Was ist einHalbleiter-Lichtverstärker
Ein Halbleiter-Verstärker (SOA) ist ein optischer Verstärker, der ein Halbleiter-Verstärkungsmedium nutzt. Er ähnelt einer Laserdiode, bei der der Spiegel am unteren Ende durch eine halbreflektierende Beschichtung ersetzt ist. Das Signallicht wird durch einen Halbleiter-Einmoden-Wellenleiter übertragen. Die Querschnittsabmessung des Wellenleiters beträgt 1–2 Mikrometer, seine Länge liegt in der Größenordnung von 0,5–2 mm. Der Wellenleitermodus überlappt signifikant mit der aktiven (Verstärkungs-)Zone, die durch den Strom angeregt wird. Der eingespeiste Strom erzeugt eine bestimmte Ladungsträgerkonzentration im Leitungsband und ermöglicht so den optischen Übergang vom Leitungsband ins Valenzband. Die maximale Verstärkung wird erreicht, wenn die Photonenenergie geringfügig über der Bandlückenenergie liegt. SOA-Verstärker werden typischerweise in Telekommunikationssystemen in Form von Anschlusskabeln (Pigtails) mit einer Betriebswellenlänge um 1300 nm oder 1500 nm eingesetzt und bieten eine Verstärkung von etwa 30 dB.
DerSOA Halbleiter-Lichtverstärkerist ein PN-Übergangsbauelement mit einer Quantentopfstruktur. Die externe Vorwärtsspannung kehrt die Anzahl der dielektrischen Partikel um. Nach dem Eintritt des externen Anregungslichts wird stimulierte Strahlung erzeugt, wodurch die optischen Signale verstärkt werden. Alle drei oben genannten Energietransferprozesse finden in diesem Bauelement statt.SOA-OptikverstärkerDie Verstärkung optischer Signale basiert auf stimulierter Emission. Dabei finden stimulierte Absorption und stimulierte Emission gleichzeitig statt. Die stimulierte Absorption des Pumplichts beschleunigt die Regeneration von Ladungsträgern, während gleichzeitig Elektronen durch den elektrischen Pumpimpuls auf ein höheres Energieniveau (Leitungsband) angeregt werden. Bei der Verstärkung spontaner Strahlung entsteht verstärktes spontanes Strahlungsrauschen. Optische Verstärker mit stimulierter Absorption (SOA) basieren auf Halbleiterchips.
Halbleiterchips bestehen aus Verbindungshalbleitern wie GaAs/AlGaAs, InP/AlGaAs, InP/InGaAsP und InP/InAlGaAs usw. Diese Materialien werden auch zur Herstellung von Halbleiterlasern verwendet. Das Wellenleiterdesign von SOA ist dem von Lasern ähnlich. Der Unterschied besteht darin, dass Laser einen Resonator um das Verstärkungsmedium benötigen, um die Schwingung des optischen Signals zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Das optische Signal wird im Resonator mehrfach verstärkt, bevor es ausgegeben wird.SOA-Verstärker(Die hier besprochenen Aspekte beschränken sich auf die in den meisten Anwendungen verwendeten Wanderwellenverstärker.) Das Licht muss das Verstärkungsmedium nur einmal durchlaufen, und die Rückreflexion ist minimal. Die SOA-Verstärkerstruktur besteht aus drei Bereichen: Bereich P, Bereich I (aktive Schicht oder Knoten) und Bereich N. Die aktive Schicht besteht üblicherweise aus Quantentöpfen, welche die photoelektrische Umwandlungseffizienz verbessern und den Schwellenstrom reduzieren können.
Abbildung 1 Faserlaser mit integriertem SOA zur Erzeugung optischer Pulse
Angewendet auf Kanalübertragung
SOAs werden üblicherweise nicht nur zur Verstärkung eingesetzt, sondern finden auch Anwendung in der optischen Faserkommunikation. Anwendungen basieren auf nichtlinearen Prozessen wie Sättigungsverstärkung oder Kreuzphasenpolarisation, die die Variation der Ladungsträgerkonzentration im SOA-Verstärker nutzen, um unterschiedliche Brechungsindizes zu erzielen. Diese Effekte lassen sich in Wellenlängenmultiplexsystemen für Kanalübertragung (Wellenlängenkonvertierung), Modulationsformatkonvertierung, Taktrückgewinnung, Signalregeneration und Mustererkennung etc. einsetzen.
Mit dem Fortschritt der optoelektronischen integrierten Schaltungstechnologie und der Senkung der Herstellungskosten werden sich die Anwendungsbereiche von SOA-Halbleiter-Lichtverstärkern als Basisverstärker, optische Funktionsbauelemente und Subsystemkomponenten weiter ausdehnen.
Veröffentlichungsdatum: 23. Juni 2025