半导体光放大器是基于半导体增益介质的光放大器。它本质上就像光纤耦合半导体激光管，端镜已被增透膜取代;倾斜波导可用于进一步降低末端反射率。信号光通常通过半导体单模波导发送，横向尺寸为1-2μm，长度约为0.5-2mm。波导模式与有源（放大）区域有显著重叠，有源（放大）区域由电流泵送。注入电流在导带中产生一定的载流子密度，允许从导带到价带的光跃迁。增益极大值发生在略高于带隙能量的光子能量上。

半导体光放大器工作原理

       半导体光放大器通过受激发射对入射光信号进行放大，其机理与半导体激光器相同。SOA光放大器只是一个没有反馈的半导体激光器，其核心是当半导体光放大器被光或电泵浦时，粒子数反转获得光增益，如图1a所示。光放大器增益分布曲线和相应的放大器增益频谱曲线如图1b所示。

       但是，半导体激光器在解理面存在反射（反射系数R约为32%），具有相当大的反馈。当偏流低于阈值时，它们被作为半导体光放大器使用，但是必须考虑在法布里-珀罗（F-P）腔体界面上的多次反射，如图2a所示。这种半导体光放大器就称为F-P放大器。

       当R1=R2，并考虑到ν=νm时，使用F-P干涉理论可以求得该放大器的放大倍数GFPA(ν)为

图1 半导体光放大器原理和增益分布曲线

a）行波半导体光放大器  b）光放大器增益分布曲线g（ν)和相应的放大器增益频谱曲线G（ν)

 

       当入射光信号的频率νs与腔体谐振频率νm相等时，增益GFPA(ν)就达到峰值，当νs偏离νm时，GFPA(ν)下降得很快，如图2b所示。由图可见，当半导体解理面与空气的反射率R=0.32时，F-P放大器在谐振频率处的峰值极大；反射率越小，增益也越小；当R=0时，半导体激光器就变为半导体行波光放大器，其增益频谱特性是高斯曲线。

图 2法布里-玻罗（F-P）半导体光放大器（SOA）

a）SOA的结构和原理图   b）SOA不同反射率的增益频谱曲线

       由以上的讨论可知，增大提供光反馈的F-P谐振腔的反射率R，可以显著地增加SOA的增益，反射率R越大，在谐振频率处的增益也越大。但是，当R超过一定值后，半导体光放大器将变为半导体激光器。当GR=1时，公式（1）将变为无限大，此时SOA产生激光发射。

 

SOA 放大特性

Inphenix的半导体光放大器已被证明是多功能和多功能设备，是光网络的关键构建模块。有五个主要参数用于表征半导体光放大器（SOA）：

? 小信号增益（gs）;在 -22dBm 输入功率下高达 25 dB;

? 增益带宽;在 80 dB 时高达 3 nm

? 饱和输出功率 （psat） 高达 17 dBm;

? 噪声系数 （NF） 7.0-8.0 dB;

? 偏振相关增益 （PDG）<1 dB 或高达 10 dB

SOA光放大器应具有适合应用的极高增益。还需要宽光带宽，以便SOA可以放大宽范围的信号波长。增益饱和效应会给输出带来不希望的失真，因此理想的SOA应具有非常高的饱和输出功率，以实现良好的线性度，并以极小的失真极大化其动态范围。理想的SOA还应该具有非常低的噪声系数（物理极限为3dB），以极小化输出端的放大自发发射（ASE）功率。极后，理想的SOA应具有非常低的极化灵敏度，以极小化横向电（TE）和横向磁（TM）极化状态之间的增益差。然而，理想的SOA是不可能实现的，因为其中发生的各种过程的物理限制。

图 3- SOA 相互关联的参数

 

SOA参数是密切相关的，为了实现一个参数的极佳值，应该妥协其他规范和/或控制频谱工作区域，如图3所示。

 

SOA 的类型

根据 SOA 在客户系统中扮演的角色，它们可以分为四类：串联、助推器;切换 SOA 和前置放大器;

? 直插：更高的增益，中等的 Psat;较低的NF和较低的PDG，通常与极化无关的SOA;

? 增强器：较高的Psat，较低的增益，通常取决于极化;

? 开关：更高的消光比和更快的上升/下降时间;

? 前置放大器：适用于更长的传输距离、更低的 NF 和更高的增益。

此外，PDG 可以确定 SOA 的极性。例如，如果PDG小于1.5dB，则SOA与极性无关（P-I），如果PDG高达10 dB，则SOA与极性相关（P-D）。

 

SOA 的应用

1、传统应用

放大是SOA在光通信系统中的基本原理应用。SOAsarea高度通用的组件，可用于电信中的各种放大和路由功能。商业化的SOA现已在市场上广泛使用，并正迅速成为一种经济高效的解决方案，用于核心、城域和极终接入应用的先进光学系统中的光放大。SOA可用于任何光通信网络，通过作为升压放大器（后置放大器）、直列放大器在链路中的各个点重新生成信号。

2、电信

SOA 被各行各业广泛使用。极重要的行业之一是电信，它们在路由和交换方面受到重视。此外，SOA还用于增强或放大长距离光纤通信的信号输出。在此应用中，电信公司使用从总部到数据中心的光纤线路。这些传输线可能超过10公里或更远，需要使用SOA来增强/放大来自通常光源的信号。