以通过调节偏置电压、掺杂浓度和增益介质的长度等参数来实现。
当增益介质中的激子数目越多，或者与输入光信号的相互作用强度越大时，输出光信号的放大效果就越明显。
需要注意的是，半导体光放大器还存在一些非线性效应，如自相位调制和不饱和吸收等。
这些效应可能会引起光信号的变形和失真，影响放大器的性能。
因此，在实际应用中，需要对半导体光放大器进行适当的设计和调整，以获得较好的放大效果。
总之，半导体光放大器的工作原理主要是通过激活增益介质中的激子，与输入光信号相互作用并传递能量，从而实现对光信号的放大。
这种器件
在光通信、光传感和光储存等领域具有重要的应用价值。
c波段半导体光放大器
c波段半导体光放大器
C波段半导体光放大器是一种光学器件，它通过电-光转换技术，将电信号转换为光信号，并放大该光信号。
因此，C波段半导体光放大器已被广泛应用于光通信系统中。
C波段半导体光放大器的制造过程需经过以下步骤：
第一步：选择材料
C波段半导体光放大器的材料的选择是至关重要的。
常用的材料包括InP和GaAs。
这些材料具有良好的光电特性，能够实现高效率的电-光转换。
第二步：制备半导体片
在制备C波段半导体光放大器时，需要制备一片半导体晶片。
该晶片需要具有高纯度、均匀、无缺陷等特点，以保证C波段半导体光放大器的品质。
第三步：进行掺杂
在C波段半导体光放大器制造过程中，需要将掺杂物添加到半导体晶片中，以便在晶体中形成电子和空穴。
通过不同的掺杂工艺和掺杂浓度，可以得到具有不同导电性质的半导体材料。
第四步：制作器件结构
在晶片中制作出具有特定结构的器件，如波导、引出电极等。
这些器件结构是实现C波段半导体光放大器功能的关键因素。
第五步：测试和调试
在制造完成后，需要进行测试和调试。
通过测试和调试，可以确定C波段半导体光放大器的性能参数，如增益、带宽、动态范围等。
测试和调试的过程是制造优质C波段半导体光放大器的关键过程。
针对C波段半导体光放大器的应用领域，主要涵盖了光通信和光网络等领域。
C波段半导体光放大器不仅能够将光信号转换为电信号，还能将电信号转化为光信号进行传输，从而实现光通信系统的传输和放大。
总之，随着科技的进步和人们对高速、高质量通信需求的不断增加，C波段半导体光放大器的市场前景必将越来越广阔。
半导体器件及其放大电路详细课件讲解和习题共66页文档
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)
13、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
第3章-半导体三极管及其放大电路1分解讲课稿
❖ BJT通常称为晶体三极管，简称为三极管或 晶体管。
❖ 1. 分类：
按频率分：有高频管、低频管；
按功率分：有大、中、小功率管；
按材料分：有硅管、锗管。
❖ 其外型如图3.1.1所示(实物对照)。
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2. BJT 的结构
❖⑴ 组成：BJT有两个PNJ，三个接触 电极，三根引线及其外壳组成。
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❖ 单极型器件[场效应管(FET)]及其放大电路将 在第4章讨论。
❖ 由于集成电路制造工艺的迅速发展，从使用 的角度来考虑，电子设计主要是选用集成电 路构件来作系统设计，但是分立元件电路是 基础，这里仍然予以足够的重视。
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第3章
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3.1 半导体BJT
❖ 3.1.1 BJT的结构简介
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特点：
❖ a. 当vCE < 0.5V时，iC 受vCE的控制作用较 大。
❖ 原因：vCE很小，cJ反压很小，J内的总场强 还不能把e区注入到b区的大部分非平衡载流 子拉到c区，但随着vCE 的增大，iC也增大。
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❖ b. 当vCE > 0.5V后，iC 基本不受vCE的控制 作用，iC基本不变。
❖ a. 直流共发电流放大系数： β＝IC／IB ❖ b. 交流共发电流放大系数：β＝ΔiC／Δi B ❖ β也就是h参数中的hf e，由于β和 β相差不大，
通常认为
β≈ β
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❖ c. 直流共基电流放大系数： α ＝IC／IE ❖ d. 交流共基电流放大系数：α＝ΔiC／Δi E ❖ e. 共基与共发电流放大系数的关系：
光放大器的分类——半导体光放大器
课堂总结
教学章节
半导体光放大器
教学环境
多媒体机房
教学
内容
1.半导体光放大器的原理
2.半导体光放大器的分类
3.半导体光放大器的应用
教学
目标
1.掌握半导体光放大器的原理。
2.了解半导体光放大器的分类。
3.了解半导体光放大器的应用。
重点
难点
1、半导体光放大器的原理
教学
方法ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
