半導(dǎo)體光放大器是基于半導(dǎo)體增益介質(zhì)的光放大器。它本質(zhì)上就像光纖耦合半導(dǎo)體激光管，端鏡已被增透膜取代;傾斜波導(dǎo)可用于進(jìn)一步降低末端反射率。信號(hào)光通常通過(guò)半導(dǎo)體單模波導(dǎo)發(fā)送，橫向尺寸為1-2μm，長(zhǎng)度約為0.5-2mm。波導(dǎo)模式與有源（放大）區(qū)域有顯著重疊，有源（放大）區(qū)域由電流泵送。注入電流在導(dǎo)帶中產(chǎn)生一定的載流子密度，允許從導(dǎo)帶到價(jià)帶的光躍遷。增益最大值發(fā)生在略高于帶隙能量的光子能量上。
天才出于勤奮。 ——高爾基（M.Gorky）
半導(dǎo)體光放大器工作原理
半導(dǎo)體光放大器通過(guò)受激發(fā)射對(duì)入射光信號(hào)進(jìn)行放大，其機(jī)理與半導(dǎo)體激光器相同。半導(dǎo)體光放大器只是一個(gè)沒(méi)有反饋的半導(dǎo)體激光器，其核心是當(dāng)半導(dǎo)體光放大器被光或電泵浦時(shí)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)獲得光增益，如圖8.3.1a所示。光放大器增益分布曲線和相應(yīng)的放大器增益頻譜曲線如圖8.3.1b所示。
但是，半導(dǎo)體激光器在解理面存在反射（反射系數(shù)R約為32%），具有相當(dāng)大的反饋。當(dāng)偏流低于閾值時(shí)，它們被作為半導(dǎo)體光放大器使用，但是必須考慮在法布里-珀羅（F-P）腔體界面上的多次反射，如圖8.3.2a所示。這種半導(dǎo)體光放大器就稱為F-P放大器。
當(dāng)R1=R2，并考慮到ν=νm時(shí)，使用F-P干涉理論可以求得該放大器的放大倍數(shù)GFPA(ν)為
圖8.3.1半導(dǎo)體光放大器原理和增益分布曲線
a）行波半導(dǎo)體光放大器b）光放大器增益分布曲線g（ν)和相應(yīng)的放大器增益頻譜曲線G（ν)
當(dāng)入射光信號(hào)的頻率νs與腔體諧振頻率νm相等時(shí)，增益GFPA(ν)就達(dá)到峰值，當(dāng)νs偏離νm時(shí)，GFPA(ν)下降得很快，如圖8.3.2b所示。由圖可見(jiàn)，當(dāng)半導(dǎo)體解理面與空氣的反射率R=0.32時(shí)，F(xiàn)-P放大器在諧振頻率處的峰值最大；反射率越小，增益也越??；當(dāng)R=0時(shí)，半導(dǎo)體激光器就變?yōu)榘雽?dǎo)體行波光放大器，其增益頻譜特性是高斯曲線。
圖8.3.2法布里-玻羅（F-P）半導(dǎo)體光放大器（SOA）
a）SOA的結(jié)構(gòu)和原理圖 b）SOA不同反射率的增益頻譜曲線
由以上的討論可知，增大提供光反饋的F-P諧振腔的反射率R，可以顯著地增加SOA的增益，反射率R越大，在諧振頻率處的增益也越大。但是，當(dāng)R超過(guò)一定值后，半導(dǎo)體光放大器將變?yōu)榘雽?dǎo)體激光器。當(dāng)GR=1時(shí)，式（8.3.1）將變?yōu)闊o(wú)限大，此時(shí)SOA產(chǎn)生激光發(fā)射。
SOA 放大特性
Inphenix的半導(dǎo)體光放大器已被證明是多功能和多功能設(shè)備，是光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵構(gòu)建模塊。有五個(gè)主要參數(shù)用于表征半導(dǎo)體光放大器（SOA）：
小信號(hào)增益（gs）;在 -22dBm 輸入功率下高達(dá) 25 dB;
增益帶寬;在 80 dB 時(shí)高達(dá) 3 nm
飽和輸出功率 （psat） 高達(dá) 17 dBm;
噪聲系數(shù) （NF） 7.0-8.0 dB;
偏振相關(guān)增益 （PDG）<1 dB 或高達(dá) 10 dB
半導(dǎo)體光放大器應(yīng)具有適合應(yīng)用的最高增益。還需要寬光帶寬，以便SOA可以放大寬范圍的信號(hào)波長(zhǎng)。增益飽和效應(yīng)會(huì)給輸出帶來(lái)不希望的失真，因此理想的SOA應(yīng)具有非常高的飽和輸出功率，以實(shí)現(xiàn)良好的線性度，并以最小的失真最大化其動(dòng)態(tài)范圍。理想的SOA還應(yīng)該具有非常低的噪聲系數(shù)（物理極限為3dB），以最小化輸出端的放大自發(fā)發(fā)射（ASE）功率。最后，理想的SOA應(yīng)具有非常低的極化靈敏度，以最小化橫向電（TE）和橫向磁（TM）極化狀態(tài)之間的增益差。然而，理想的SOA是不可能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)槠渲邪l(fā)生的各種過(guò)程的物理限制。
