เครื่องขยายสัญญาณออปติคอลเซมิคอนดักเตอร์คืออะไร

อะไรคือเครื่องขยายสัญญาณออปติคัลเซมิคอนดักเตอร์

แอมพลิฟายเออร์ออปติคัลเซมิคอนดักเตอร์เป็นแอมพลิฟายเออร์ออปติคัลชนิดหนึ่งที่ใช้ตัวกลางขยายสัญญาณแบบเซมิคอนดักเตอร์ คล้ายกับไดโอดเลเซอร์ ซึ่งกระจกที่ปลายด้านล่างจะถูกแทนที่ด้วยสารเคลือบกึ่งสะท้อนแสง แสงสัญญาณจะถูกส่งผ่านท่อนำคลื่นแบบโหมดเดียวของเซมิคอนดักเตอร์ ขนาดตามขวางของท่อนำคลื่นอยู่ที่ 1-2 ไมโครเมตร และมีความยาวประมาณ 0.5-2 มิลลิเมตร โหมดของท่อนำคลื่นมีการเหลื่อมซ้อนอย่างมากกับบริเวณแอคทีฟ (การขยายสัญญาณ) ซึ่งถูกสูบโดยกระแส กระแสที่ฉีดเข้าไปจะสร้างความเข้มข้นของพาหะในแถบการนำคลื่น ทำให้แถบการนำคลื่นเปลี่ยนผ่านแสงไปยังแถบวาเลนซ์ได้ พีคเกนเกิดขึ้นเมื่อพลังงานโฟตอนมีค่ามากกว่าพลังงานของแบนด์แก็ปเล็กน้อย โดยทั่วไปแล้ว SOA แอมพลิฟายเออร์ออปติคัลจะใช้ในระบบโทรคมนาคมในรูปแบบของหางเปีย ซึ่งมีความยาวคลื่นใช้งานประมาณ 1,300 นาโนเมตร หรือ 1,500 นาโนเมตร ให้ค่าเกนประมาณ 30 เดซิเบล

การเครื่องขยายสัญญาณออปติคัลเซมิคอนดักเตอร์ SOAเป็นอุปกรณ์แบบ PN junction ที่มีโครงสร้างควอนตัมเวลล์แบบสเตรน ไบอัสไปข้างหน้าภายนอกจะย้อนกลับจำนวนอนุภาคไดอิเล็กทริก หลังจากแสงกระตุ้นจากภายนอกเข้ามา จะเกิดรังสีกระตุ้นขึ้น ส่งผลให้สัญญาณแสงมีการขยาย กระบวนการถ่ายโอนพลังงานทั้งสามข้างต้นมีอยู่ในเครื่องขยายสัญญาณออปติคอล SOAการขยายสัญญาณแสงขึ้นอยู่กับการปล่อยคลื่นกระตุ้น กระบวนการดูดกลืนแสงแบบกระตุ้นและการปล่อยคลื่นกระตุ้นเกิดขึ้นพร้อมกัน การดูดกลืนแสงแบบกระตุ้นของปั๊มสามารถใช้เพื่อเร่งการฟื้นตัวของพาหะ และในขณะเดียวกัน ปั๊มไฟฟ้าสามารถส่งอิเล็กตรอนไปยังระดับพลังงานสูง (แถบการนำไฟฟ้า) เมื่อรังสีที่เกิดขึ้นเองถูกขยาย จะก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนจากรังสีที่เกิดขึ้นเองที่ถูกขยาย ‍เครื่องขยายสัญญาณแสง SOA ใช้ชิปเซมิคอนดักเตอร์

ชิปเซมิคอนดักเตอร์ประกอบด้วยสารกึ่งตัวนำผสม เช่น GaAs/AlGaAs, InP/AlGaAs, InP/InGaAsP และ InP/InAlGaAs เป็นต้น ซึ่งเป็นวัสดุที่ใช้ในการผลิตเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เช่นกัน การออกแบบท่อนำคลื่นของ SOA เหมือนกับหรือคล้ายกับเลเซอร์ ความแตกต่างอยู่ที่เลเซอร์ต้องสร้างโพรงเรโซแนนซ์รอบตัวกลางอัตราขยายเพื่อสร้างและรักษาการสั่นของสัญญาณแสง สัญญาณแสงจะถูกขยายหลายเท่าในโพรงก่อนที่จะส่งออกเครื่องขยายเสียง SOA(สิ่งที่เรากำลังพูดถึงนี้จำกัดอยู่แค่เครื่องขยายสัญญาณคลื่นเคลื่อนที่ที่ใช้ในแอปพลิเคชันส่วนใหญ่) แสงต้องผ่านตัวกลางเกนเพียงครั้งเดียว และการสะท้อนกลับมีน้อยมาก โครงสร้างเครื่องขยายสัญญาณ SOA ประกอบด้วยสามส่วน ได้แก่ พื้นที่ P, พื้นที่ I (ชั้นแอคทีฟหรือโหนด) และพื้นที่ N โดยทั่วไปชั้นแอคทีฟจะประกอบด้วยควอนตัมเวลส์ ซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริกและลดกระแสขีดจำกัด

รูปที่ 1 ไฟเบอร์เลเซอร์พร้อม SOA ในตัวเพื่อสร้างพัลส์ออปติคัล

ใช้กับการโอนช่องสัญญาณ

โดยทั่วไปแล้ว SOA ไม่เพียงแต่ใช้ในการขยายสัญญาณเท่านั้น แต่ยังสามารถใช้ในด้านการสื่อสารผ่านใยแก้วนำแสง ซึ่งเป็นแอปพลิเคชันที่อาศัยกระบวนการแบบไม่เชิงเส้น เช่น เกนอิ่มตัว หรือโพลาไรเซชันแบบข้ามเฟส ซึ่งใช้ประโยชน์จากการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของพาหะในเครื่องขยายสัญญาณออปติคัล SOA เพื่อให้ได้ดัชนีหักเหแสงที่เปลี่ยนแปลงไป ผลกระทบเหล่านี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้กับการถ่ายโอนช่องสัญญาณ (การแปลงความยาวคลื่น) การแปลงรูปแบบการมอดูเลต การกู้คืนสัญญาณนาฬิกา การสร้างสัญญาณใหม่ และการจดจำรูปแบบ ฯลฯ ในระบบมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่น

ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีวงจรรวมออปโตอิเล็กทรอนิกส์และการลดต้นทุนการผลิต ทำให้ขอบเขตการใช้งานของเครื่องขยายสัญญาณออปติกเซมิคอนดักเตอร์ SOA เป็นเครื่องขยายสัญญาณพื้นฐาน อุปกรณ์ออปติกฟังก์ชัน และส่วนประกอบของระบบย่อยจะขยายตัวต่อไป