[科普中国]-半导体光放大器

介绍

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。

分类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。

优点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。

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。1

原理导体光放大器的原理与掺稀土光纤放大器相似但也有不同,其放大特性主要取决于有源层的介质特性和激光腔的特性。它虽也是粒子数反转放大发光但发光的媒介是非平衡载流子即电子空穴对而非稀有元素。半导体的发光可根据激发方式的不同分为光致发光、电致发光和阴极发光等。光致发光是指用半导体的光吸收作用来产生非平衡载流子,实际上是一种光向另一种光转换的过程。电致发光是指用电学方法将非平衡载流子直接注人到半导体中而产生发光,这常借助于PN结来完成。在半导体中电子的能级限制在导带和价带两个带内,在导带中电子充当移动载流子,在价带中空穴充当载流子。半导体在外界激发下,可将价带中的电子激发到导带中,同时在价带中留下空穴,所产生的电子和空穴分别跃迁到导带底和价带顶,这一过程只与晶格交换能量而不产生光发射,称为无辐射跃迁,与此同时,导带底的电子还要跃迁到价带顶与空穴复合,并同时发射光子,二者形成动态平衡,与热平衡状态下的情况不同,这时的电子和空穴为非平衡载流子,载流子的分布不再是费米统计分布。

半导体在外界激励下会产生非平衡载流子,半导体在泵浦光激励下怎样产生光放大为了尽可能简单,假设半导体在0K,费米能级在禁带的中间位置,因此在Ep以下的每个有效能级上被电子充满,则半导体将吸收子。如果半导体未受光泵浦激励,则半导体将吸收光子,其实半导体的两个能带所扮演的角色类似于EDFA中的能带E1和E2所起的作用,只是它的能带比EDFA的能带更宽。一个带3隙Ex把处在下面的导带和上面的价带分开,这样,从一个能带转移到另一个能带内所发生的能量改变至少是Eg,因此,若hv>E则半导体吸收光子,当吸收了泵浦光子后就会在导带中产生电子,而在价带中留下空穴,然后电子和空穴都迅速向能带的最底点弛豫,并通过发射一个能量为禁带宽度能量的光子复合。如果泵浦源的强度越来越大,电子将会趋向于累积在导带的底部,空穴趋向于累积在价带的顶部,直到电子空穴对的产生和复合达到动态平衡为止。如果假设带内驰豫过程比带间复合速率快得多,那么可以利用准费米能级Epn和Epp来描述电子空穴的数目。于是导带底和Epn之间的每个态都被添满,而价带顶和之间的所有态都是空的,从而实现光放大。通过适当的选择半导体材料,就可获得能使发射或吸收波长处于光通信所需要的范围(如1300nm或1550nm)内的带隙。2