無(wú)花果。2- SOA 相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)。
SOA參數(shù)是密切相關(guān)的，為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)參數(shù)的最佳值，應(yīng)該妥協(xié)其他規(guī)范和/或控制頻譜工作區(qū)域，如圖2所示。
SOA 的類型
根據(jù) SOA 在客戶系統(tǒng)中扮演的角色，它們可以分為四類：串聯(lián)、助推器;切換 SOA 和前置放大器;
直插：更高的增益，中等的 Psat;較低的NF和較低的PDG，通常與極化無(wú)關(guān)的SOA;
增強(qiáng)器：較高的Psat，較低的增益，通常取決于極化;
開(kāi)關(guān)：更高的消光比和更快的上升/下降時(shí)間;
前置放大器：適用于更長(zhǎng)的傳輸距離、更低的 NF 和更高的增益。
此外，PDG 可以確定 SOA 的極性。例如，如果PDG小于1.5dB，則SOA與極性無(wú)關(guān)（P-I），如果PDG高達(dá)10 dB，則SOA與極性相關(guān)（P-D）。
SOA 的應(yīng)用
傳統(tǒng)應(yīng)用
放大是SOA在光通信系統(tǒng)中的基本原理應(yīng)用。SOAsarea高度通用的組件，可用于電信中的各種放大和路由功能。商業(yè)化的SOA現(xiàn)已在市場(chǎng)上廣泛使用，并正迅速成為一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，用于核心、城域和最終接入應(yīng)用的先進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)中的光放大。SOA可用于任何光通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)作為升壓放大器（后置放大器）、直列放大器在鏈路中的各個(gè)點(diǎn)重新生成信號(hào)。
電信
SOA 被各行各業(yè)廣泛使用。最重要的行業(yè)之一是
電信，它們?cè)诼酚珊徒粨Q方面受到重視。此外，SOA還用于增強(qiáng)或放大長(zhǎng)距離光纖通信的信號(hào)輸出。在此應(yīng)用中，電信公司使用從總部到數(shù)據(jù)中心的光纖線路。這些傳輸線可能超過(guò)10公里或更遠(yuǎn)，需要使用SOA來(lái)增強(qiáng)/放大來(lái)自通常光源的信號(hào)。
無(wú)花果。光子載流子中的3-SOA（上）可用于光子集成電路（PIC）（左下）。
功能應(yīng)用
SOA還可用于執(zhí)行在未來(lái)光學(xué)透明網(wǎng)絡(luò)中有用的功能。這些全光功能可以幫助克服所謂的“電子瓶頸”，這是目前部署高速光通信網(wǎng)絡(luò)（例如光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器）的主要限制因素。SOA 函數(shù)應(yīng)用程序總是基于 SOA 非線性的。這些非線性主要是由放大器輸入信號(hào)引起的載波密度變化引起的。SOA中常用的四種主要非線性類型是交叉增益調(diào)制（XGM）、交叉相位調(diào)制（XPM）、自相位調(diào)制（SPM）和四波混頻（FWM）。
傳感
傳感是在許多應(yīng)用中使用 SOA 的另一個(gè)重要行業(yè)。SOA在傳感器中的一個(gè)重要用途是光纖布拉格解調(diào)儀。在此設(shè)置中，SLD 或 DFB 用作輸入光源。SOA將光信號(hào)提升到光纖布拉格光柵（FBG），通常通過(guò)環(huán)行器來(lái)控制光信號(hào)的方向。溫度或應(yīng)變的變化會(huì)改變光信號(hào)到PD/傳感器的波長(zhǎng)或時(shí)序。這可以提醒用戶可能的故障。
無(wú)花果。4-帶SOA直插放大器的光纖布拉格光柵
SOA在傳感中的另一個(gè)重要用途是光檢測(cè)和測(cè)距（LiDAR）。LiDAR 設(shè)備可以很小，僅用于多普勒測(cè)距，也可以顯示為能夠映射的陣列。LiDAR 應(yīng)用的一個(gè)例子使用調(diào)頻連續(xù)波 （FMCW） 來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的多普勒效應(yīng)，例如自動(dòng)駕駛汽車和無(wú)人機(jī)。此外，F(xiàn)MCW還可用于制圖和檢查。窄帶中使用的SOA（通常與DFB一起使用）可以具有高輸出功率>20mW，用于更長(zhǎng)的范圍。