讲授、讨论、总结
教学
过程
讲授：
1.半导体光放大器原理
讲述半导体光放大器原理和各部分组成及功能。
学生讨论，与之前学过的半导体激光器相比较，半导体光放大器和半导体激光器有何异同？
总结半导体激光器与半导体光放大器的异同。
2.半导体光放大器分类
讲述法布里珀罗光放大器和行波半导体光放大器的结构和特点。
利用图加深理解。
3.半导体光放大器应用
讲述半导体光放大器的优缺点和它的应用。
光电半导体讲义Word版
光电器件基础讲义中研传输业务部汪微1．概述光电器件分为发光器件和光探测器两大类，发光器件是把电信号变成光信号的器件，在光纤通信中占有重要的地位。
性能好、寿命长、使用方便的不源是保证光纤通信可靠工作的关键。
光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面：首先，光源发光的峰值波长应在光纤的低损耗窗口之内，要求材料色散较小。
其次，光源输出功率必须足够大，入纤功率一般应在10微瓦到数毫瓦之间。
第三，光源庆具有高度可靠性，工作寿命至少在10万小时以上才能满足光纤通信工程的需要。
第四，光源的输出光谱不能太宽以利于传高速脉冲。
第五，光源应便于调制，调制速率应能适应系统的要求。
第六，电－光转换效率不应太低，否则会导致器件严重发热和缩短寿命。
第七，光源应省电，光源的体积、重量不应太大。
光探测器则是将光信号转换为电信号的光电子器件，作为光通信系统用的光探测器需要满足以下要求：首先，其响应波长范围要与光纤通信的低衰耗窗口匹配，第二，具有很高的量子效率和响应度，第三，具有很高的响应速度，第四，具有高度的可靠性。
2．光电器件原理2.1半导体中光的发射和激射原理2.1-1半导体价带、导带、带隙与发光半导体单晶材料的原子是按一定规律紧密排列的。
在各个原子之间保持一定的距离，是由于在各原子之间存在着互相作用力的结构，这些结合力就是共价键。
固体物理学告诉我们，单晶中各个原子的最外层轨道是互相重叠的，这样就使分立的能级变成了能带。
与原子的最多层轨道的价电子相对应的能带叫做价带。
价带上面的能带称为导带。
在温度低至绝对零度的情况下，晶体中的电子均在价带之中，而导带是完全空着的。
如果价带中的电子受热或光的激发，则受激发的电子就会跃迁到上面的导带中去。
这样一来，晶体材料就可以导电了。
把导带底的能量记作E C，把价带顶的能量记作E VO在E C和E V之间是不可能有电子的，故称为禁带。
把E C与E V之差记作E g，称为禁带宽度或带隙。
如果Eg较大，则需要较大的激励能量把价带中的电子激发到导带中去。
半导体光放大器1半导体光放大器的工作原理由半导体激光器的相关
半导体光放大器1.半导体光放大器的工作原理由半导体激光器的相关知识可知，由一些半导体材料形成的PN结有源区，在入射光子的作用下会发生受激辐射而产生光放大，半导体的这种光放大作用是制作半导体激光器的基础。
由于半导体激光器的两端面形成了F—P（法布里—珀罗）谐振腔，它起到对光信号选择合适的波长并提供光学正反馈作用。
而半导体光放大器与半导体激光器所不同的是，它没有谐振腔（半导体光放大器的PN 结有源区两端面涂有抗反射膜，形成透明区，不发生反射）。
因而，通过半导体光放大器的光波为行波。
图3—69为半导体光放大器的工作原理示意图。
当向半导体光放大器中注入正向电流，并达到一定值时，N区自由电子增多并不断进入PN结中与空穴复合，以光子形式释放能量。
该光子在输入光信号的感应下形成受激辐射，使释放出的光子和入射光子同频、同向、同相位、同偏振方向、同模式并在光子不断前进中继续受感应而产生受激辐射，进而产生更多的新的光子，使输入光信号得到放大。
放大器的增益是沿着有源区的长度按指数增长的，而且注入电流越大，产生的光子数越多。
一个光放大器输出的最大功率取决于注入电流的大小。
当保持注入电流不变，而不断增大输入信号强度时，放大器的增益将不能恒定，放大器增益较小信号增益减小3dB时，对应的放大器输出光功率值称为输出饱和功率，这种现象称为增益饱和效应。
以上讨论的放大器特性是对没有反馈的光放大器而言的,这种放大器被称作行波放大器。
半导体激光器由于在解理面产生的反射而具有相当大的反馈。
当注入电流低于阈值时，它被作为放大器使用，但是必须考虑在法布里—珀罗腔体界面上的多次反射。
这种放大器就称为F—P腔放大器。
如图3—70所示，入射光从左端面进入，通过具有增益的有源层介质之后到达右端面，部分从端面反射，大部分从端面出射。
反射光反向通过有源层至左端面，又经过一次放大，部分从左端面出射，其余部分又从左端面反射，再次通过有源层得到放大，如此反复，使反射光得到多次放大。
光放大器PPT课件
b. 反向泵浦 噪声大，输出功率大
c. 双向泵浦 比较适中
⑤ EDFA 的性能
a. 泵浦效应：能量从泵浦光转换成信号光的效率（85%~95%) b. 增益频谱：增益曲线半极大值带宽（FWHM)大于10nm，掺适当的Al后，带宽会增
大，增益频谱平坦。 c. 增益：30～40dB（影响因素：铒离子浓度、放大器长度、芯径、泵浦光功率） d. 掺铒光纤长度：典型10m～20m e. 增益系数：1mW泵浦功率对放大增益的贡献，单位：dB/mW f. 放大器自发辐射噪声（ASE,散粒、ASE信号频率）
G:放大器
N:光放大器数量 电带宽
二． 光放大器种类
1. 半导体光放大器：激活介质（该介质的载流子反 转到激发态，能使外输入光场产生受激辐射而获 得相干增益）
