Semiconductor Optical Amplifiers (SOA): ຫຼັກການ, ຄໍາຮ້ອງສະຫມັກ, ແລະການວິເຄາະເຕັກໂນໂລຊີພະລັງງານສູງ

Semiconductor Optical Amplifiers (SOA): ຫຼັກການ, ຄໍາຮ້ອງສະຫມັກ, ແລະການວິເຄາະເຕັກໂນໂລຊີພະລັງງານສູງ

ໃນຂົງເຂດ optoelectronic ທີ່ທັນສະໄຫມເຊັ່ນ: ການສື່ສານ optical, lidar, ແລະການປະສົມປະສານ photonic, semiconductor optical amplifiers (SOAs) ເປັນອຸປະກອນຫຼັກສໍາລັບການເພີ່ມປະສິດທິພາບສັນຍານ optical. ມີຄວາມໄດ້ປຽບຂອງຂະຫນາດຂະຫນາດນ້ອຍ, ຄ່າໃຊ້ຈ່າຍຕ່ໍາ, ການເຊື່ອມໂຍງງ່າຍ, ແລະຄວາມໄວຕອບສະຫນອງໄວ, ພວກເຂົາກໍາລັງຄ່ອຍໆປ່ຽນແທນການແກ້ໄຂ optical amplification ແບບດັ້ງເດີມແລະໄດ້ກາຍເປັນອົງປະກອບທີ່ສໍາຄັນທີ່ສະຫນັບສະຫນູນການພັດທະນາເຄືອຂ່າຍ optical ຄວາມໄວສູງແລະລະບົບ optical ພະລັງງານສູງ. ບົດຄວາມນີ້ຈະວິເຄາະຫຼັກການການເຮັດວຽກແລະການນໍາໃຊ້ສະຖານະການຢ່າງເຕັມທີ່ຂອງ SOAs ໃນລາຍລະອຽດ, ແລະສຸມໃສ່ການສົນທະນາລັກສະນະດ້ານວິຊາການ, ສິ່ງທ້າທາຍໃນການອອກແບບ, ແລະມູນຄ່າຄໍາຮ້ອງສະຫມັກຂອງ SOAs ພະລັງງານສູງ, ຊ່ວຍໃຫ້ເຂົ້າໃຈຢ່າງເຕັມສ່ວນຂໍ້ໄດ້ປຽບຫຼັກຂອງ "optical signal booster."I. ຫຼັກການການເຮັດວຽກຫຼັກຂອງ SOAs ການດໍາເນີນງານຂອງ SOAs ແມ່ນອີງໃສ່ຜົນກະທົບການປ່ອຍອາຍພິດທີ່ຖືກກະຕຸ້ນຂອງວັດສະດຸ semiconductor. ຫຼັກການຫຼັກຂອງພວກມັນແມ່ນຄ້າຍຄືກັນກັບເລເຊີ semiconductor, ແຕ່ພວກມັນກໍາຈັດຊ່ອງຫວ່າງ resonant ຂອງເລເຊີ, ເຮັດໃຫ້ພຽງແຕ່ການຂະຫຍາຍສັນຍານ optical ດຽວໂດຍບໍ່ມີການປ່ຽນເປັນສັນຍານໄຟຟ້າ - ດັ່ງນັ້ນ, ຫຼີກເວັ້ນການສູນເສຍແລະຄວາມຊັກຊ້າທີ່ເກີດຈາກການປ່ຽນ photoelectric. ໂຄງປະກອບການຫຼັກຂອງ SOA ປະກອບດ້ວຍພາກພື້ນທີ່ຫ້າວຫັນ (ການຮັບຮອງເອົາໂຄງປະກອບການດີຫຼາຍ quantum), ເປັນ waveguide, electrodes, ວົງຈອນຂັບລົດ, ແລະການໂຕ້ຕອບ input / output. ໃນຖານະເປັນອົງປະກອບຫຼັກສໍາລັບການຂະຫຍາຍ optical, ພາກພື້ນທີ່ມີການເຄື່ອນໄຫວໂດຍປົກກະຕິຈະໃຊ້ວັດສະດຸ semiconductor ເຊັ່ນ InGaAsP/InP, ບ່ອນທີ່ການປັບປຸງສັນຍານ optical ແມ່ນບັນລຸໄດ້ໂດຍຜ່ານການຫັນປ່ຽນຜູ້ໃຫ້ບໍລິການ.

