半导体光放大器
半导体光放大器本质上是一个激光二极管 (LD)，其输入和输出端口没有反馈，因此也称为行波放大器 (TWA)。半导体光放大器已被证明是一种用途广泛、功能齐全的器件，是光网络的关键组成部分。
有五个参数用于表征半导体光放大器：（1）增益（Gs）；（2）增益带宽；（3）饱和输出功率（PSAT）；（4）噪声系数（NF）；（5）偏振相关增益（PDG）。
半导体光放大器具有带宽宽、饱和功率高等特点，在各个频段、网络和应用中发挥着至关重要的作用。
Peak Wavelength(nm) To:From: |
Category |
Typical Gain(dB) From: To |
Typcial Psat(dBm) ToFrom: |
Typical Spectral Width(nm) To:From: |
Max. Noise Figure To(dB) From: |
Typical Current(mA) To: |
Polarization Dependent or Independent |
Package |
Part Number |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Peak Wavelength(nm) | Category | Typical Gain(dB) | Typcial Psat(dBm) | Typical Spectral Width(nm) | Max. Noise Figure(dB) | Typical Current(mA) | Polarization Dependent or Independent |
Package | Part Number |
| 880 | In-Line | 20 | 10 | 40 | 8 | 150 | Dependent | Butterfly | IPSAD0801 |
| 1015 | In-Line | 20 | 11 | 80 | 8 | 250 | Dependent | Butterfly | IPSAD1002 |
| 1040 | In-Line | 25 | 10 | 55 | 8 | 250 | Dependent | Butterfly | IPSAD1003 |
| 1050 | In-Line | 25 | 10 | 45 | 10 | 300 | Dependent | Butterfly | IPSAD1001 |
| 1285 | In-Line | 30 | 17 | 60 | 7.5 | 700 | Dependent | Butterfly | IPSAD1201 |
| 1300 | In-Line | 30 | 15 | 60 | 7 | 700 | Dependent | Butterfly | IPSAD1305 |
| 1300 | In-Line | 19 | 7 | 80 | 7.5 | 300 | Dependent | Butterfly | IPSAD1306 |
| 1310 | Booster | 10 | 11 | 40 | 7.5 | 300 | Independent | Butterfly | IPSAD1307 |
| 1310 | Booster | 22 | 10 | 45 | 7.5 | 250 | Independent | Butterfly | IPSAD1301 |
| 1310 | In-Line | 19 | 7 | 50 | 7.5 | 250 | Independent | Butterfly | IPSAD1303 |
| 1310 | In-Line | 29 | 9 | 40 | 7.5 | 200 | Independent | Butterfly | IPSAD1308 |
| 1310 | Pre-amplifier | 16 | 10 | 55 | 7 | 250 | Independent | Butterfly | IPSAD1304 |
| 1310 | Pre-amplifier | 15 | 7 | 45 | 7.5 | 250 | Independent | 8-Pin | IPSAD1309 |
| 1310 | Switch | 18 | 6 | 40 | 9 | 100 | Dependent | Butterfly | IPRAD1301 |
| 1310 | Switch | 10 | 4 | 50 | 7.5 | 100 | Independent | Butterfly | IPSAD1302 |
