半导体光放大器SOA原理及应用

1.半导体光放大器SOA原理

SOA(Semi-conductor Optical Amplifier)半导体光放大器是采用应变量子阱结构的PN结器件，外部正向偏压形成粒子数反转，外部光进入后导致受激辐射，形成光信号放大。

优点：具有支持高速、高带宽、低功耗、高增益、小型化、易于集成

缺点：不同波长通道间存在交叉增益调制与非线性相互作用，偏振敏感性，增益饱和性

SOA与EDFA（掺铒光纤放大器）相比，商用器件部分指标弱于EDFA，但SOA仍有EDFA无法替代的特性，如其可支持O-band（1260~1360）,E-band（1360~1460）,L-band（1460~1530）的放大，且有成本低，体积小易集成等特点，在新基建时代，SOA将会在接入网和城域网边缘，以及光纤传感、激光雷达、眼科成像等领域获得大规模应用。

2.半导体光放大器SOA市场应用

随着SOA输出光功率、小信号增益、增益偏振灵敏度、噪声指数等性能的提升，半导体光放大器SOA将在全光网络通信和传感网络中发挥越来越重要的作用。SOA除了可以满足1310nm波段的放大，在一些1550nm波段的单级放大领域SOA已可完全替代EDFA。

2.1.半导体光放大器SOA在运营商光传输网络中的应用

随着5G网络的建设，带宽需求激增，在接入网、城域网边缘，需要100G（4*25G CWDM4/LWDM4）高速传输，在县乡传输、接入网、城域网边缘传输距离通常为5~40km。此时成本最优方案为100G（4*25G） LWDM4+SOA方案，使用4*25G的LWDM波长复用为100G，再配合SOA提升链路余量。

在5G基站前传场景，在一些基站拉远距离较远的场景，可以使用光模块式的SOA，提升光功率余量，实现基站拉远1310nm波段和1550nm波段的25G信号速率的弱光改造。

同样的，随着家庭宽带逐渐升级为WDMPON方案，SOA可助力WDM PON的广泛部署，提高WDM PON网络的覆盖范围和传输距离。

在运营商网络的应用，既可以将SOA集成到光模块的ROSA或TOSA中，也可以使用独立的SOA设备或SOA光模块进行放大。

2.2半导体光放大器SOA网络监控市场的应用

这是半导体光放大器SOA的传统应用，目前随着数据业务的飞速发展，国内的数据分流监控需求逐渐增加，其通常为在核心网络节点进行分光监测，分光下来的信号通常很弱，需要使用光放大器，而100G业务有很多为1310波长，只能采用SOA进行放大。

本场景是目前SOA放大应用最广也是最成熟的应用。

2.3半导体光放大器SOA在数据中心互联DCI中的应用

随着大数据的发展，数据中心之间高带宽互联需求逐渐增加。针对高速业务，由于可使用SOA进行光信号中继放大，提升链路光功率余量，延长传输距离。SOA既可以应用于1310波段可以应用于1550波段的高速业务光信号放大。

这个市场通常使用独立的SOA半导体光放大机架式设备，近期见合八方已推出CFP2形态的uSOA，目前正在研制QSFP28和SFP形态的SOA。

2.4半导体光放大器SOA在分布式光纤传感中的应用

SOA具有优良的频率响应特性和较高的消光比，可作为光开关或调制器使用。随着SOA技术的不断提升，目前在大部分场景中已可替代声光调制器AOM，用于获得高消光比的窄脉冲激光光源。天津见合八方光电的1550nm SOA消光比最高可达65dB。

2.5半导体光放大器SOA在激光雷达LiDAR系统中应用

TOF激光雷达和FMCW激光雷达基本原理如下图所示，半导体光放大器SOA主要应用于激光雷达中的光源部分。天津见合八方光电的SOA芯片饱和输出光功率可达23dBm，用于提高1550nm窄线宽激光器的发射光功率，满足激光雷达长距探测需求；同时与EDFA相比，芯片式的SOA可直接集成光源中，从而使得激光雷达更小巧轻便，满足车载、无人机测绘等对体积重量要求较高的场景应用。

2.6半导体光放大器SOA在OCT相干眼科成像中的应用

OCT学名叫光学相干断层扫描技术，是20世纪90年代初期发展起来的一种新型非接触性的无创光学影像诊断技术，是利用眼内不同的组织对入射光素的反射性不同，从而显示眼睛组织的结构和它们之间的距离，再经过计算机处理以后，形成伪彩或灰度，来显示组织的断面结构。1050nm(水对这个波长吸收少）的半导体光放大器SOA可集成在OCT成像设备的光源中，用于提高光源输出光功率，进而提高检测灵敏度，天津见合八方光电的1050nm半导体光放大器饱和光功率可达23dBm。