無(wú)花果。5-集成SOA的LiDAR芯片。這些芯片的陣列提供了廣域掃描。
圖6 - 調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)。綠色的 SOA。
CWDM
之前強(qiáng)調(diào)的小尺寸、良好的集成能力和通過(guò)規(guī)模化制造工藝降低成本的巨大潛力將繼續(xù)確保SOA在未來(lái)的先進(jìn)光網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。粗波分復(fù)用 （CWDM） 是一種經(jīng)濟(jì)的路線，可為城域網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)層提供連接靈活性并提高吞吐量。擴(kuò)展CWDM系統(tǒng)的容量和距離（>100公里）需要在整個(gè)光帶寬（從1260 nm到1620 nm）上運(yùn)行的低成本光放大器。SOA 是目前唯一可行的技術(shù)，可以部署以滿足這些不斷擴(kuò)展的應(yīng)用程序。
波多姆-PON
SOA在電信中的擴(kuò)展作用是它們?cè)诓ǚ謴?fù)用-無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（WDM-PON）中的使用。電纜公司利用從家庭辦公室到接收數(shù)據(jù)的客戶的光纖線路，通常具有節(jié)點(diǎn)或分發(fā)中心來(lái)協(xié)助交換和路由數(shù)據(jù)。此設(shè)置允許將數(shù)據(jù)有效地分發(fā)給大型客戶群。SOA 是 WDM-PON 的早期應(yīng)用，但將來(lái)可能會(huì)有所增長(zhǎng)。
SOA 還有其他一些有吸引力的應(yīng)用，例如強(qiáng)度和相位調(diào)制、用于光信號(hào)處理的 SOA 邏輯、用于光時(shí)分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)的 SOA 加/放復(fù)用器、可在高頻 （> 10 GHz 輕松生成脈沖的 SOA 脈沖發(fā)生器、光接收器和 3R 發(fā)生器所需的 SOA 時(shí)鐘恢復(fù)， SOA色散補(bǔ)償器克服了色散對(duì)傳輸距離的限制，SOA檢測(cè)器檢測(cè)光信號(hào)。SOA也可用于選通光信號(hào)，即信號(hào)可以被SOA放大或吸收。SOA在低偏置電流下的阻斷特性非常有用，因?yàn)樗鼈冎С滞ǖ缆酚晒δ?，例如可重新配置的?插復(fù)用器（ROADM），可以在通道隔離優(yōu)于50 dB的情況下產(chǎn)生。
SOA的優(yōu)勢(shì)
SOA在帶寬內(nèi)提供的光增益與入射光信號(hào)的波長(zhǎng)相對(duì)無(wú)關(guān)。
注入電流用作放大的泵浦信號(hào)，而不是光泵浦。
由于其緊湊的尺寸，SOA可以與單個(gè)平面襯底上的多個(gè)波導(dǎo)光子器件集成。
它們使用與二極管激光器相同的技術(shù)。
SOA 能夠在 1300 nm 和 1550 nm 的通信光譜帶下工作，帶寬更寬（高達(dá) 100 nm）。
它們可以配置和集成，以用作光接收器端的前置放大器。
SOA 可以用作 WDM 光網(wǎng)絡(luò)中的簡(jiǎn)單邏輯門。
SOA的局限性
SOA可以提供高達(dá)幾十毫瓦（mW）的輸出光功率，這通常足以滿足光纖通信鏈路中的單通道操作。但是，WDM 系統(tǒng)可能需要每個(gè)通道高達(dá)幾 mW 的功率。
由于輸入光纖進(jìn)出SOA集成芯片的耦合往往會(huì)引起信號(hào)損失，因此SOA必須提供額外的光增益，以盡量減少這種損耗對(duì)有源區(qū)域的輸入/輸出方面的影響。
SOA對(duì)輸入光信號(hào)的偏振高度敏感。
它們?cè)谟性唇橘|(zhì)中產(chǎn)生的噪聲水平高于光纖放大器。
如果在WDM應(yīng)用中根據(jù)需要放大多個(gè)光通道，SOA會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的串?dāng)_。
如何使半導(dǎo)體激光器變?yōu)榘雽?dǎo)體光放大器
