Полупроводниковые усилители строятся в основном по двум схемам:
Traveling-Wave (TW SOA) усилители бегущей волны, в которых эффект оптического усиления наблюдается при распространении входного излучения в инверсной среде активного слоя с просветленными, т.е. не отражающими торцами
Vertical-Cavity SOA (VCSOA) резонансные усилители, в которых эффект усиления и отсутствие лазерной генерации обеспечивается за счет того, что уровень постоянного тока накачки в рабочем режиме выбирается близким, но все-таки ниже порогового значения.
Полупроводниковые оптические усилители также нашли применение в телекоммуникационных оптических системах в виде усилителей мощности (BOA, Booster Optical Amplifier) и универсальных усилителей (SOA, Semiconductor Optical Amplifier). Усилители представляют собой многослойные полупроводниковые кристаллы, в средней части которых находится p-n-переход, накачиваемый носителями зарядов (электронами и дырками). Эта среда с избыточным содержанием электронов и дырок служит каналом усиления оптических сигналов, подаваемых на один из двух торцов. При прохождении сигнала фотоны усиливаются благодаря вынужденному этим сигналом процессу рекомбинации электронов и дырок. Однако в этом потоке усиливаемых фотонов образуются также и случайные по времени, фазе и частоте фотоны из-за случайных рекомбинаций электронов и дырок, что вызывает оптический шум или шум спонтанной эмиссии (ASE).
Структура полупроводникового элемента
В усилителях типа BOA, в отличии от SOA, применяется высокоэффективный канал усиления на основе InP/InGaAsP Multiple Quantum Well (MQW), который позволяет заметно, снизить уровень шума.
Схема полупроводникового усилителя.
В большинстве SOA используются волноводные гетероструктуры, активная (усиливающая) среда представляет собой тонкий слой материала, расположенный между слоями материала с более широкими запрещенными зонами. В современных конструкциях используются антиотражающие покрытия и наклон торцов волновода относительно нормали к оптической оси усилителя. Эти меры позволяют уменьшить коэффициент отражения от торцов до значения меньше чем 0.001%. Поскольку потери на отражение меньше усиления, то паразитная лазерная генерация не возникает.
Усилители бегущей волны (УБВ (TW SOA)) могут быть реализованы с достаточно большим коэффициентом усиления (около 30 дБ) широкой полосой (около 5..10 ТГц), т.е. более 40 нм в районе 1300 нм. Именно такие усилители применяется в телекоммуникационных приложениях
Усилитель бегущей волны частотная характеристика
Антиотражающее покрытие торцов кристалла BOA или SOA, и также скошенный канал усиления позволяют устранить отражения сигнала от торцов и образования среды с лазерной генерацией, как в лазере типа F-P, что позволяет формировать равномерное усиление в широком диапазоне волн.
Конструкции усилителей бегущей волны с активным слоем и подавлением отраженных лучей
Для ввода и вывода оптического излучения используются одномодовые волоконные световоды двух типов: без сохранения поляризации сигнала типа SMF и с сохранением или приданием поляризации типа PMF. При этом волоконные световоды могут представлять собой отрезки волокон до 1–1,5 м с оконцеванием разъемными соединителями FC/APC или без них для сварки.
Конструкция SOA в корпусе типа с волоконными оконцованными выводами
Резонансный усилитель Фабри–Перо имеет слишком узкую полосу усиления на уровне -3 дБ от максимального (менее 10 ГГц) и мало пригоден для оптических систем передачи. Соотношение полос частот усиления для УБВ и усилителя Ф–П приведено на рисунке ниже.
Схема усилителя резонансного типа
Частотная характеристика усилителя резонансного типа Фабри-Перо
Сравнение спектральных характеристик усиления TW SOA и VCSOA
Пригодные для оптических систем передачи усилители бегущей волны (TW SOA) имеют разные коэффициенты усиления для продольных и поперечных мод (мод ТЕ и ТМ). Поэтому усилители выполняются из двух кристаллов с ортогональным расположением активных усиливающих слоев.
Усиление для продольных и поперечных мод в УБВ
Таблица. Характеристики полупроводниковых усилителей выполненных из различных материалов
Окна прозрачности | 0,82-0,85 мкм | 1,28-1,33 мкм | 1,53-1,56 мкм | |||
Химическое соединение | AlGaAs/GaAs | InGaAsP/InP | AlGaAsPSb/GaSb | |||
Назначение усилителя | Pre-Ampl | Booster | Pre-Ampl | Booster | Pre-Ampl | Booster |
Величина усиления, дБм | 35-40 | 10-15 | 33 | 12-16 | 20-27 | 10-12 |
Полоса частот усиления | 200-250 | 200-250 | 60-90 | 60-90 | 30-50 | 30-50 |
Мощность накачки, мВт | 100-150 | 100-150 | 45-50 | 80-150 | 50-70 | 80-200 |
Ток накачки, мА | - | - | 80-400 | - | 80-400 | 80-400 |
Потребляемая мощность, Вт | 1,5 | 1,5 | 1,5 | 2,5 | 1,5 | 2,5 |
Типичные обобщенные характеристики SOA
Характеристика | Значение |
Operating wavelength | 1300 – 1600 nm |
Gain | 20 – 30 dB |
3-dB gain bandwidth | 20 – 30 nm |
Power output | < 10 dBm |
Polarization sensitivity | 0.2 – 5 dB |
Нелинейные искажения сигналов из-за насыщения усиления полупроводниковых усилителей
В полупроводниковых усилителях наблюдаются нелинейные искажения оптических сигналов, вызываемые совместным действием временных изменений усиления и взаимосвязью коэффициента усиления и показателя преломления.
