光纤技术大作业原版

摘要： 本文对SOA光开关的开关原理作了详细分析。

关键词：粒子数反转 泵浦 增益 控制电流

引言：光开关作为一种无源光器件，在光纤通信系统，光纤网络系统，光纤测量系统或仪器以及光纤传感系统中起着重要作用。很多论文及书籍都对现目前已有的各种光开关的开关原理作了论述，对于那些已经广泛使用的光开关其原理解释详尽，然而对于那些尚未得到广泛应用但仍有研究价值和广阔前景的光开关及其原理的解释则略显简单。所以有必要对这些光开关的原理作更进一步和更深层次的论述。本文将对半导体光放大器开关（后文简称SOA光开关）的开关原理作详细的论述。 正文：

半导体光放大器 1. 介质中的光放大

自然界中所有物质的发光过程都是与该物质的原子的能级之间的跃迁联系在一起的。任何两个能级之间的跃迁所发出光的频率也满足如下规律

hvE2E1 (1) 光和物质的相互作用有三种基本的 n2 E2 hv

过程, 即自发辐射，受激辐射及受激吸收。在这三种基本过程中只有受激辐射 n1 E1 是我们可以利用来进行光放大并制成半导体光放大器的。因为只有受激辐射所发出的光子与激发它的外来光子特性完全相同，其传输方向也相同。这样当光在介质中传输时沿着光传输方向由于受激辐射将被不断放大。

Z轴 （a）吸收大于受激辐射 （b）受激辐射大于吸收

如上图所示，要实现光放大必须使介质中的受激辐射大于吸收。下面将推导介质中受激辐射大于吸收的条件，从而得出半导体光放大器的理论基础。考虑下图所示单色光沿z轴穿过介质的

过程。设频率为v的单色光射向介质，在介质中z处取厚度为dz，截面为单位面积的一薄层；在z处入射的光强为I(z)，经过dz后，出射光强变为I(z)dI。

dz I(z)dI I(0) I (z) z 光穿过厚度为dz介质的情况 z+dz z 光在介质中传播时，介质中的能级上的粒子会吸收光子而跃迁至高能级，使介质中传播的光子数密度N减少。在dt时间内由介质吸收而减少的光子数密度值为

dN1n1B12zvdz (2)

同理，介质的受激辐射使光子数密度增加，在dt时间内由介质吸收而减少的光子数密度值为

dN2n2B21zvdz (3)

其中n1，n2为能级E1，E2上的的粒子数密度，zuI(z)为介质c中z处传播的光能密度，vv为相对光强。又因为光在介质中传播有如下关系dt子数为

dN(n2B21n1B12)zvdt (4)

将dt和dz的关系式及B12和B21的关系式代入上式，有 dN(n2g2un1)B21zvdz (5) g1cdzudz。光穿过dz介质后总的增加的光c 每一个光子的能量为hv，所以，光能量的增加值为 d(n2g2g1un)Bzv121cdz h v(6)

d(n2g2un1)B21vhvdz g1c解这个微分方程得

z0exp(n2g2un1)B21vhvz (7) g1c把上式代入光强与光能密度的关系式，则有

gu z0exp(n22n1)B21vhvz (8)

g1c(8)式就是光波穿过介质时，光强随穿过的路程z的变化规律。

在一般情况下,介质处于热平衡状态,粒子数密度按能量的分布服从波尔兹曼分布，所以大多数粒子都处于能量较低的能级上，且上下能级的粒子数分布关系为

n2n1 (9) g2g1将上式代入(8)式知z，即光是衰减的。欲使光被放大即受激辐射大于吸收，则应满足

n2n1，此即粒子数密度反转。 g2g12. 半导体光放大器原理

半导体光放大器(SOA)的原理与掺稀土的光纤放大器相似但

也有不同，其放大特性主要取决于有源层的介质特性和激光腔的特性。和激光器的光放大过程相同，SOA的光放大原理也是使谐振腔内介质中传播的光满足粒子数密度反转条件，但其发光的媒介是非平衡载流子即电子空穴对。其激发光的方式主要有光致发光，电致发光，阴极发光等。然而SOA光放大器可利用的一般是光致发光。如下图所示：

泵浦电流 输入信号光 放大模块 放大输出光 图三 SOA光放大示意图

SOA中的谐振器构成其放大模块，入射光从SOA左端面进入， 在放大模块中，如下图所示：

M1 受激光在谐振腔中的放大 M2 入射光在谐振腔的增益介质内来回反

射不断被放大，其中一部分光则透过右侧的谐振腔壁出射，形成放大输出光。

SOA光开关

SOA光开关有有电控型和光控型两种。在实际应用中主要是

电控型，因为电控型SOA光开关是实现大规模矩阵结构时易于采用的方式，这样就可以对多光路进行开关控制。其原理如下面示意图所示：

图四 控制电流 SOA开关 (1) SOA开关基本原理 SOA模块

光波导 输出光路 (2) 树状SOA开光矩阵

当SOA光开关被加上偏置电压时，即被注入控制电流(即其放大模块的泵浦电流) 使增益介质产生粒子数密度反转，若输入信号光频率在有源区材料的增益带宽范围内，有源区将产生受激辐射对输入的光信号放大后输出，对应开关导通；当SOA光开关无偏置电压时，对应控制电流为0，增益介质粒子数满足波尔兹曼分布，SOA光开关中主要是受激吸收，信号光经过SOA光开关时被吸收，输出光信号近似为0，光开关断开。上图(2)即是利用SOA光开关模块组成的树状光开关矩阵，可以实现对多光路的控制。

总结：SOA光开关的开关主要是基于SOA构成的，通过控制偏置电

压控制输入电流，从而控制SOA谐振腔内增益介质的粒子数密度分布状态。当有偏置电压时，SOA对输入光放大，有输出光，开关导通；当午偏置电压时，SOA不对输入光放大，无输出光，开关断开。

参考文献

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【2】 程家壁 彭润玲 《激光原理及应用》 电子工业出版社

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【3】 缪庆元 胡振华 王涛 黄德修 刘德明 《基于半导体光放大

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【5】 刘德明 胡晓军 徐文超 黄德修 《基于SOA的有源光开关技

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