Полупроводниковые оптические усилители ППЛУ

Принцип работы полупроводниковых ОУ основан на явлении стимулированного излучения. Оптическое усиление возможно при условии создания инверсной населенности (избытка электронов в зоне проводимости) за счет накачки, роль которой играет инжекция тока в полупроводник. Входной сигнал - источник первичных фотонов переводит электроны возбуждённых атомов с верхнего уровня на нижний, где электрон и дырка рекомбинируют, вызывая появление вторичных фотонов. Если один первичный фотон вызывает эмиссию K вторичных фотонов, возникает K-кратное оптическое усиление.

Полупроводниковые усилители ППЛУ строятся в основном по двум схемам:

1) Усилители бегущей волны (УБВ, рисунок 3.42);

2) Резонансные усилители (усилители Фабри-Перо, рисунок 3.44).

Второй тип ОУ отличается наличием обратной связи (ОС), обеспечивающей многократную процедуру усиления.

Если усиление осуществляется за один проход (ОС отсутствует), то ОУ называется усилителем бегущей волны (УБВ). На входном и выходном торцах такого усилителя (полупроводникового блока длиной L) формируются грани с антиотражающим покрытием (см. рисунок 3.42), чтобы минимизировать отраженный луч.

Рисунок 3.42 – Усилитель бегущей волны

Рисунок 3.43 – Амплитудно-волновая характеристика УБВ

Усилители бегущей волны УБВ могут быть реализованы с достаточно большим коэффициентом усилением (около 30 дБ) при широкой полосе усиливаемых частот (около 5-10 ТГц). Для этого необходимо подавление возможных отражений фотонов от торцов (отражение менее 0.1%). Это достигается нанесением на торцы специального покрытия толщиной l/4 с согласованным показателем преломления. Ток накачки в УБВ выбирается выше порогового.

Рисунок 3.44 – Усилитель Фабри-Перо

Рисунок 3.45 – Амплитудно-волновая характеристика УФП

В резонансных усилителях, (рисунок 3.44) наоборот, применяется оптическая обратная связь ООС, для создания которой используется оптический резонатор. Им может быть, например, резонатор Фабри-Перо - пара параллельных полупрозрачных зеркал, закрепляемых на входе и выходе усилителя, между которыми в процессе многократного отражения оптической волны и происходит усиление интенсивности оптического сигнала (за счет преобразования энергии накачки в энергию сигнала) до величины, достаточной для выхода оптического луча за пределы резонатора. Такой ОУ называется усилителем (с резонатором) Фабри-Перо - УФП (FPA). В резонансных усилителях эффект усиления и отсутствие лазерной генерации обеспечивается за счёт того, что величина тока накачки в рабочем режиме выбирается близкой, но всё-таки ниже порогового тока.

Резонансный усилитель Фабри–Перо имеет слишком узкую полосу усиления (менее 10 ГГц) и мало пригоден для ВОСП (рисунок 3.45).

Светоизлучающий активный слой ППЛУ имеет поперечный раз­мер несколько микрон, но толщину в пределах одного микрона, что много меньше, чем диаметр светонесущей части (сердцевины) оптического волокна (примерно 9 мкм - для одномодового ОВ).

Рисунок 3.47 – Пример конструкции ППЛУ, совмещённого с лазером передатчика

Конструкция выполнена на одной подложке. Лазер отделён от усилителя изолирующим слоем FеInP, который прозрачен для оптического излучения.