半导体光放大器(SOA)

      天才出于勤奋。                         ——高尔基(M.Gorky)
一、 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。半导体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8.3.1a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8.3.1b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8.3.2a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
半导体光放大器(SOA)(图1)
半导体光放大器原理和增益分布曲线
图8.3.1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8.3.2b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最大;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。
半导体光放大器(SOA)(图3)
图8.3.2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,式(8.3.1)将变为无限大,此时SOA产生激光发射。
二、 如何使半导体激光器变为半导体光放大器
      减小LD解理端面反射反馈,使半导体光放大器(SOA)(图4)就可以制出行波半导体光放大器。使条状有源区与正常的解理面倾斜或在有源层端面和解理面之间插入透明窗口区,如图8.3.3所示。在图8.3.3b的输出透明窗口区,光束在到达半导体和空气界面前在该窗口区已发散,经界面反射的光束进一步发散,只有极小部分光耦合进薄的有源层。当与抗反射膜一起使用时,反射率可以小至10-4,从而使LD变为SOA。
减小反射使LD近似变为行波(TW)半导体光放大器(SOA)
图8.3.3减小反射使LD近似变为行波(TW)半导体光放大器(SOA)
a)条状有源区与解理面成倾斜结构b)窗口解理面结构

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