معرفی مختصر تقویت‌کننده نوری نیمه‌هادی

امروزه تقویت‌کننده نوری نیمه‌هادی (SOA) در خطوط فیبر نوری کمک شایانی به تقویت سیگنال نموده است. در این مطلب به‌طور مختصر به معرفی این نوع تقویت‌کننده‌ها می‌پردازیم.

نویسنده و ارسال کننده: آرام قادری | کارشناس ارشد مهندسی برق – الکترونیک

مقدمه:

توسعه­‌ی سیستم‌­های ارتباطی نیاز به انتقال حجم بالایی از اطلاعات را دارند که باعث افزایش سریع ترافیک شبکه‌­های مخابراتی شده و افزایش ظرفیت شبکه­‌های انتقال را گریزناپذیر کرده است که در این میان سیستم­‌های مخابرات نوری به دلیل دارا بودن پتانسیل بالای انتقال اطلاعات موردتوجه قرارگرفته‌اند و کانال ارتباطی این امر فیبر نوری است.

باوجود تلفات ناچیز فیبرهای نوری، برای انتقال اطلاعات در مسافت­‌های طولانی بیشتر از ۵۰ کیلومتر، نیاز به تقویت دوباره پالس­‌های نوری است. ازاین‌رو به تقویت‌کننده‌­های نوری نیازمند هستیم. ازاین‌رو به دلیل سرعت زیاد، حجم کم، تلفات کم، عدم نیاز تبدیل به سیگنال الکتریکی و به‌عکس و پهنای باند بالا از تقویت‌کننده نوری استفاده می‌نماییم. دو نوع اصلی تقویت‌کننده نوری، تقویت‌کننده لیزر نیمه‌هادی و تقویت‌کننده نوری فیبر آلاینده شده^[۱] (DFA) هستند که SOA[2] از سایر تقویت‌کننده‌ها قدرتمند‌تر است.

قبل از به کار بردن تقویت‌کننده‌های نوری در خطوط فیبر نوری، در فواصل میانی برای تقویت ابتدا سیگنال نور ارسالی را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌نمودند و سپس آن را به‌صورت الکتریکی تقویت و دوباره به سیگنال نوری تبدیل می‌نمودند که این امر طولانی و پر تلفات بود؛ اما اکنون با استفاده از تقویت‌کننده‌های نوری نیمه‌هادی تقویت سیگنال در طول خط به‌صورت مستقیم بدون نیاز به تبدیل سیگنال انجام می‌پذیرد که درشکل ۱ نشان داده‌شده است.

شکل ۱: تقویت‌کننده نوری نیمه‌هادی متصل به فیبر نوری

تاریخچه مختصر از تقویت‌کننده‌های نوری نیمه‌هادی :

اولین تقویت‌کننده‌های نوری نیمه‌هادی با اختراع لیزر به وجود آمدند که بر اساس گالیم-آرسناید در حرارت پایین عمل می‌کردند. در دهه ۱۹۷۰ زیدلر و پرسونیک کارهای اولیه بررسی تقویت‌کننده‌های نوری نیمه‌هادی را انجام دادند در دهه ۱۹۸۰ پیشرفت‌هایی درزمینهٔ طراحی قطعات تقویت‌کننده‌های نوری نیمه‌هادی صورت گرفت و در دهه‌های پایانی ۱۹۸۰ آلومینیوم گالیم- آرسناید بررسی شد و همچنین بامطالعه ایندیوم فسفات و توسعه فنّاوری پوشش ضد بازتاب، تقویت‌کننده‌های نوری نیمه‌هادی با موج‌بر ساخته شدند.

پیش از سال ۱۹۸۹ ساختار تقویت‌کننده‌های نوری نیمه‌هادی بر پایه دیودهای لیزری نیمه‌هادی با پوشش ضد بازتاب ساخته می‌شدند که این قطعات دارای ساختار موج‌بر نامتقارن بودند و سبب ایجاد پلاریزه قوی می‌شدند که نامطلوب بود. در سال ۱۹۸۹ تقویت‌کننده‌های نوری نیمه‌هادی با ساختار متقارن و ضد حساسیت به پلاریزاسیون طراحی شدند. پیشرفت درزمینهٔ ساخت قطعات نیمه‌هادی و ساخت فنّاوری پوشش ضد بازتاب و مدارهای مجتمع نوری ادامه یافت و در مصارف تجاری موردتوجه قرار گرفت. امروزه استفاده از تقویت‌کننده‌های نوری نیمه‌هادی در مدارهای مجتمع یکی از جذابیت‌های محققان درزمینهٔ مخابرات نوری به شمار می‌رود. در سال ۲۰۰۳ کانلی کتابی منتشر کرد که در آن به بررسی ساختار SOA، اثرات منتج از خواص غیرخطی ونیز معادلات حاکم بر SOA پرداخت. این اثر به‌عنوان مرجع اساسی درزمینهٔ تقویت‌کننده نوری نیمه‌هادی شناخته شد.

معرفی و اساس کار تقویت‌کننده نوری نیمه‌هادی:

این نوع تقویت‌کننده نوری، ترکیبی از مواد نیمه رسانایی است که بر اساس بازترکیب الکترون و حفره کار می‌کنند و وظیفه اصلی تقویت مستقیم سیگنال نوری را بر عهده‌دارند.SOA تقویت‌کننده نوری است که توسط فرآیند گسیل القایی و مشابه با مکانیسم دیودهای لیزری نیمه‌هادی کار می‌کند، با این تفاوت که در دو طرف ناحیه فعال از صفحات ضد بازتاب استفاده می‌شود تا ساختار به‌جای لیزر، تقویت‌کننده شود. این تقویت‌کننده‌ها که اغلب به‌صورت الکتریکی یا با لیزر توان پایین تحریک می‌شوند دارای ابعاد کوچکی هستند. شکل ۲ ساختار SOA معمولی را که از یک اتصال InP/InGaAsP تشکیل‌شده است را نشان می‌دهد.

