Wie erreicht ein optischer Halbleiterverstärker eine Verstärkung?

Wie funktioniert das?Halbleiter-LichtverstärkerVerstärkung erreichen?

Nach dem Aufkommen der Ära der optischen Glasfaserkommunikation mit hoher Kapazität hat sich die optische Verstärkungstechnologie rasant weiterentwickelt.Optische VerstärkerOptische Verstärker verstärken Eingangssignale durch stimulierte Strahlung oder stimulierte Streuung. Nach ihrem Funktionsprinzip lassen sich optische Verstärker in Halbleiterverstärker (SOA) Undoptische FaserverstärkerDarunter:Halbleiter-LichtverstärkerHalbleiter-Verstärker werden aufgrund ihrer Vorteile wie breites Verstärkungsband, gute Integration und großer Wellenlängenbereich häufig in der optischen Kommunikation eingesetzt. Sie bestehen aus aktiven und passiven Bereichen, wobei der aktive Bereich die Verstärkungszone darstellt. Beim Durchgang eines Lichtsignals durch den aktiven Bereich verlieren Elektronen Energie und kehren in Form von Photonen in den Grundzustand zurück. Diese Photonen besitzen die gleiche Wellenlänge wie das Lichtsignal und verstärken es somit. Der Halbleiter-Verstärker wandelt die Ladungsträger im Halbleiter mittels des Ansteuerstroms in Photonen um, verstärkt die Amplitude des eingekoppelten Lichts und erhält dessen grundlegende physikalische Eigenschaften wie Polarisation, Linienbreite und Frequenz. Mit steigendem Betriebsstrom erhöht sich die optische Ausgangsleistung in einem bestimmten funktionalen Zusammenhang.

Dieses Wachstum ist jedoch nicht unbegrenzt, da optische Halbleiterverstärker ein Verstärkungssättigungsphänomen aufweisen. Dieses Phänomen zeigt, dass bei konstanter optischer Eingangsleistung die Verstärkung mit steigender Konzentration der injizierten Ladungsträger zunimmt. Ist die Konzentration der injizierten Ladungsträger jedoch zu hoch, sättigt sich die Verstärkung oder sinkt sogar. Umgekehrt steigt die Ausgangsleistung bei konstanter Konzentration der injizierten Ladungsträger mit zunehmender Eingangsleistung. Ist die optische Eingangsleistung jedoch zu hoch, ist die durch angeregte Strahlung verursachte Ladungsträgerverbrauchsrate zu hoch, was ebenfalls zu einer Verstärkungssättigung oder einem -abfall führt. Ursache für die Verstärkungssättigung ist die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Photonen im Material der aktiven Zone. Unabhängig davon, ob die Photonen im Verstärkungsmedium erzeugt oder extern sind, hängt die Rate, mit der die angeregte Strahlung Ladungsträger verbraucht, von der Rate ab, mit der die Ladungsträger innerhalb der Zeit auf das entsprechende Energieniveau aufgefüllt werden. Neben der angeregten Strahlung beeinflussen auch andere Faktoren die Ladungsträgerverbrauchsrate und wirken sich negativ auf die Verstärkungssättigung aus.

Da die wichtigste Funktion von Halbleiter-Verstärkern die lineare Verstärkung ist, werden sie hauptsächlich zur Verstärkung eingesetzt und eignen sich daher als Leistungsverstärker, Leitungsverstärker und Vorverstärker in Kommunikationssystemen. Am Sender dient der Halbleiter-Verstärker als Leistungsverstärker zur Erhöhung der Ausgangsleistung und damit zur deutlichen Steigerung der Übertragungsreichweite. In der Übertragungsleitung kann er als linearer Relaisverstärker eingesetzt werden, wodurch die Übertragungsreichweite sprunghaft erhöht wird. Am Empfänger dient er als Vorverstärker und verbessert die Empfindlichkeit des Empfängers erheblich. Aufgrund der Verstärkungssättigung von Halbleiter-Verstärkern hängt die Verstärkung pro Bit von der vorherigen Bitfolge ab. Dieser Effekt zwischen kleinen Kanälen wird auch als Kreuzverstärkungsmodulation bezeichnet. Bei dieser Technik wird der statistische Mittelwert der Kreuzverstärkungsmodulation zwischen mehreren Kanälen berechnet und ein kontinuierliches Signal mittlerer Intensität eingekoppelt, um den Strahl zu stabilisieren und so die Gesamtverstärkung des Verstärkers zu reduzieren. Dadurch wird der Cross-Gain-Modulationseffekt zwischen den Kanälen reduziert.

Optische Halbleiterverstärker zeichnen sich durch ihren einfachen Aufbau und ihre leichte Integration aus. Sie können optische Signale unterschiedlicher Wellenlängen verstärken und finden breite Anwendung in der Integration verschiedenster Lasertypen. Die Laserintegrationstechnologie auf Basis optischer Halbleiterverstärker entwickelt sich stetig weiter, jedoch besteht in drei Bereichen noch Verbesserungsbedarf: Erstens gilt es, die Kopplungsverluste mit der optischen Faser zu reduzieren. Das Hauptproblem optischer Halbleiterverstärker liegt in den hohen Kopplungsverlusten. Um die Kopplungseffizienz zu steigern, kann dem Kopplungssystem eine Linse hinzugefügt werden, die die Reflexionsverluste minimiert, die Strahlsymmetrie verbessert und so eine hocheffiziente Kopplung ermöglicht. Zweitens gilt es, die Polarisationssensitivität optischer Halbleiterverstärker zu verringern. Die Polarisationscharakteristik beschreibt die Abhängigkeit des einfallenden Lichts von der Polarisationsrichtung. Ohne spezielle Prozessierung des optischen Halbleiterverstärkers verringert sich die effektive Bandbreite der Verstärkung. Quantenfilmstrukturen können die Stabilität optischer Halbleiterverstärker effektiv verbessern. Es ist möglich, eine einfache und überlegene Quantenfilmstruktur zu entwickeln, um die Polarisationssensitivität optischer Halbleiterverstärker zu reduzieren. Drittens ist die Optimierung des Integrationsprozesses erforderlich. Die Integration von optischen Halbleiterverstärkern und Lasern ist derzeit technisch zu komplex und aufwendig, was zu hohen Verlusten bei der optischen Signalübertragung und der Einfügungsdämpfung der Bauelemente führt und die Kosten erheblich erhöht. Daher sollten wir die Struktur integrierter Bauelemente optimieren und deren Präzision verbessern.

In der optischen Kommunikationstechnik ist die optische Verstärkungstechnologie eine der Schlüsseltechnologien, und die Halbleiter-Verstärkertechnologie entwickelt sich rasant. Aktuell hat sich die Leistungsfähigkeit von Halbleiter-Verstärkern erheblich verbessert, insbesondere durch die Entwicklung optischer Technologien der neuen Generation wie Wellenlängenmultiplexverfahren oder optische Schaltmodi. Mit dem Wachstum der Informationsindustrie werden optische Verstärkungstechnologien für verschiedene Frequenzbänder und Anwendungen eingeführt, und die Entwicklung und Forschung neuer Technologien wird die Halbleiter-Verstärkertechnologie zwangsläufig weiter voranbringen und ihren Erfolg sichern.