半导体光放大器
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
22
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
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
23
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
20
SUCCESS
THANK YOU
2019/8/3
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。
19
二、SOA的工作原理
3.2 载流子注入与粒子数反转形成
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
7
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 料
量子阱材料
量子点半导体材
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
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
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
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-
-+
电子浓度高
耗尽区
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
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。
Hale Waihona Puke Baidu
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
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
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 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
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)。
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。
半导体光放大器
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
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
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
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
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）
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
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
23
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
20
SUCCESS
THANK YOU
2019/8/3
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。
19
二、SOA的工作原理
3.2 载流子注入与粒子数反转形成
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
7
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 料
量子阱材料
量子点半导体材
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
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
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
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-
-+
电子浓度高
耗尽区
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
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。
Hale Waihona Puke Baidu
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
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
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 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
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)。
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。
半导体光放大器
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
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
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
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
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）