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蓬勃发展的半导体光放大器市场
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SOA Devices Show Bright Future
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■信息产业部电子44所高级工程师 孙志君
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由于通信、专用仪器、军用、航天和私用数据网络等应用的需求牵引，半导体光放大器（SOA）市场将保持蓬勃发展的势头，其发展前景引人注目。
半导体光放大器在结构上类似于半导体激光器，由有源区和无源区构成，有源区为增益区，使用InP这样的半导体材料制作，如图1所示。与半导体激光器的主要不同之处是SOA带抗反射涂层，目的在于防止光反射回来进入电路。当入射的光信号激励半导体材料中的受激电子时获得光增益。在P-N结二端施加电流时，这一过程使光子反射，从而获得信号增益。这种增益介质既可是体有源层，也可是多量子阱结构的。
这种半导体光放大器获得宽带增益的能力是极引人注目的。其主要优点是能与其它器件集成，具有高度的集成能力，极快速的开关（1 ns），对自身损耗的增益补偿，在恶劣环境条件下的高可靠性，小型化和低廉价格的潜力，其价格在某些场合低于光纤放大器。
蓬勃发展的市场
据有关资料报道，全球半导体光放大器市场将保持持续增长。2000年的销售额为480万美元，预计2010年前将增加到9.03亿美元。主要用于光开关、光互连用开关元件，还有波分复用线路和其它光纤数字传输线路。
通信部分占具整个市场的优势，是市场的主导，2005年将达到1.25亿美元，占市场的48%。实验室测试和仪器仪表是一个主要用户，2000年占38%，到2010年将下降到15%，为1.33亿美元。2005年到2001年间半导体光放大器的主导长期应用将是光线路放大器，2000年占54%，2010将缩小到43%，为3.88亿美元，届时波长转换器应用方面将明显超过2001年。
未来光纤通信网络中采用全光学开关将大大提高网络的通信容量和速率。2000年半导体光放大器光子开关元件的销售量占世界总市场的42%。2000～2010年间，2005年时的全光开关元件销售量占市场比例将略有下降，为41%，2010年时的销售额将达到3.7亿美元，而用作波长转换器的半导体光放大器将占市场的16%，达1.45亿美元。表1列出了2000～2010年间全球半导体光放大器的销售预测前景。
半导体光放大器的应用
半导体光放大器（SOA）主要用于现代光纤通信系统中的光开关、波长转换和在线放大器等。
1.光互连开关阵列
随着光纤通信技术的发展，光通信的网络迅速扩展，传输的信息容量越来越大，需要实现高速大容量的通信技术，对其线速率的要求很高。为了处理密集型波分复用（DWDM）系统中日益增加的光纤信息，要求其线速率超过兆兆比特（terabit）。
过去的光纤通信网络中，其传输方式是先把光信号转换成电信号，再把电信号还原成光信号的，这种传输方式限制了光通信网络的传输容量和速率。目前正在建设采用全光开关技术的互连开关网，从而取消普通光网络中采用的光——电——光（OEO）转换工作模式。这种技术导致了新一代的全光通信网络的出现，降低了网络的成本、消除了电学器件技术的复杂性，同时，借助于光插/分复用装置可增减波长。由于微光电机械（MOEM）技术的迅速发展实现了光通信网络技术的变革。半导体光放大器开启开关是目前光通信网络中光互连开关应用正探索和实施的几种技术之一。已报道有采用半导体光放大器选通的单片式集成低损耗开关阵列，图2是采用多个半导体光放大器作低损耗全光开关阵列的选通电路。有的公司采用的是半导体光放大器选通与硅平面波道电路的混合集成途径，如Alcatel，NTT，Lucent和Kamelian等公司。
2.波长转换开关
