Полупроводниковые оптические усилители

Полупроводниковые оптические усилители (ПОУ) применяются в качестве усилителей мощности выходного излучения, линейных усилителей для компенсации потерь в линиях, оптических предусилителей для повышения чувствительности приемников, оптических коммутаторов, основы полупроводниковых кольцевых лазеров, гироскопов.

ПОУ состоит из металлокерамического корпуса типа Butterfly внутри которого размещены активный элемент, элемент Пельтье и термосопротивление и двух одномодовых световодов с коннектором типа FC/APC на конце.

В результате накачки и создания инверсии населенности активная среда ПОУ становится способной генерировать вторичные фотоны (той же частоты и направления распространения) при попадании на ее вход возбуждающего фотона из светового потока усиливаемого сигнала. В результате осуществляется усиление входного сигнала за счет возбуждаемой эмиссии. Усиление неизбежно сопровождается спонтанной эмиссией вторичных фотонов, которая может быть усилена, приводя к появлению так называемого усиленного спонтанного излучения.

Полупроводниковые оптические усилители можно рассматривать в тех же терминах и используя те же параметры, что и электронные усилители: коэффициент усиления, уровень (коэффициент) шума, динамический диапазон, спектральные характеристики. Однако они имеют и свои параметры, например: коэффициент усиления среды, мощность насыщения, усиленное спонтанное излучение, чувствительность к поляризации сигнала.

Коэффициент усиления ПОУ представляет собой экспоненциальную, характерную для систем с насыщением функцию, зависящую от длины усилителя, коэффициента усиления материала полупроводника и от величины тока накачки. Реализуемые коэффициенты усиления составляют: 15-27 дБ.

Коэффициент усиления ПОУ зависит от уровня входного сигнала. До определенного (малого) уровня входной мощности усиление практически постоянно, затем оно начинает экспоненциально падать с ростом уровня входной мощности. Этот "падающий" участок характеристики является областью насыщения усилителя и объясняется уменьшением коэффициента размножения, вызванным возрастающим с ростом входного сигнала дефицитом частиц, которые способны генерировать вторичные фотоны, на том уровне, где создается инверсия населенности. Эта область численно характеризуется мощностью насыщения, при которой коэффициент усиления среды.

Еще одним фактором, ограничивающим коэффициент усиления, является чувствительность усиления ПОУ к поляризации усиливаемого сигнала, когда усиление может меняться, и иногда значительно, в зависимости от поляризации. ПОУ добавляют шум к усиливаему оптическому сигналу. Этот шум обусловлен усиленным спонтанным излучением. Шум приводит не только к уменьшению динамического диапазона, но и к снижению максимально допустимого усиления. Уменьшение динамического диапазона обычно характеризуется известным параметром - коэффициентом шума. Для уменьшения коэффициента шума, вызванного усиленным спонтанным излучением, сигнал на выходе ПОУ фильтруют с помощью полосового оптического фильтра.

Динамический диапазон определяется как диапазон входной мощности оптического сигнала, при котором коэффициент усиления остается постоянным.