ຂະບວນການເຮັດວຽກສະເພາະສາມາດແບ່ງອອກເປັນສີ່ຂັ້ນຕອນທີ່ສໍາຄັນ: ທໍາອິດ, ການສີດປັ໊ມ. ກະແສອະຄະຕິໄປຂ້າງໜ້າຖືກສີດເຂົ້າໄປໃນພາກພື້ນທີ່ມີການເຄື່ອນໄຫວ, ຕົວບັນຈຸສາກໄຟທີ່ໜ້າຕື່ນເຕັ້ນ (ອີເລັກໂທຣນິກ) ໃນວັດສະດຸ semiconductor ຈາກວົງ valence ໄປຫາແຖບ conduction, ກາຍເປັນລັດ "population inversion" ຊຶ່ງຫມາຍຄວາມວ່າຈໍານວນເອເລັກໂຕຣນິກໃນແຖບ conduction ແມ່ນໃຫຍ່ກວ່າໃນວົງ valence. ອັນທີສອງ, ການປ່ອຍອາຍພິດກະຕຸ້ນ. ເມື່ອສັນຍານ optical input ທີ່ອ່ອນແອ (photons) ເຂົ້າໄປໃນພາກພື້ນທີ່ມີການເຄື່ອນໄຫວ, ມັນຈະ collides ກັບເອເລັກໂຕຣນິກໃນລະດັບພະລັງງານທີ່ສູງຂຶ້ນ, ກະຕຸ້ນໃຫ້ເອເລັກໂຕຣນິກຫັນກັບ valence band ແລະປ່ອຍ photons ໃຫມ່ທີ່ມີຄວາມຖີ່, ໄລຍະ, ແລະທິດທາງ polarization ດຽວກັນກັບ photons ເຫດການ. ອັນທີສາມ, ການປັບປຸງສັນຍານ optical. ອິເລັກຕອນຈຳນວນຫຼວງຫຼາຍປ່ອຍໂຟຕອນຜ່ານການປ່ອຍອາຍພິດທີ່ຖືກກະຕຸ້ນ, ເຊິ່ງມີໂຟຕອນທີ່ເກີດເຫດການ, ບັນລຸການຂະຫຍາຍກຳລັງຂອງສັນຍານ optical - ໂດຍປົກກະຕິຈະບັນລຸການເພີ່ມ optical ຫຼາຍກວ່າ 30 dB (1000 ເທື່ອ). ສີ່, ສັນຍານອອກ. ສັນຍານ optical ຂະຫຍາຍແມ່ນຖືກສົ່ງໄປຫາຜອດຜົນຜະລິດໂດຍຜ່ານ waveguide, ສໍາເລັດຂະບວນການຂະຫຍາຍທັງຫມົດ. ໃນຂະນະດຽວກັນ, ອິເລັກຕອນທີ່ບໍ່ມີສ່ວນຮ່ວມໃນການກະຕຸ້ນການປ່ອຍອາຍພິດພະລັງງານໂດຍຜ່ານການ recombination ທີ່ບໍ່ແມ່ນ radiative, ຮຽກຮ້ອງໃຫ້ມີລະບົບການຄຸ້ມຄອງຄວາມຮ້ອນ dissipate ຄວາມຮ້ອນແລະຮັບປະກັນການດໍາເນີນງານອຸປະກອນທີ່ຫມັ້ນຄົງ.

