Puslaidininkiniai optiniai stiprintuvai (SOA): principai, taikymas ir didelės galios technologijų analizė

Puslaidininkiniai optiniai stiprintuvai (SOA): principai, taikymas ir didelės galios technologijų analizė

Pažangiausiuose optoelektronikos laukuose, tokiuose kaip optinis ryšys, lidar ir fotoninė integracija, puslaidininkiniai optiniai stiprintuvai (SOA) yra pagrindiniai optinio signalo stiprinimo įrenginiai. Dėl mažo dydžio, mažos kainos, lengvo integravimo ir greito atsako privalumų jie palaipsniui pakeičia tradicinius optinio stiprinimo sprendimus ir tapo pagrindiniu komponentu, palaikančiu didelės spartos optinių tinklų ir didelės galios optinių sistemų plėtrą. Šiame straipsnyje bus išsamiai išanalizuoti SOA veikimo principai ir viso scenarijaus pritaikymas, daugiausia dėmesio bus skiriama didelės galios SOA techninėms charakteristikoms, projektavimo iššūkiams ir taikymo vertei aptarti, padedant visapusiškai suprasti pagrindinius šio „optinio signalo stiprintuvo“ pranašumus. Pagrindinis SOA veikimo principas SOA veikimas iš esmės pagrįstas puslaidininkinių medžiagų skatinamos emisijos efektu. Jų pagrindinis principas yra panašus į puslaidininkinių lazerių, tačiau jie pašalina lazerio rezonansinę ertmę, leidžiančią tik vienu praėjimu sustiprinti optinius signalus, nekeičiant jų elektriniais signalais, taip išvengiant nuostolių ir vėlavimų, atsirandančių dėl fotoelektrinės konversijos. Pagrindinę SOA struktūrą sudaro aktyvioji sritis (priimta daugiakvantinė šulinio struktūra), bangolaidis, elektrodai, pavaros grandinė ir įvesties/išvesties sąsajos. Kaip pagrindinis optinio stiprinimo komponentas, aktyvioji sritis paprastai naudoja puslaidininkines medžiagas, tokias kaip InGaAsP / InP, kur optinio signalo stiprinimas pasiekiamas per nešiklio perėjimus.

Konkretus darbo procesas gali būti suskirstytas į keturis pagrindinius etapus: Pirma, siurblio įpurškimas. Į aktyviąją sritį įpurškiama tiesioginė poslinkio srovė, sužadinanti puslaidininkinėje medžiagoje esančius krūvininkus (elektronus) nuo valentinės juostos iki laidumo juostos, sudarydama „populiacijos inversijos“ būseną – tai reiškia, kad elektronų skaičius laidumo juostoje yra daug didesnis nei valentinės juostos. Antra, stimuliuojama emisija. Kai silpnas įvesties optinis signalas (fotonai) patenka į aktyviąją sritį, jis susiduria su aukštesnio energijos lygio elektronais, todėl elektronai grįžta atgal į valentinę juostą ir išleidžia naujus fotonus, kurių dažnis, fazė ir poliarizacijos kryptis yra tokia pati kaip ir krintantys fotonai. Trečia, optinio signalo stiprinimas. Daug elektronų išskiria fotonus per stimuliuojamą spinduliuotę, kuri susilieja su krintančiais fotonais ir taip padidina optinio signalo galią – paprastai optinis stiprinimas viršija 30 dB (1000 kartų). Ketvirta, signalo išvestis. Sustiprintas optinis signalas perduodamas į išvesties prievadą per bangolaidį, užbaigiant visą stiprinimo procesą. Tuo tarpu elektronai, kurie nedalyvauja stimuliuojamoje emisijoje, išskiria energiją neradiacinės rekombinacijos būdu, todėl reikalinga šilumos valdymo sistema, kuri išsklaido šilumą ir užtikrina stabilų įrenginio veikimą.