| 1490 | Pre-amplifier | 16 | 11 | 55 | 8 | 300 | Independent | Butterfly | IPSAD1402 |
| 1490 | Pre-amplifier | 26 | 9 | 40 | 8 | 400 | Independent | Butterfly | IPSAD1401 |
| 1525 | In-Line | 19 | 7 | 50 | 8 | 300 | Dependent | Butterfly | IPSAD1506 |
| 1550 | Booster | 13 | 14 | 55 | 9 | 500 | Independent | Butterfly | IPSAD1505 |
| 1550 | Booster | 20 | 10 | 45 | 9 | 350 | Independent | Butterfly | IPSAD1501 |
| 1550 | Booster | 15 | 10 | 55 | 9 | 350 | Independent | Butterfly | IPSAD1504 |
| 1550 | Booster | 14 | 16 | 60 | 9 | 700 | Dependent | Butterfly | IPSAD1507 |
| 1550 | Booster | 25 | 12 | 60 | 9 | 500 | Dependent | Butterfly | IPSAD1509 |
| 1550 | Booster | 10 | 12 | 40 | 9 | 300 | Independent | Butterfly | IPSAD1510 |
| 1550 | In-Line | 16 | 5 | 50 | 9 | 350 | Independent | Butterfly | IPSAD1503 |
| 1550 | In-Line | 28 | 8 | 45 | 9 | 350 | Dependent | Butterfly | IPSAD1508 |
| 1550 | Switch | 10 | 3 | 50 | 10 | 120 | Independent | Butterfly | IPSAD1502 |
| 1550 | Switch | 18 | 6 | 40 | 9 | 100 | Independent | Butterfly | IPRAD1501 |
| 1550 | Switch | 22 | 8 | 60 | 9.5 | 600 | Dependent | Butterfly | IPSAD1511 |
| 1550 | Switch | 13 | 12 | 60 | 9.5 | 400 | Independent | Butterfly | IPSAD1512 |
| 1550 | Switch | 22 | 13 | 60 | 9.5 | 600 | Independent | Butterfly | IPSAD1513 |
| 1550 | Switch | 25 | 13 | 40 | 9.5 | 600 | Dependent | Butterfly | IPSAD1514 |
| 1550 | Booster | 20 | 20 | 40 | 8.0 | 1000 | Dependent | Butterfly | IPSAD1515 |
| 1600 | Booster | 20 | 9 | 50 | 10.0 | 400 | Independent | Butterfly | IPSAD1601 |
| 1650 | Booster | 25 | 13 | 40 | 9.5 | 600 | Dependent | Butterfly | IPSAD1602 |
半导体光放大器应具有适合特定应用的最高增益。此外，为了使半导体光放大器能够放大各种信号波长，其还需要较宽的光带宽。增益饱和效应会给输出带来不良失真，因此理想的半导体光放大器应具有极高的饱和输出功率，以实现良好的线性度和最大的动态范围，同时将失真降至最低。理想的半导体光放大器还应具有极低的噪声系数（物理极限为 3dB），以最大限度地降低输出端的放大自发辐射 (ASE) 功率。最后，理想的半导体光放大器应具有极低的偏振灵敏度，以最大限度地减少横电 (TE) 和横磁 (TM) 偏振态之间的增益差异。然而，由于半导体光放大器内部各种工艺过程的物理限制，理想的半导体光放大器是无法实现的。
