ตัวขยายสัญญาณแสงเซมิคอนดักเตอร์คืออะไร

อะไรคือเครื่องขยายสัญญาณแสงเซมิคอนดักเตอร์

เครื่องขยายสัญญาณแสงแบบเซมิคอนดักเตอร์ (SOA) เป็นเครื่องขยายสัญญาณแสงชนิดหนึ่งที่ใช้ตัวกลางขยายสัญญาณแบบเซมิคอนดักเตอร์ มีลักษณะคล้ายกับเลเซอร์ไดโอด แต่แทนที่กระจกที่ปลายด้านล่างด้วยสารเคลือบกึ่งสะท้อนแสง แสงสัญญาณจะถูกส่งผ่านท่อนำคลื่นแบบโหมดเดี่ยวของเซมิคอนดักเตอร์ ขนาดด้านข้างของท่อนำคลื่นอยู่ที่ 1-2 ไมโครเมตร และความยาวประมาณ 0.5-2 มิลลิเมตร โหมดของท่อนำคลื่นจะทับซ้อนกับบริเวณที่ใช้งาน (ขยายสัญญาณ) อย่างมาก ซึ่งถูกกระตุ้นด้วยกระแสไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าที่ฉีดเข้าไปจะสร้างความเข้มข้นของพาหะในแถบนำไฟฟ้า ทำให้เกิดการเปลี่ยนผ่านทางแสงจากแถบนำไฟฟ้าไปยังแถบวาเลนซ์ อัตราขยายสูงสุดเกิดขึ้นเมื่อพลังงานของโฟตอนมากกว่าพลังงานช่องว่างแถบเล็กน้อย เครื่องขยายสัญญาณแสงแบบ SOA มักใช้ในระบบโทรคมนาคมในรูปแบบของสายต่อพ่วง (pigtail) โดยมีช่วงความยาวคลื่นใช้งานประมาณ 1300 นาโนเมตร หรือ 1500 นาโนเมตร ให้กำลังขยายประมาณ 30 เดซิเบล

เดอะตัวขยายสัญญาณแสงเซมิคอนดักเตอร์ SOAเป็นอุปกรณ์ PN junction ที่มีโครงสร้างควอนตัมเวลล์แบบความเครียด ไบแอสไปข้างหน้าจากภายนอกจะเปลี่ยนแปลงจำนวนอนุภาคไดอิเล็กทริก หลังจากแสงกระตุ้นจากภายนอกเข้ามา จะเกิดการแผ่รังสีแบบกระตุ้น ทำให้เกิดการขยายสัญญาณแสง กระบวนการถ่ายโอนพลังงานทั้งสามอย่างข้างต้นมีอยู่ในอุปกรณ์นี้เครื่องขยายสัญญาณแสง SOAการขยายสัญญาณแสงนั้นอาศัยหลักการปล่อยแสงแบบกระตุ้น กระบวนการดูดกลืนแสงแบบกระตุ้นและการปล่อยแสงแบบกระตุ้นเกิดขึ้นพร้อมกัน การดูดกลืนแสงแบบกระตุ้นของแสงปั๊มสามารถนำมาใช้เร่งการฟื้นตัวของตัวพาประจุ และในขณะเดียวกัน แสงปั๊มไฟฟ้าสามารถส่งอิเล็กตรอนไปยังระดับพลังงานสูง (แถบนำไฟฟ้า) เมื่อการแผ่รังสีแบบธรรมชาติถูกขยาย จะเกิดเป็นสัญญาณรบกวนจากการแผ่รังสีแบบธรรมชาติที่ถูกขยาย เครื่องขยายสัญญาณแสง SOA นั้นใช้ชิปเซมิคอนดักเตอร์เป็นพื้นฐาน

ชิปเซมิคอนดักเตอร์ประกอบด้วยสารประกอบเซมิคอนดักเตอร์ เช่น GaAs/AlGaAs, InP/AlGaAs, InP/InGaAsP และ InP/InAlGaAs เป็นต้น ซึ่งเป็นวัสดุที่ใช้ในการผลิตเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เช่นกัน การออกแบบท่อนำคลื่นของ SOA นั้นเหมือนหรือคล้ายกับของเลเซอร์ ความแตกต่างอยู่ที่เลเซอร์จำเป็นต้องสร้างโพรงเรโซแนนซ์รอบตัวกลางขยายสัญญาณเพื่อสร้างและรักษาการสั่นของสัญญาณแสง สัญญาณแสงจะถูกขยายหลายครั้งในโพรงก่อนที่จะส่งออกไปแอมพลิฟายเออร์ SOA(สิ่งที่เรากำลังพูดถึงในที่นี้จำกัดเฉพาะแอมพลิฟายเออร์คลื่นเดินทางที่ใช้ในงานส่วนใหญ่) แสงจำเป็นต้องผ่านตัวกลางขยายสัญญาณเพียงครั้งเดียว และการสะท้อนกลับมีน้อยมาก โครงสร้างของแอมพลิฟายเออร์ SOA ประกอบด้วยสามส่วน ได้แก่ ส่วน P ส่วน I (ชั้นแอคทีฟหรือโหนด) และส่วน N ชั้นแอคทีฟมักประกอบด้วยควอนตัมเวลล์ ซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงเป็นไฟฟ้าและลดกระแสเกณฑ์ได้

รูปที่ 1 เลเซอร์ไฟเบอร์พร้อม SOA ในตัวสำหรับการสร้างพัลส์แสง

นำไปใช้กับการถ่ายโอนช่องสัญญาณ

โดยทั่วไปแล้ว SOA ไม่ได้ใช้เฉพาะในการขยายสัญญาณเท่านั้น แต่ยังสามารถใช้ในด้านการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง การใช้งานที่อาศัยกระบวนการไม่เชิงเส้น เช่น อัตราขยายอิ่มตัว หรือโพลาไรเซชันแบบไขว้เฟส ซึ่งใช้การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของตัวพาในเครื่องขยายสัญญาณแสง SOA เพื่อให้ได้ดัชนีหักเหที่เปลี่ยนแปลงไป ผลกระทบเหล่านี้สามารถนำไปใช้กับการถ่ายโอนช่องสัญญาณ (การแปลงความยาวคลื่น) การแปลงรูปแบบการมอดูเลชัน การกู้คืนสัญญาณนาฬิกา การสร้างสัญญาณใหม่ และการจดจำรูปแบบ ฯลฯ ในระบบมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่น

ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีวงจรรวมออปโตอิเล็กทรอนิกส์และการลดต้นทุนการผลิต ขอบเขตการใช้งานของตัวขยายสัญญาณแสงเซมิคอนดักเตอร์ SOA ในฐานะตัวขยายสัญญาณพื้นฐาน อุปกรณ์ออปติคอลเชิงฟังก์ชัน และส่วนประกอบย่อยของระบบ จะยังคงขยายตัวต่อไป