Як це працюєнапівпровідниковий оптичний підсилювачдосягти посилення?
Після настання ери волоконно-оптичного зв'язку великої ємності технологія оптичного посилення швидко розвивалася.Оптичні підсилювачіпідсилюють вхідні оптичні сигнали на основі вимушеного випромінювання або вимушеного розсіювання. За принципом роботи оптичні підсилювачі можна розділити на напівпровідникові оптичні підсилювачі (Сертифікована архітектура (SOA)) таоптичні волоконні підсилювачіСеред них,напівпровідникові оптичні підсилювачіШироко використовуються в оптичному зв'язку завдяки перевагам широкої смуги посилення, гарної інтеграції та широкого діапазону довжин хвиль. Вони складаються з активних та пасивних областей, причому активна область є областю посилення. Коли світловий сигнал проходить через активну область, це призводить до втрати енергії електронів та повернення їх до основного стану у вигляді фотонів, які мають таку ж довжину хвилі, як і світловий сигнал, таким чином підсилюючи світловий сигнал. Напівпровідниковий оптичний підсилювач перетворює напівпровідниковий носій у зворотну частинку за допомогою збуджувального струму, підсилює амплітуду інжектованого вихідного світла та підтримує основні фізичні характеристики інжектованого вихідного світла, такі як поляризація, ширина лінії та частота. Зі збільшенням робочого струму вихідна оптична потужність також збільшується у певній функціональній залежності.
Але це зростання не безмежне, оскільки напівпровідникові оптичні підсилювачі мають явище насичення коефіцієнта посилення. Це явище показує, що коли вхідна оптична потужність постійна, коефіцієнт посилення збільшується зі збільшенням концентрації інжектованих носіїв, але коли концентрація інжектованих носіїв занадто велика, коефіцієнт посилення насичується або навіть зменшується. Коли концентрація інжектованих носіїв постійна, вихідна потужність зростає зі збільшенням вхідної потужності, але коли вхідна оптична потужність занадто велика, швидкість споживання носіїв, спричинена збудженим випромінюванням, занадто велика, що призводить до насичення або зменшення коефіцієнта посилення. Причиною явища насичення коефіцієнта посилення є взаємодія між електронами та фотонами в матеріалі активної області. Незалежно від того, чи це фотони, що генеруються в середовищі посилення, чи зовнішні фотони, швидкість, з якою стимульоване випромінювання споживає носії, пов'язана зі швидкістю, з якою носії поповнюються до відповідного енергетичного рівня з часом. Окрім стимульованого випромінювання, швидкість споживання носіїв також змінюється під впливом інших факторів, що негативно впливає на насичення коефіцієнта посилення.
Оскільки найважливішою функцією напівпровідникових оптичних підсилювачів є лінійне підсилення, головним чином для досягнення посилення, вони можуть використовуватися як підсилювачі потужності, лінійні підсилювачі та попередні підсилювачі в системах зв'язку. На передавальному кінці напівпровідниковий оптичний підсилювач використовується як підсилювач потужності для підвищення вихідної потужності на передавальному кінці системи, що може значно збільшити відстань ретрансляції системної магістралі. У лінії передачі напівпровідниковий оптичний підсилювач може використовуватися як лінійний релейний підсилювач, завдяки чому відстань регенеративного ретрансляційного зв'язку передачі може бути знову значно збільшена. На приймальному кінці напівпровідниковий оптичний підсилювач може використовуватися як попередній підсилювач, що може значно покращити чутливість приймача. Характеристики насичення коефіцієнта посилення напівпровідникових оптичних підсилювачів призводять до того, що коефіцієнт посилення на біт буде пов'язаний з попередньою послідовністю бітів. Ефект шаблону між малими каналами також можна назвати ефектом перехресної модуляції посилення. Цей метод використовує статистичне середнє значення ефекту перехресної модуляції посилення між кількома каналами та вводить у процес безперервну хвилю середньої інтенсивності для підтримки променя, таким чином стискаючи загальне посилення підсилювача. Тоді ефект перехресної модуляції посилення між каналами зменшується.
Напівпровідникові оптичні підсилювачі мають просту структуру, легку інтеграцію та можуть підсилювати оптичні сигнали різних довжин хвиль, що широко використовується для інтеграції різних типів лазерів. Наразі технологія інтеграції лазерів на основі напівпровідникових оптичних підсилювачів продовжує розвиватися, але все ще потребує зусиль у наступних трьох аспектах. Перший - зменшення втрат на зв'язок з оптичним волокном. Основна проблема напівпровідникового оптичного підсилювача полягає у великій втраті на зв'язок з волокном. Для підвищення ефективності зв'язку до системи зв'язку можна додати лінзу, щоб мінімізувати втрати на відбиття, покращити симетрію променя та досягти високої ефективності зв'язку. Другий - зменшення поляризаційної чутливості напівпровідникових оптичних підсилювачів. Поляризаційна характеристика головним чином стосується поляризаційної чутливості падаючого світла. Якщо напівпровідниковий оптичний підсилювач не обробляється спеціально, ефективна смуга пропускання коефіцієнта посилення зменшиться. Квантова структура може ефективно покращити стабільність напівпровідникових оптичних підсилювачів. Можна вивчити просту та покращену структуру квантових ям для зменшення поляризаційної чутливості напівпровідникових оптичних підсилювачів. Третій - оптимізація інтегрованого процесу. Наразі інтеграція напівпровідникових оптичних підсилювачів та лазерів є занадто складною та громіздкою в технічній обробці, що призводить до великих втрат під час передачі оптичного сигналу та внесення втрат на пристрій, а вартість є занадто високою. Тому нам слід спробувати оптимізувати структуру інтегрованих пристроїв та підвищити точність пристроїв.
В технології оптичного зв'язку технологія оптичного підсилення є однією з допоміжних технологій, і технологія напівпровідникових оптичних підсилювачів швидко розвивається. Наразі продуктивність напівпровідникових оптичних підсилювачів значно покращилася, особливо в розробці оптичних технологій нового покоління, таких як мультиплексування з поділом довжин хвиль або режими оптичного перемикання. З розвитком інформаційної індустрії будуть впроваджені технології оптичного підсилення, придатні для різних діапазонів та різних застосувань, а розробка та дослідження нових технологій неминуче сприятимуть подальшому розвитку та процвітанню технології напівпровідникових оптичних підсилювачів.
Час публікації: 25 лютого 2025 р.