InPhenix 的 1310nm 半导体光放大器是理想的 O 波段光放大器。Inphenix 还提供适用于 E 波段、S 波段、C 波段、L 波段和 U 波段波长的半导体光放大器。
O波段半导体光放大器
好处
- 饱和功率>10dB
- 整个 O 波段（1270 至 1340nm）的小信号增益 > 10dB
- 纹波 < 1 dB
- 紧凑 + 低成本
应用
- 100GBASE-LR4 收发器测试与测量
- 无源元件测试
- 分离/分接损耗补偿
- 扩展范围（增加链路预算）：增强放大器和每个放大器
半导体光放大器是一种能够在适当工作条件下放大输入光信号的光电器件。图1（下图）给出了一个基本半导体光放大器的示意图。
图1-半导体光放大器简化图。
外部施加到半导体光放大器的电流会激发正向偏置pn结有源区中的电子。当光子穿过有源区时，它们会导致这些电子损失一些额外的能量，并产生更多与初始光子波长匹配的光子，这被称为受激光子发射。嵌入式波导用于将传播的信号波限制在有源区内。因此，穿过有源区的光信号被放大，并被称为获得了光增益。
Inphenix 的半导体光放大器具有不同的外形尺寸，小到可以安装在 CFP/CFP2 收发器中的 6 针迷你蝴蝶，大到可以与驱动器和定制无源元件集成的桌面。
InPhenix 为各种应用提供半导体光放大器解决方案，具有增益、带宽和偏振灵敏度等令人印象深刻的参数。
Inphenix 半导体光放大器已经过测试，符合 Telcordia GR-468-CORE 标准，具有极高的可靠性，并符合 RoHS 指令。
半导体光放大器的放大特性
Inphenix 的半导体光放大器已被证明是多功能的器件，是光网络的关键组成部分。表征半导体光放大器的主要参数有五个：
- 小信号增益（Gs）；在-25dBm输入功率下高达22dB；
- 增益带宽：3 dB 时高达 80 nm
- 饱和输出功率（Psat）高达17 dBm；
- 噪声系数（NF）7.0-8.0 dB；
- 偏振相关增益 (PDG) < 1 dB 或高达 10 dB
半导体光放大器应具有与应用相匹配的最高增益。此外，为了使半导体光放大器能够放大各种信号波长，其光带宽也至关重要。增益饱和效应会给输出带来不良失真，因此理想的半导体光放大器应具有极高的饱和输出功率，以实现良好的线性度，并在最小失真的情况下最大化其动态范围。理想的半导体光放大器还应具有极低的噪声系数（物理极限为 3dB），以最大限度地降低输出端的放大自发辐射 (ASE) 功率。最后，理想的半导体光放大器应具有极低的偏振灵敏度，以最大限度地减少横电 (TE) 和横磁 (TM) 偏振态之间的增益差异。然而，由于半导体光放大器内部各种工艺过程的物理限制，理想的半导体光放大器是无法实现的。
图2-半导体光放大器相关参数。
半导体光放大器的参数是紧密相关的，为了达到一个参数的最佳值，可能必须牺牲其他规格和/或控制光谱工作区域，如图 2 所示。
半导体光放大器的类型
根据半导体光放大器在客户系统中扮演的角色，它们可以分为四类：在线式、增强器；开关和前置放大器；
- 在线：增益较高，Psat 适中；NF 较低，PDG 较低，通常为偏振无关的半导体光放大器；
- 助推器：Psat 较高，增益较低，通常与极化有关；
- 开关：更高的消光比和更快的上升/下降时间；
- 前置放大器：适合更长的传输距离、更低的NF和更高的增益。
此外，PDG 可以决定半导体光放大器的极性。例如，如果 PDG 小于 1.5dB，则半导体光放大器为极性无关 (PI)；如果 PDG 高达 10dB，则半导体光放大器为极性相关 (PD)。
半导体光放大器的应用
传统应用
放大是半导体光放大器在光通信系统中的基本原理应用。半导体光放大器是一种用途广泛的器件，可用于电信领域的各种放大和路由功能。目前，商用化的半导体光放大器已在市场上广泛应用，并迅速成为核心网、城域网以及接入网等先进光系统中经济高效的光放大解决方案。半导体光放大器可用于任何光通信网络，通过作为功率放大器（后置放大器）或线路放大器，在链路的各个节点再生信号。
电信
半导体光放大器广泛应用于各行各业。其中最重要的行业之一是电信行业，其在路由和交换方面发挥着重要作用。此外，半导体光放大器还用于增强或放大长距离光纤通信的信号输出。在此类应用中，电信公司会使用从总部到数据中心的光纤线路。这些传输线路的长度可能超过 10 公里或更长，因此需要使用半导体光放大器来增强/放大来自常规光源的信号。