Verta paminėti, kad SOA turi tam tikrų apribojimų, įskaitant priklausomybę nuo poliarizacijos, didelį triukšmą (sustiprintą spontanišką emisiją, ASE triukšmą) ir temperatūros jautrumą. Pastaraisiais metais dėl struktūrinių projektų, tokių kaip įtempti kvantiniai šuliniai ir hibridiniai kvantiniai šuliniai, jų plokštumas ir stabilumas buvo žymiai optimizuoti, todėl jų taikymo sritis buvo išplėsta. Remiantis rezonansinės ertmės konstrukcija, SOA daugiausia skirstomi į keliaujančių bangų optinius stiprintuvus (TWLA), Fabry-Perot puslaidininkinius lazerinius stiprintuvus (FPA) ir injekcinius užraktus stiprintuvus (IL-SOA). Tarp jų, keliaujančios bangos tipas, kurio galiniai paviršiai yra padengti antirefleksinėmis (AR) plėvelėmis, pasižymi plačiu pralaidumu, didele galia ir mažu triukšmu, todėl šiuo metu jis yra plačiausiai naudojamas tipas.II. SOA taikymo scenarijai visose srityse Dėl mažo dydžio, plataus dažnių juostos pločio, didelio stiprinimo ir greito atsako greičio (nanosekundžių lygio) pranašumai SOA buvo taikomi įvairiose srityse, tokiose kaip optinis ryšys, lidar, šviesolaidinis jutimas ir biomedicina, tapę nepakeičiamu pagrindiniu optoelektroninių sistemų įrenginiu. Jų taikymo scenarijus galima suskirstyti į keturias pagrindines kategorijas:

Optinio ryšio srityje SOA naudojami kaip pagrindiniai stiprinimo įrenginiai, daugiausia naudojami optinio signalo perdavimo nuostoliams kompensuoti. Tolimojo šviesolaidinio ryšio metu jie gali būti naudojami kaip kartotuvo stiprintuvai, siekiant prailginti signalo perdavimo atstumą. Duomenų centrų sujungimo (DCI) sistemose juos galima integruoti į 400G/800G optinius modulius, kad padidėtų ryšio optinės galios marža, prailginant perdavimo atstumą nuo 40 km iki 80 km. 10G/40G/100G perdavimo sistemose ir šiurkščiavilnių bangų ilgių padalijimo tankinimo (CWDM) sistemose jie išsprendžia O juostos (1260–1360 nm) optinių signalų stiprinimo problemą, sumažina vieno prievado sąnaudas ir palaiko kelis darbo režimus, tokius kaip ACC, APC ir AGC, kad atitiktų skirtingų scenarijų poreikius.

Lidar srityje SOA veikia kaip galios stiprintuvai, kurie gali žymiai pagerinti lazerio šaltinių išėjimo galią, kad atitiktų tolimojo aptikimo reikalavimus. Automobilių lidaruose 1550 nm SOA gali padidinti siauros linijos pločio lazerių skleidžiamą optinę galią, palaikydamos aptikimą dideliais atstumais L4 lygio autonominiam vairavimui. Tokiuose scenarijuose kaip UAV žemėlapių sudarymas ir saugos stebėjimas, jie gali generuoti didelio išnykimo santykio impulsus, pagerindami aptikimo tikslumą ir diapazoną.

Šviesolaidinio jutimo srityje SOA gali sustiprinti silpnus optinius signalus, pagerinti sistemos signalo ir triukšmo santykį ir išplėsti aptikimo atstumą. Paskirstytose jutiklių sistemose, tokiose kaip tilto įtempimo stebėjimas ir naftos bei dujotiekio nuotėkio aptikimas, jie pakeičia akustinius-optinius moduliatorius, kad generuotų siaurus impulsus, leidžiančius tiksliai stebėti. Aplinkos stebėjimo metu jie gali padidinti optinių jutimo signalų stabilumą ir pagerinti stebėjimo jautrumą.

Be to, SOA rodo didelį potencialą biomedicinoje ir optinėje kompiuterijoje. Oftalmologinėje ir širdies UŠT vaizdavimo įrangoje integruojant SOA su tam tikrais bangos ilgiais galima pagerinti aptikimo jautrumą ir skiriamąją gebą. Optiniame skaičiavime jų greiti netiesiniai efektai suteikia fizinį pagrindą tokiems pagrindiniams blokams kaip optiniai loginiai vartai ir didelės spartos optiniai jungikliai, skatinantys visos optinės skaičiavimo technologijos plėtrą.