2. X光纤放大器
光纤拉曼放大器（FRA) 光纤布里渊放大器（FBA)
掺铒光纤放大器（EDFA) —掺稀土元素
FRA和FBA利用光纤非线性效应，非线性散射
实用：EDFA,FRA
② 工作原理
a. 铒（Er）是一种稀土元素，原子序数是68，光放大利用了镧子 元素的4f能级。
b.
E 3 能级图：
r
4I 11 2
4I 13 2
4I 15 2
由于石英基质的作用，4f的每个能级分裂为一个能带。 图中能带称为基态、能带称为亚稳态（亚稳态上粒子 的平均寿命为 10ms）、能带称为泵浦态（粒子在泵 浦态上的平均寿命为1us）。980nm和1480nm大功率半 导体激光器已完全商用化，泵浦效率高，用作泵浦源。
③ 特征：SRS入射泵浦光子效应放弃它的能量，产生一个 光子。（能量转移）
④ 特性：
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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。
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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。
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半导体光放大器
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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。
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SOA特点
• 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。 • 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。 • 同时具有光放大及信号处理的能力，如开关功能等。
应用在全光波长变换、光交换中。
SOA特点
• 与光纤的耦合损耗太大 • 易受偏振态影响(0.5~2 dB) • 噪声指数高(~8 dB) • 易造成串音 • 易受环境温度影响，稳定性较差
• 光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现 入射光信号放大的一种器件。其机制与激光器 完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个 没有反馈或反馈较小的激光器。
半导体光放大器SOA
SOA也是一种 重要的光放大 器，其结构类 似于普通的半 导体激光器。
I
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。
此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！ 感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢
• 降低端面反射方法：倾斜有源区法、窗面结构。 • TW－SOA的增益、增益带宽和噪声特性都可以满足
光纤通信的要求，但如下两个缺点限制着它在光 纤通信中的实际应用：
–对光信号偏振态的敏感性；
–对光信号增益的饱和性。
SOA的应用
SOA的应用
SOA的应用
• 其他应用： – 光波长转换（XGM, XPM, FWM） – 光开关：直接调制SOA的注入电流实现光的通断。 特点：高速、无损 – 光信号处理器件。
•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简介
随半导体激光器特性的改善，发展了FP半导体 光放大器，之后开始对行波式半导体光放大器的研 究。 半导体光放大器由三五族的半导体合金所制成， 如砷化镓等 放大波段 1300~1600 nm ，涵盖1300 nm 窗口 频带宽大于 40 nm 增益高于 30 dB
半导体激光放大器 (SOA)
未来发展方向
当输入信号过大时，将使SOA 增益饱和，造成放大信号 的非线性失真，在光网络中，经多级串接放大后，会造 成严重的信号失真。
提高饱和功率的方法 • 增益钳制(gain-clamp)光放大器 • 外加光(holding light)结构 • 量子井(MQW)结构 • 锥形波导结构 前两者缺点为降低未饱和增益
半导体光放大器 (SOA)
n
p
外加正向偏压实现结区粒子数反转 外部光照导致受激辐射，信号光被放大 内部的自发辐射产生自发辐射噪声(ASE)，它也会被放大
没有谐振腔的选择，SOA将同时输出 放大的光信号和自发辐射噪声
行波半导体光放大器
• 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。
半导体光放大器
影响：光放大器最重要的意义在于促使波分复用技
术 (WDM) 走向实用化、促进了光接入网的实用化
光放大器的出现，可视为光 纤通信发展史上的重要里程 碑。
光放大器的原理
• 光放大器的功能：提供光信号增益，以补偿光 信号在通路中的传输衰减，增大系统的无中继 传输距离。
• 在泵浦能量（电或光）的作用放大。