图 3-光子载体中的半导体光放大器（顶部）可用于光子集成电路（PIC）（左下）。
功能应用
半导体光放大器还可用于执行未来光学透明网络中一些重要的功能。这些全光功能有助于克服所谓的“电子瓶颈”，而“电子瓶颈”目前是高速光通信网络部署的主要限制因素，例如光波长转换器。半导体光放大器的功能应用通常基于其非线性特性。这些非线性特性主要由放大器输入信号引起的载流子密度变化引起。半导体光放大器中常用的四种主要非线性类型是交叉增益调制 (XGM)、交叉相位调制 (XPM)、自相位调制 (SPM) 和四波混频 (FWM)。
传感
传感是另一个重要的行业，其许多应用都利用了半导体光放大器。半导体光放大器在传感器系统中的一个重要用途是光纤布拉格解调器。在这种装置中，SLD 或 DFB 用作输入光源。半导体光放大器将光信号增强至光纤布拉格光栅 (FBG)，通常通过循环器来控制光信号的方向。温度或应变的变化会改变传输至 PD/传感器的光信号的波长或时序。这可以提醒用户可能出现的故障
图4-光纤布拉格光栅与半导体光放大器同轴放大器
半导体光放大器在传感领域的另一个重要应用是光探测和测距 (LiDAR)。LiDAR 设备可以很小，仅用于多普勒测距，也可以作为能够进行测绘的阵列。LiDAR 应用的一个示例是使用调频连续波 (FMCW) 来检测运动的多普勒效应，例如自动驾驶汽车和无人机。此外，FMCW 还可用于制图和检查。窄带半导体光放大器通常与 DFB 配合使用，可提供 >20mW 的高输出功率，以实现更远的探测距离。
图5-集成半导体光放大器的激光雷达芯片。这些芯片阵列可实现广域扫描
图6-调频连续波（FMCW）激光雷达。绿色部分为半导体光放大器。
粗波分复用器
半导体光放大器先前强调的体积小、集成度高以及通过规模化制造工艺降低成本的巨大潜力，将继续确保其在未来先进的光网络中发挥越来越重要的作用。粗波分复用 (CWDM) 是一种经济有效的方法，可以为城域网和企业网层提供灵活的连接并提高吞吐量。扩展 CWDM 系统的容量和距离（>100 公里）需要一个在整个光带宽（从 1260 nm 到 1620 nm）内工作的低成本光放大器。半导体光放大器是目前唯一能够满足这些不断扩展的应用需求的可行技术。
波分复用无源光网络
半导体光放大器在电信领域的一个扩展应用领域是其在波分复用无源光网络 (WDM-PON) 中的应用。有线电视公司利用从家庭办公室到接收数据的客户的光纤线路，通常会设置节点或分配中心来协助交换和路由数据。这种设置可以高效地将数据分发给庞大的客户群。半导体光放大器是 WDM-PON 的早期应用，但未来可能会有所增长。
半导体光放大器还有其他一些颇具吸引力的应用，例如强度和相位调制、用于光信号处理的半导体光放大器逻辑、用于光时分复用网络的半导体光放大器分插复用器、可轻松生成高频（> 10 GHz）脉冲的半导体光放大器脉冲发生器、光接收器和 3R 发生器所需的半导体光放大器时钟恢复、可克服限制传输距离的色散的半导体光放大器色散补偿器以及用于检测光信号的半导体光放大器检测器。半导体光放大器还可用于选通光信号，即信号可以被半导体光放大器放大或吸收。半导体光放大器在低偏置电流下的阻断特性非常有用，因为它们可以实现通道路由功能，例如可重构分插复用器 (ROADM)，并产生优于 50dB 的通道外隔离度。
半导体光放大器的优点
- 半导体光放大器在一定带宽内提供的光增益与入射光信号的波长相对无关。
- 注入电流代替光泵浦作为放大的泵浦信号。
- 由于尺寸紧凑，半导体光放大器可以与多个波导光子器件集成在单个平面基板上。
- 它们使用与二极管激光器相同的技术。
- 半导体光放大器能够在1300nm和1550nm的通信光谱带上工作，带宽更宽（高达100nm）。
- 它们可以配置和集成，作为光接收器端的前置放大器。
- 半导体光放大器可以作为WDM光网络中的简单逻辑门。
半导体光放大器的局限性
- 半导体光放大器的输出光功率最高可达几十毫瓦（mW），通常足以满足光纤通信链路中单通道运行的需求。然而，WDM系统每通道可能需要高达几毫瓦的功率。
- 由于输入光纤在半导体光放大器集成芯片中的耦合容易引起信号损失，因此半导体光放大器必须提供额外的光增益，以尽量减少这种损失对有源区输入/输出面的影响。
- 半导体光放大器对输入光信号的偏振高度敏感。
- 它们在活性介质中产生的噪声水平比光纤放大器更高。
- 如果在 WDM 应用中需要放大多个光通道，则半导体光放大器会产生严重的串扰。
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