ມັນເປັນມູນຄ່າທີ່ສັງເກດວ່າ SOAs ມີຂໍ້ຈໍາກັດບາງຢ່າງ, ລວມທັງການເພິ່ງພາອາໄສຂົ້ວໂລກ, ສຽງສູງ (ການຂະຫຍາຍການປ່ອຍອາຍພິດ spontaneous, ສິ່ງລົບກວນ ASE), ແລະຄວາມອ່ອນໄຫວຂອງອຸນຫະພູມ. ໃນຊຸມປີມໍ່ໆມານີ້, ໂດຍຜ່ານການອອກແບບໂຄງສ້າງເຊັ່ນ: ອ່າງເກັບນ້ໍາ quantum ທີ່ມີຄວາມເຄັ່ງຕຶງແລະນໍ້າສ້າງ quantum ປະສົມ, ຄວາມຮາບພຽງແລະຄວາມຫມັ້ນຄົງຂອງພວກມັນໄດ້ຮັບການເພີ່ມປະສິດທິພາບຢ່າງຫຼວງຫຼາຍ, ຂະຫຍາຍຂອບເຂດການນໍາໃຊ້ຂອງພວກເຂົາ. ອີງ​ຕາມ​ການ​ອອກ​ແບບ​ຂອງ resonant ຢູ່​ຕາມ​ໂກນ​, SOAs ຖືກ​ຈັດ​ປະ​ເພດ​ສ່ວນ​ໃຫຍ່​ເຂົ້າ​ໄປ​ໃນ​ການ​ເດີນ​ທາງ​-wave optical amplifiers (TWLAs​)​, Fabry​-Perot semiconductor laser amplifiers (FPAs​)​, ແລະ​ເຄື່ອງ​ຂະຫຍາຍ​ສຽງ​ສີດ​ລັອກ (IL-SOAs​)​. ໃນບັນດາສິ່ງເຫຼົ່ານີ້, ປະເພດຄື້ນການເດີນທາງ, ເຊິ່ງຖືກເຄືອບດ້ວຍຮູບເງົາຕ້ານການສະທ້ອນ (AR) ຢູ່ດ້ານຂ້າງຂອງມັນ, ມີແບນວິດກວ້າງ, ຜົນຜະລິດສູງ, ແລະສຽງຕ່ໍາ, ເຮັດໃຫ້ມັນເປັນປະເພດທີ່ໃຊ້ກັນຢ່າງກວ້າງຂວາງທີ່ສຸດໃນປະຈຸບັນ. ສະຖານະການຄໍາຮ້ອງສະຫມັກ SOA ໃນທົ່ວທຸກຂົງເຂດດ້ວຍຂໍ້ໄດ້ປຽບຂອງຂະຫນາດຂະຫນາດນ້ອຍ, ແບນວິດກວ້າງ, ໄດ້ຮັບສູງ, ແລະຄວາມໄວຕອບສະຫນອງໄວ (ລະດັບ nanosecond), SOAs ໄດ້ຖືກນໍາໃຊ້ໃນຫຼາຍຂົງເຂດເຊັ່ນ: ການສື່ສານ optical, lidar, fiber optic sensing, ແລະ biomedicine, ກາຍເປັນອຸປະກອນຫຼັກທີ່ຂາດບໍ່ໄດ້ໃນລະບົບ optoelectronic. ສະຖານະການຄໍາຮ້ອງສະຫມັກຂອງພວກເຂົາສາມາດແບ່ງອອກເປັນສີ່ປະເພດຕົ້ນຕໍ:

ໃນຂົງເຂດການສື່ສານທາງ optical, SOAs ເຮັດຫນ້າທີ່ເປັນຫນ່ວຍບໍລິການຫຼັກ, ສ່ວນໃຫຍ່ແມ່ນໃຊ້ເພື່ອຊົດເຊີຍການສູນເສຍໃນລະຫວ່າງການສົ່ງສັນຍານ optical. ໃນການສື່ສານທາງໄກໃຍແກ້ວນໍາແສງ, ພວກເຂົາສາມາດຖືກນໍາໃຊ້ເປັນເຄື່ອງຂະຫຍາຍສຽງເພື່ອຂະຫຍາຍໄລຍະການສົ່ງສັນຍານ. ໃນລະບົບການເຊື່ອມຕໍ່ລະຫວ່າງສູນຂໍ້ມູນ (DCI), ພວກເຂົາສາມາດຖືກລວມເຂົ້າໃນໂມດູນ optical 400G / 800G ເພື່ອເພີ່ມເສັ້ນຂອບພະລັງງານເຊື່ອມຕໍ່, ຂະຫຍາຍໄລຍະການສົ່ງຕໍ່ຈາກ 40 ກິໂລແມັດເຖິງ 80 ກິໂລແມັດ. ໃນລະບົບສາຍສົ່ງ 10G/40G/100G ແລະລະບົບ multiplexing division division (CWDM) ທີ່ມີຄວາມຍາວຄື້ນຫຍາບ, ພວກມັນແກ້ໄຂບັນຫາຂອງການຂະຫຍາຍສັນຍານ O-band (1260-1360 nm), ຫຼຸດຜ່ອນຄ່າໃຊ້ຈ່າຍໃນພອດດຽວ, ແລະຮອງຮັບຫຼາຍຮູບແບບການເຮັດວຽກເຊັ່ນ ACC, APC, ແລະ AGC ເພື່ອຕອບສະຫນອງຄວາມຕ້ອງການຂອງ scen ທີ່ແຕກຕ່າງກັນ.

