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。
下面分析半导体激光放大器的增益特性，设入射光场为E i，半导体激光放大
器左右端面的透射系数分别为t
1和t
2
，反射系数分别为r1和r2，有源层长度为L，
则半导体光放大器输出光为多次透射光之和，可写为
(3—170) 式中为有源层的复传输常数，可表示为
=－（）
/2+j(3—171) 式中为模式限制因子，g为有源层增益系数，为有源层损耗系数，为有源层相位参数， =2 n/，n为有源层折射率。
由式(3—159)可得放大器的增益系数为G= =
=(3—172)
式中R1=r12，R2=r x2为端面功率反射系数；为F—P谐振频率； =c/(2L)为腔内纵横模间隔，也称F—P腔自由光谱区；G
s
为有源层的单程非饱和增益，相应于行波半导体放大器的增益。
通常F—P腔放大器的通带宽度只占自由谱区的
很小一部分，所以F—P腔放大器的带宽比行波放大器小得多，不适于在光波通信系统中作为高速或多信道光放大器应用，一般用作光信号处理器件。
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2.半导体光放大器的特性
半导体光放大器所能辐射出的光频率由有源区的材料决定，因此放大器输入光频率应与半导体光放大器所能辐射的光波段相一致。
可以通过适当选择半导体材料来得到所需光波段的放大器。
由于半导体行波放大器所用半导体材料的增益谱宽较宽，因此在一个较宽的光频率范围内，半导体光放大器都有放大作用，即它可以在很宽的频带进行放大。
光放大器的最大增益波长，随着注入电流的增加而略向短波长侧移动。
半导体光放大器的一个缺点是对偏振态非常敏感，即增益与输入光的偏振方向有关。
输入光的偏振方向在与结平面垂直时的增益比偏振方向与结平面平行的增益约高6dB。
偏振灵敏性是半导体光放大器应用中的一个限制因素，应设法尽量减少。
为使两个方向的增益一致，可以把两个光放大器串联并使二者结平面相互垂直，如图3—71所示。
但从应用的角度来看，为了降低偏振态灵敏性，改变半导体光放大器的设计结构比较可取。
可以采用宽度和厚度可比拟的有源层设计，使TE模和TＭ模的增益差减小。
半导体光放大器既可以在光纤通信系统中作为串级全光中继放大器和光接收机前置放大器，也可以在局域网中作为分支损耗补偿放大器；既可以用于强度调制直接检测光纤通信系统，也可以用于相干光通信系统，并都取得了满意的结果。
行波半导体放大器具有高增益、高输出功率、高带宽的特点，特别适合于用作波分复用光纤通信系统中多路光信号直接放大，也可用在高比特率光纤通信系统中对超短光脉冲进行直接放大。
但是半导体光放大器作为中继放大器和功率放大器同时放大多信道信号时，其非线性特性（如交叉相位调制和四波混频等）将变得十分突出，从而影响到通信系统的整体性能。
虽然半导体光放大器在光纤通信系统中具有一定的应用前景，但其增益输出功率瞬态特性、非线性失真、偏振灵敏性和连接损耗等诸多特性，均不如掺
铒光纤放大器。
因此，目前光纤通信系统中均普遍采用掺铒光纤放大器作为光放大器。
但是半导体光放大器的非线性效应却在全光信号处理中有着重要的应用。
例如，可利用其非线性特性产生的波长变换功能做成全光网中节点的波长路由器。
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