一条光纤可以同时传输数十到数百种光信号。密集波分复用（DWDM）技术就是以最基本的光开关形式对光纤中传输的不同波长的光信号开关，而不是对光纤中的所有光信号同时开关，是有选择性的。这就是说，在数据传输系统的某些点上必须提取和按规定发送光纤中的各个不同波长的光信号。这种情况下，无论采用开关元件和分离波长选择元件还是采用具有这种特性的其它开关实现这种功能，共同的一点都是用选择波长开关来实现的，其最终结果都需要采用密集波分复用技术。短期内，这种产品的首要应用是单频单波段或不同密集型波分复用网络中与波长间隔变化相应的梳状交替插分波段插/分和路由开关。目前有些公司已实现了用半导体光放大器频率选择开关的通信产品商用化，如Alcatel就是其中之一。这种半导体光放大器开关还具有把放大信号和波长转换这些功能集成起来的先进特点。
作为光波段转换开关元件的半导体光放大器，其主要的优点在于极快的光开关速率，其开关时间内为1 ns，对固有光信号损失进行增益补偿。在恶劣环境条件下可靠性高，集成度高，尺寸小，而且成本会更低。但也存在着某些缺点，如噪声相对大些，易于出现静冲击失效，同时，早期生产的器件价格昂贵。半导体光放大器对于长距离多信道密集型波分复用（DWDM）信道传输并不是个理想的方案。波分复用（WDM）放大器必须是宽带的，而且增益要均匀，噪声要低。然而半导体光放大器波长间的信号串扰太强，即使相互间隔最大（1.6
nm，即200 GHz）时也是这样，这是由半导体材料中载流子寿命短引起的，因而是这种放大器本身固有的问题，其载流子寿命仅为几个ns，相当于典型栅格间距分开的二个拍频信号周期。这种拍频信号调制载流子产生边带，从而导致四波混频。尤其是在半导体光放大器处于饱和模式工作状态时这种混合问题就更为严重。相反掺铒光纤放大器（EDFA）则不同，其掺入的铒离子寿命要比半导体中的载流子寿命长得多，可达10
ms，对这种拍频信号对载流子的调制影响敏感性要优得多。在WDM系统应用中，各波长信号间的串扰是半导体光放大器存在的一个突出问题。影响串扰幅度大小的主要因素是放大器输出功率的饱和电平。通过分散输出功率，把输出功率按放大器数分配，然后再把所放大的输出功率合起来可明显地降低这种串扰，但是这种方案会导致低的光信噪比。不管这种信噪比损失是否化算可行，但主要还是取决于分放大器的价格和在集成组件时的制造成本。
3.用作线放大器
半导体光放大器用作线放大器的优点是可靠、小尺寸、可集成和正性高的输出功率。预期大批量生产这种光放大器后，价格将会急剧下降，同时其波长范围从600
nm到2000 nm。但作为线放大器，半导体光放大器面临着1500 1600 nm掺铒光纤放大器（EDFA），掺镨光纤放大器（PEFA）和拉曼放大器（波长为1300
1700 nm）的激烈竞争。特别是在1500 nm波段，掺铒光纤放大器的增益远高于半导体光放大器，而且噪声更低，性能上的可靠性也高。由于技术成熟，批量生产和极强的竞争能力，1500
1700 nm波段的掺铒光纤放大器增益部件的价格在过去4年间迅速下降，并且将继续降价。
在1300 1500 nm波段，半导体光放大器面临的光纤放大器激烈竞争威胁要小得多。因为这个波段的掺镨光纤放大器（PDFA）并没有达到批量生产的能力，因而目前要比掺铒光纤放大器（EDFA）价格贵，FDFA的功耗转换效率要比半导体用作线放大器在1300
1500 nm波段应用时竞争能力最强、潜力最大。在长期应用时，预计半导体光放大器要比光纤放大器的功率输出高得多，而且功率转换效率更好。总之，半导体光放大器线波分复用系统适用性强，短距离网络易于建成。然而，由于其性能限制和潜在的价格优势，非常适用于都市网络建设应用。
由于半导体光放大器（SOA）在结构和制作工艺上类似于半导体激光二极管，易于集成化和大批量生产，快速开关能力强，自身损耗增益补偿，高可靠性和低的价格，具有极强的市场竞争能力，在未来光通信网络的光开关、波长转换和线放大器应用方面的市场将是引人注目的，预计在未来10年间将保持强劲持续增长的势头。此外，在专用仪器仪表、军用和宇航专用数据网络等方面的应用潜力也很大。 |
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