半導体光増幅器の応用

3月 13, 2023
2:52 am

1990年代に登場した半導体光増幅器（SOA）は、再生器技術を凌駕し、波長分割多重（WDM）技術への道を切り開くことで、光通信に革命をもたらしました。SOAは主に、光信号を電気信号に変換することなく直接増幅するために使用されます。光増幅器は、ラマン増幅器、エルビウム添加光ファイバ増幅器（EDFA）、半導体光増幅器（SOA）の3種類に分類されます。この記事では、SOA増幅器について詳しく説明し、その利点と欠点を解説します。

半導体光増幅器とは何ですか?

半導体光増幅器（SOA）は、誘導放出によって光信号を増幅し、利得を得るように設計されたデバイスです。この利得は電流注入によって実現されます。SOAの利点は、信号を電気信号に変換することなく、光強度を増幅できることです。

半導体はSOAの利得媒体として機能し、一般的な用途では光入射パワーの増強や他の光デバイスの損失補償に使用されます。SOAは、多くの場合、光ファイバーピグテール型のコンポーネントとして使用され、通信システムで広く利用されています。0.85µm～1.6µmの信号波長で動作し、最大30dBの利得を提供します。SOAは、シングルモードまたは偏波保持光ファイバーの入出力で利用できます。

光信号の誘導増幅には、増幅器に光利得は必要ですが、共振空洞は必要ありません。半導体レーザーの光フィードバック機構を取り除くことで、半導体光増幅器（SOA）、あるいは半導体レーザー増幅器と呼ばれるものを作成できます。

SOAの基本的な動作は半導体レーザーと似ていますが、フィードバックはありません。SOAは誘導放出によって入射光を増幅します。光が活性領域を通過すると、電子は光子の形でエネルギーを失い、基底状態に戻ります。誘導放出された光子は光信号と同じ波長を持ち、光信号を増幅します。

SOAアンプの主要指標

ゲイン：ゲインはSOAの入力光信号を増幅する能力を表し、出力パワーと入力パワーの比で表され、通常はデシベル（dB）で表されます。ゲインが高いほど信号増幅が強くなり、一般的なSOAは20～30dBのゲインを提供します。
利得帯域幅：利得帯域幅は、SOAが信号を効果的に増幅できる波長範囲を定義します。WDMのような複数の波長を同時に増幅する必要があるアプリケーションでは、広い利得帯域幅が不可欠です。
飽和出力電力：これは、利得圧縮が発生する前にSOAが供給できる最大出力電力です。この飽和点以下で動作させることで、線形増幅が保証され、信号品質が維持されます。
ノイズ：増幅中に自然放出光によってノイズが発生し、不要な信号が発生します。このノイズレベルは雑音指数（NF）によって定量化され、SOAの場合、典型的な値は5～10dBです。

半導体光増幅器の応用

光ファイバーネットワーク

光通信ネットワークの急速な拡大により、伝送距離の延長が求められています。SOAを含む光増幅器は、光ファイバーの損失制約を克服し、長距離にわたるテラビット級のデータ伝送を可能にするために不可欠です。

波長分割多重（WDM）システム

SOAは、様々なソースからのデータを光ファイバーに集約し、各信号を異なる波長で伝送するWDMシステムにおいて重要な役割を果たします。この技術により、光ファイバーの情報伝送容量が向上します。

プリアンプ、ポストアンプ、インラインアンプ

SOAは、伝送距離と信号品質を最適化するために、さまざまな増幅器構成で使用されます。プリアンプ、ポストアンプ、インラインアンプはそれぞれ、光信号の増幅において特定の役割を果たします。

光信号処理

SOA は、その強い非線形性により、全光スイッチングを含む光信号処理アプリケーションで使用するために設計されています。

センシング

SOA は、ファイバーブラッグインタロゲータなどのセンシングアプリケーションで利用され、ファイバーブラッググレーティング (FBG) への光信号を増幅するのに役立ちます。

画像診断

医療診断および画像処理では、SOA はリアルタイム画像処理の精度と効率性を重視して使用されます。

結論

半導体光増幅器（SOA）は、コンパクトなサイズ、統合性、そして幅広い波長範囲の増幅能力により、長距離WDMネットワークにおいてコスト効率に優れた高性能な選択肢となります。EDFAに比べてノイズやゲインが低いなどの制約はあるものの、SOAは統合性、コスト、波長柔軟性がより重要となるシナリオにおいて依然として価値の高い選択肢です。

半導体光増幅器および関連製品の詳細については、Inphenix をご覧ください。