ໃນພາກສະຫນາມຂອງ lidar, SOAs ເຮັດຫນ້າທີ່ເປັນເຄື່ອງຂະຫຍາຍສຽງ, ເຊິ່ງສາມາດປັບປຸງພະລັງງານຜົນຜະລິດຂອງແຫຼ່ງ laser ຢ່າງຫຼວງຫຼາຍເພື່ອຕອບສະຫນອງຄວາມຕ້ອງການຂອງການກວດສອບທາງໄກ. ໃນ lidar ລົດຍົນ, 1550 nm SOAs ສາມາດເສີມຂະຫຍາຍພະລັງງານ optical emitted ຂອງ lasers ເສັ້ນແຄບ, ສະຫນັບສະຫນູນການຊອກຄົ້ນຫາໄລຍະໄກສໍາລັບການຂັບລົດອັດຕະໂນມັດລະດັບ L4. ໃນສະຖານະການເຊັ່ນ: ການສ້າງແຜນທີ່ UAV ແລະການຕິດຕາມຄວາມປອດໄພ, ພວກເຂົາສາມາດສ້າງກໍາມະຈອນທີ່ມີອັດຕາສ່ວນການສູນພັນສູງ, ປັບປຸງຄວາມຖືກຕ້ອງຂອງການກວດສອບແລະຂອບເຂດ.

ໃນຂົງເຂດການຮັບຮູ້ໃຍແກ້ວນໍາແສງ, SOAs ສາມາດຂະຫຍາຍສັນຍານແສງທີ່ອ່ອນເພຍ, ປັບປຸງອັດຕາສ່ວນສັນຍານຕໍ່ສຽງຂອງລະບົບ, ແລະຂະຫຍາຍໄລຍະການກວດພົບ. ໃນລະບົບການຮັບຮູ້ການແຈກຢາຍເຊັ່ນ: ການຕິດຕາມຄວາມເມື່ອຍລ້າຂອງຂົວແລະການກວດພົບການຮົ່ວໄຫຼຂອງທໍ່ນ້ໍາມັນແລະອາຍແກັສ, ພວກມັນປ່ຽນແທນໂມດູລະ acousto-optic ເພື່ອສ້າງກໍາມະຈອນແຄບ, ເຮັດໃຫ້ການຕິດຕາມທີ່ຊັດເຈນ. ໃນການຕິດຕາມສິ່ງແວດລ້ອມ, ພວກເຂົາສາມາດເພີ່ມຄວາມຫມັ້ນຄົງຂອງສັນຍານການຮັບຮູ້ optical ແລະປັບປຸງຄວາມອ່ອນໄຫວໃນການຕິດຕາມ.

ຍິ່ງໄປກວ່ານັ້ນ, SOAs ສະແດງໃຫ້ເຫັນທ່າແຮງອັນໃຫຍ່ຫຼວງໃນຊີວະແພດແລະຄອມພິວເຕີ້ optical. ໃນອຸປະກອນການຖ່າຍຮູບ OCT ophthalmic ແລະ cardiac, ການລວມເອົາ SOAs ທີ່ມີຄວາມຍາວຄື້ນສະເພາະສາມາດປັບປຸງຄວາມອ່ອນໄຫວແລະຄວາມລະອຽດຂອງການກວດພົບ. ໃນຄອມພິວເຕີ້ optical, ຜົນກະທົບທີ່ບໍ່ແມ່ນເສັ້ນລວດໄວຂອງພວກເຂົາສະຫນອງພື້ນຖານທາງດ້ານຮ່າງກາຍສໍາລັບຫນ່ວຍງານຫຼັກເຊັ່ນ: ປະຕູຮົ້ວຕາມເຫດຜົນ optical ທັງຫມົດແລະສະຫຼັບ optical ຄວາມໄວສູງ, ຂັບລົດການພັດທະນາຂອງເຕັກໂນໂລຊີຄອມພິວເຕີ optical ທັງຫມົດ.