Kako polprevodniški optični ojačevalnik doseže ojačanje?

Kakopolprevodniški optični ojačevalnikdoseči ojačanje?

Po nastopu dobe komunikacije z veliko zmogljivimi optičnimi vlakni se je tehnologija optičnega ojačanja hitro razvila.Optični ojačevalnikiojačajo vhodne optične signale na podlagi stimuliranega sevanja ali stimuliranega sipanja. Glede na princip delovanja lahko optične ojačevalnike razdelimo na polprevodniške optične ojačevalnike (SOA) inojačevalniki optičnih vlakenMed njimi,polprevodniški optični ojačevalnikiZaradi prednosti širokega pasu ojačanja, dobre integracije in širokega valovnega območja se pogosto uporabljajo v optični komunikaciji. Sestavljeni so iz aktivnih in pasivnih območij, aktivno območje pa je območje ojačanja. Ko svetlobni signal prehaja skozi aktivno območje, elektroni izgubijo energijo in se vrnejo v osnovno stanje v obliki fotonov, ki imajo enako valovno dolžino kot svetlobni signal, s čimer ojačajo svetlobni signal. Polprevodniški optični ojačevalnik s pomočjo gonilnega toka pretvori polprevodniški nosilec v obratni delec, ojača amplitudo vbrizgane svetlobe in ohrani osnovne fizikalne lastnosti vbrizgane svetlobe, kot so polarizacija, širina črte in frekvenca. Z naraščanjem delovnega toka se v določenem funkcionalnem razmerju poveča tudi izhodna optična moč.

Vendar ta rast ni neomejena, saj imajo polprevodniški optični ojačevalniki pojav nasičenosti ojačanja. Pojav kaže, da se pri konstantni vhodni optični moči ojačanje povečuje z naraščanjem koncentracije vbrizganih nosilcev, ko pa je koncentracija vbrizganih nosilcev prevelika, se ojačanje nasiči ali celo zmanjša. Ko je koncentracija vbrizganih nosilcev konstantna, se izhodna moč povečuje z naraščanjem vhodne moči, ko pa je vhodna optična moč prevelika, je stopnja porabe nosilcev zaradi vzbujenega sevanja prevelika, kar povzroči nasičenost ali zmanjšanje ojačanja. Razlog za pojav nasičenosti ojačanja je interakcija med elektroni in fotoni v materialu aktivnega območja. Ne glede na to, ali gre za fotone, ki nastanejo v ojačevalnem mediju, ali za zunanje fotone, je hitrost, s katero stimulirano sevanje porablja nosilce, povezana s hitrostjo, s katero se nosilci sčasoma obnovijo na ustrezno energijsko raven. Poleg stimuliranega sevanja se spreminja tudi stopnja porabe nosilcev zaradi drugih dejavnikov, kar negativno vpliva na nasičenost ojačanja.

Ker je najpomembnejša funkcija polprevodniških optičnih ojačevalnikov linearno ojačanje, predvsem za doseganje ojačanja, se lahko uporabljajo kot ojačevalniki moči, linijski ojačevalniki in predojačevalniki v komunikacijskih sistemih. Na oddajnem koncu se polprevodniški optični ojačevalnik uporablja kot ojačevalnik moči za povečanje izhodne moči na oddajnem koncu sistema, kar lahko močno poveča relejno razdaljo sistemskega kanala. V daljnovodu se lahko polprevodniški optični ojačevalnik uporablja kot linearni relejni ojačevalnik, tako da se lahko regenerativna relejna razdalja prenosa znova močno podaljša. Na sprejemnem koncu se lahko polprevodniški optični ojačevalnik uporablja kot predojačevalnik, kar lahko močno izboljša občutljivost sprejemnika. Karakteristike nasičenosti ojačanja polprevodniških optičnih ojačevalnikov povzročijo, da je ojačanje na bit povezano s prejšnjim zaporedjem bitov. Vzorec učinka med majhnimi kanali lahko imenujemo tudi učinek navzkrižne modulacije ojačanja. Ta tehnika uporablja statistično povprečje učinka navzkrižne modulacije ojačanja med več kanali in v proces uvaja neprekinjeno valovanje srednje intenzivnosti za vzdrževanje žarka, s čimer se stisne skupni ojačanje ojačevalnika. Nato se zmanjša učinek navzkrižne modulacije ojačanja med kanali.

Polprevodniški optični ojačevalniki imajo preprosto strukturo, enostavno integracijo in lahko ojačajo optične signale različnih valovnih dolžin ter se pogosto uporabljajo pri integraciji različnih vrst laserjev. Trenutno tehnologija integracije laserjev, ki temelji na polprevodniških optičnih ojačevalnikih, še naprej dozoreva, vendar so potrebna še prizadevanja na naslednjih treh področjih. Prvi je zmanjšanje izgub zaradi sklopitve z optičnim vlaknom. Glavna težava polprevodniškega optičnega ojačevalnika je, da so izgube zaradi sklopitve z vlaknom velike. Za izboljšanje učinkovitosti sklopitve se lahko sistemu sklopitve doda leča, da se zmanjšajo izgube zaradi odboja, izboljša simetrija žarka in doseže visoko učinkovitost sklopitve. Drugi je zmanjšanje polarizacijske občutljivosti polprevodniških optičnih ojačevalnikov. Polarizacijska karakteristika se nanaša predvsem na polarizacijsko občutljivost vpadne svetlobe. Če polprevodniški optični ojačevalnik ni posebej obdelan, se bo efektivna pasovna širina ojačanja zmanjšala. Struktura kvantnih jam lahko učinkovito izboljša stabilnost polprevodniških optičnih ojačevalnikov. Možno je preučiti preprosto in vrhunsko strukturo kvantnih jam za zmanjšanje polarizacijske občutljivosti polprevodniških optičnih ojačevalnikov. Tretji je optimizacija integriranega procesa. Trenutno je integracija polprevodniških optičnih ojačevalnikov in laserjev preveč zapletena in tehnično nerodna, kar povzroča velike izgube pri prenosu optičnega signala in izgube pri vstavljanju naprav, stroški pa so previsoki. Zato bi morali poskušati optimizirati strukturo integriranih naprav in izboljšati njihovo natančnost.

V optični komunikacijski tehnologiji je tehnologija optičnega ojačanja ena od podpornih tehnologij, tehnologija polprevodniških optičnih ojačevalnikov pa se hitro razvija. Trenutno se je zmogljivost polprevodniških optičnih ojačevalnikov močno izboljšala, zlasti z razvojem optičnih tehnologij nove generacije, kot sta multipleksiranje z delitevjo valovnih dolžin ali optični preklopni načini. Z razvojem informacijske industrije se bo uvajala tehnologija optičnega ojačanja, primerna za različne pasove in različne aplikacije, razvoj in raziskovanje novih tehnologij pa bo neizogibno privedlo do nadaljnjega razvoja in uspeha tehnologije polprevodniških optičnih ojačevalnikov.