شکل ۲: ساختار فیزیکی تقویت‌کننده نیمه‌هادی نوری

در ناحیه ذاتی[۳] یا فعال، باند گپ کوچک‌تر دارای ضریب شکست کمتری نسبت به باند گپ بزرگ‌تر با ناخالصی P و ناحیه شبه خنثی با ناخالصی n است. منطقه ذاتی در هسته موج‌بر نوری و مناطق شبه خنثی لایه پوششی را تشکیل می‌دهند. تزریق جریان به ناحیه فعال می‌تواند یک جمعیت بزرگ از الکترون‌ها و حفره‌ها را ایجاد کند. اگر چگالی حامل بیش از چگالی حامل شفاف[۴] باشد، پس‌ازاین حالت ماده می‌تواند بهره نوری داشته باشد ونیز این قطعه می‌تواند از طریق انتشاری که ناشی از جریان تحریک است جهت تقویت سیگنال‌های نوری مورداستفاده قرار گیرد.

در طول بهره‌برداری به‌عنوان یک تقویت‌کننده نوری، نور تواًما با موج‌بر از Z=0 همراه است. همان‌طور که انتشار نور در داخل موج‌بر صورت می‌پذیرد نور نیز تقویت می‌گردد. درنهایت، زمانی که نور بیرون می‌آید Z=L، قدرت نور نسبت به آنچه در Z=0 بود بسیار بالاتر است. بهره نوری را زمانی متوجه می‌شویم که پمپ الکتریکی یا نوری در SOA سبب رسیدن به وارونگی جمعیت شود.

حامل از یک مدار بایاس خارجی به منطقه فعال SOA، در لایه‌هایی از باند گپ که دارای انرژی بیشتری است تزریق می‌شود. برخورد سیگنال‌های نوری در منطقه فعال تحت شرایط وارونگی جمعیت[۵] تقویت‌شده، سبب منتشر خواهد شد؛ یعنی زمانی که جریان بایاس به‌اندازه کافی بزرگ است.

این افزاره فوتونیکی به‌صورت خطی برای تقویت در ابتدا، میانه و انتهای خطوط انتقال فیبر نوری (مانند شکل ۳) و به‌صورت غیرخطی برای به‌عنوان مبدل‌های طول‌موج، مالتی پلکسر، گیت‌های تمام نوری و… کاربرد دارد.

شکل ۳: محل‌های قرارگیری تقویت‌کننده‌ی نوری نیمه‌هادی در سیستم

نتیجه‌گیری:

فنّاوری SOA بسیاری از پتانسیل‌های آینده‌ی برنامه ارتباطات نوری را ارائه می‌دهد. این تقویت‌کننده به دلیل بهرۀ تقویت بالا، سرعت‌بالا، توان مصرفی کم و کوپل ساده‌تر (نسبت به روش الکتریکی)، خواص غیرخطی، اندازه کوچک و توان مصرفی کم نظر طراحان خطوط انتقال مخابراتی را به خود جلب نموده است و در گزینه‌ی اول انتخابشان قرارگرفته است. با استفاده از این افزاره فوتونیکی می‌توان به‌سرعت، نرخ انتقال و پهنای باندهای بالایی دست‌یافت.

[۶]XGM،[۷] XPM،[۸] FWM و[۹]SPM از اثرات غیرخطی SOA هستند. به‌عنوان یکی از کاربردهای اثرهای غیرخطی تقویت‌کننده نوری نیمه‌هادی می‌توان به ساخت گیت‌های تمام نوری اشاره نمود.

منابع:

1. M. Senior, Optical Fiber Communications Principles and Practice, Third Edition. England: Pearson Education Limited, 2009.
2. Aoki, “Properties of Fiber Raman Amplifiers and Their Applicability to Digital Optical Communication Systems,” Light. Technol, vol. 6, no. 7, pp. 1225–۱۲۳۹, ۱۹۸۸٫
3. C. Simon, “Semiconductor laser amplifier for single-mode optical fiber communications,” J Opt. Commun, vol. 4, no. 2, pp. 52–۶۳, ۱۹۸۳٫
4. J. Connelly, Semiconductor Optical Amplifiers, 2nd ed. Ireland: University of Limerick, 2002.
5. K.Dutta & Q. Wang, Semiconductor optical amplifiers, 2nd ed. USA: University of Connecticut, 2013.
6. Bernard and M. Renaud, “Semiconductor Optical Amplifiers,” SPIE’s OE Mag. vol. 1, no. 9, pp. 36–۳۸, Sep. 2001.
7. s. AB-Rahman, “A review of the configuration and performance limitation parameters in optical amplifiers,” presented at the Optica Applicata, 2014, vol. 44–NO 2, pp. 251–۲۶۶٫

پی نوشت:

[۱] Doped Fiber Amplifiers

[۲] Semiconductor Optical Amplifier

[۳] intrinsic

[۴] transparency

[۵]Self-phase modulation

[۶]Cross- Gain Modulation

[۷] Cross- phase Modulation

[۸] Four-Wave mixing

[۹] Self-phase modulation

منبع: نواندیشان