В англоязычной литературе этот эффект называется «saturation-induced non-linearity», что можно перевести на русский язык как «нелинейности, обусловленные насыщением».
Нелинейности, обусловленные насыщением, могут существенно ухудшить качество работы систем оптической связи, т.к. время жизни носителей заряда, Tcc (0.2-0.5 ns) полупроводниковых усилителей (SOA), сопоставимо с длительностью оптических импульсов в системах связи. В результате очень быстрого насыщения усиления в SOA коэффициент усиления переднего фронта и спада оптических импульсов оказываются разными. Временная зависимость коэффициента усиления в общем случае зависит от временной формы импульсов, а степень насыщения зависит от отношения энергии импульсов к энергии насыщения SOA.
Типичное значение мощности насыщения SOA равно примерно 30 мВт (не путать с 3 дБ насыщением, равным 10-15 мВт).
Такое временное поведение полупроводникового усилителя может приводить к появлению искажений, зависящих от последовательности символов (pattern effects), поскольку усиление в некоторый момент времени зависит от того, какой символ был предыдущим.
Важно отметить, что рассмотренное явление наблюдается в усилителях любого типа, в том числе в EDFA, но в SOA оно проявляется наиболее сильно из-за совпадения времени релаксации (насыщения) и характерной длительности единичного информационного сигнала.
Специфической особенностью работы SOA является также возникновение частотной модуляции и частотного сдвига из-за взаимосвязи между амплитудными и фазовыми характеристиками SOA. Причина этого заключается в том, что оптический импульс, усиливаясь в SOA, уменьшает плотность носителей заряда и, тем самым, изменяет показатель преломления полупроводника.
Влияние нелинейных искажений в усилителе на работу систем связи
В стандартных одноканальных оптических системах связи типа точка-точка использующих амплитудные форматы модуляции без возвращения к нулю (NRZ) основной источник искажений в усилителе – эффект зависимости усиления от последовательности сигналов (pattern effects) а также, в меньшей степени индуцируемая SOA частотная модуляция (чирп). Эти эффекты проявляются и в системах связи, использующих формат с возвращением к нулю (RZ). В этом случае к заметному ухудшению качества передачи информации может привести зависящий от насыщения частотный сдвиг. При линий связи с накопленной дисперсией отличной от 0 частотные сдвиги превращаются во временной джиттер, ограничивающий дальность работы систем связи. Этот эффект наиболее сильно проявляется в системах связи, использующих нелинейные режимы распространения, например в солитонных линиях связи. Это связано с тем, что в солитонных линиях связи энергия импульсов поддерживается на значительном уровне и дисперсия линии отлична от нуля.
Для ослабления нелинейных искажений, вызванных насыщением, можно использовать усилители в линейном режиме, либо применить технику оптической стабилизации коэффициента усиления (gain clamping). В первом случае необходимо обратить внимание на накопление шумов усиленного спонтанного излучения (ASE).
При уровне выходной мощности (1-5 мВт) и дисперсии близкой к нулю экспериментально продемонстрировано высокое качество работы систем связи как с NRZ так и с RZ-форматами модуляции при длине линии связи до 400 км.
Типовые применения BOA:
в составе систем передачи: выходные усилители излучения лазеров в передатчиках;
компенсаторы потерь оптической мощности таких пассивных устройств, как мультиплексоры и демультиплексоры
оптические фильтры.
Типовые применения SOA:
в составе систем передачи: линейный усилитель вместо регенератора;
предусилитель перед фотодетектором;
быстрый оптический коммутатор
управляемая коммутационная ячейка (время переключения ~1 нс).
Выводы
Полупроводниковые усилители отличаются малыми размерами и в них используется электрическая накачка. Они дешевле других типов усилителей (по крайней мере RAMAN) и допускают интеграцию с полупроводниковыми лазерами, модуляторами и другими устройствами. Однако по техническим характеристикам они все еще уступают эрбиевым усилителям: у SOA шум больше, усиление меньше, есть некоторая поляризационная чувствительность и присутствуют значительная нелинейность, обусловленная быстрой релаксацией носителей заряда (порядка ноносекунд и менее). Недавно были разработаны так называемые «Линейные оптические усилители» (Linear optical amplifiers), в которых используется технология оптической стабилизации коэффициента усиления (gain-clamping techniques).
