كيف يفعلمكبر بصري شبه موصلتحقيق التضخيم؟
بعد ظهور عصر الاتصالات عبر الألياف الضوئية ذات السعة الكبيرة، تطورت تقنية التضخيم الضوئي بسرعة.مكبرات بصريةتضخيم الإشارات الضوئية الداخلة بناءً على الإشعاع المُحفَّز أو التشتت المُحفَّز. وفقًا لمبدأ العمل، يُمكن تقسيم المُضخِّمات الضوئية إلى مُضخِّمات ضوئية شبه موصلة (هندسة الخدمات الموجهة (SOA)) ومكبرات الألياف الضوئية. فيما بينها،مكبرات بصرية شبه موصلةتُستخدم على نطاق واسع في الاتصالات الضوئية بفضل مزايا نطاق الكسب الواسع، والتكامل الجيد، ونطاق الطول الموجي الواسع. تتكون من منطقتين نشطة وسلبية، والمنطقة النشطة هي منطقة الكسب. عندما تمر الإشارة الضوئية عبر المنطقة النشطة، تفقد الإلكترونات طاقتها وتعود إلى الحالة الأرضية على شكل فوتونات لها نفس طول موجة الإشارة الضوئية، مما يُضخّم الإشارة الضوئية. يُحوّل مُضخّم الضوء شبه الموصلي حامل أشباه الموصلات إلى جسيم معاكس بواسطة تيار التشغيل، ويُضخّم سعة ضوء البذرة المُحقن، ويحافظ على الخصائص الفيزيائية الأساسية له، مثل الاستقطاب، وعرض الخط، والتردد. مع زيادة تيار التشغيل، تزداد القدرة الضوئية المُخرَجة أيضًا بعلاقة وظيفية مُحددة.
لكن هذا النمو ليس بلا حدود، لأن مكبرات الصوت الضوئية شبه الموصلة لديها ظاهرة تشبع الكسب. تُظهر هذه الظاهرة أنه عندما تكون الطاقة الضوئية الداخلة ثابتة، يزداد الكسب مع زيادة تركيز الناقل المحقون، ولكن عندما يكون تركيز الناقل المحقون كبيرًا جدًا، فإن الكسب سيتشبع أو حتى ينخفض. عندما يكون تركيز الناقل المحقون ثابتًا، تزداد طاقة الخرج مع زيادة طاقة الدخل، ولكن عندما تكون الطاقة الضوئية الداخلة كبيرة جدًا، يكون معدل استهلاك الناقل الناتج عن الإشعاع المثار كبيرًا جدًا، مما يؤدي إلى تشبع الكسب أو انخفاضه. سبب ظاهرة تشبع الكسب هو التفاعل بين الإلكترونات والفوتونات في مادة المنطقة النشطة. سواء كانت الفوتونات المتولدة في وسط الكسب أو الفوتونات الخارجية، فإن معدل استهلاك الإشعاع المحفز للناقلات يرتبط بمعدل تجديد الناقلات إلى مستوى الطاقة المقابل بمرور الوقت. بالإضافة إلى الإشعاع المحفز، يتغير أيضًا معدل الناقل الذي تستهلكه عوامل أخرى، مما يؤثر سلبًا على تشبع الكسب.
لأن أهم وظيفة لمضخمات أشباه الموصلات الضوئية هي التضخيم الخطي، ولتحقيق التضخيم بشكل رئيسي، يمكن استخدامها كمضخمات طاقة، ومضخمات خطية، ومضخمات أولية في أنظمة الاتصالات. في طرف الإرسال، يُستخدم المضخم الضوئي أشباه الموصلات كمضخم طاقة لتعزيز طاقة الخرج في طرف الإرسال للنظام، مما يزيد بشكل كبير من مسافة الترحيل في جذع النظام. في خط النقل، يمكن استخدام المضخم الضوئي أشباه الموصلات كمضخم ترحيل خطي، بحيث يمكن تمديد مسافة الترحيل المتجددة للنقل مرة أخرى بشكل كبير. في طرف الاستقبال، يمكن استخدام المضخم الضوئي أشباه الموصلات كمضخم أولي، مما يمكن أن يحسن بشكل كبير من حساسية المستقبل. ستؤدي خصائص تشبع الكسب لمضخمات أشباه الموصلات الضوئية إلى ربط الكسب لكل بت بتسلسل البت السابق. يمكن أيضًا تسمية تأثير النمط بين القنوات الصغيرة بتأثير تعديل الكسب المتقاطع. تستخدم هذه التقنية المتوسط الإحصائي لتأثير تعديل الكسب المتبادل بين قنوات متعددة، وتُدخل موجة مستمرة متوسطة الشدة للحفاظ على الشعاع، وبالتالي ضغط الكسب الكلي للمضخم. بعد ذلك، يُقلل تأثير تعديل الكسب المتبادل بين القنوات.
تتميز مُضخِّمات أشباه الموصلات الضوئية ببنية بسيطة، وسهولة في التكامل، وتُضخِّم الإشارات الضوئية بأطوال موجية مختلفة، وتُستخدم على نطاق واسع في دمج أنواع مُختلفة من الليزر. في الوقت الحالي، لا تزال تقنية دمج الليزر القائمة على مُضخِّمات أشباه الموصلات الضوئية في طور التطور، ولكن لا تزال هناك حاجة إلى بذل جهود في الجوانب الثلاثة التالية. أولًا، تقليل فقد الاقتران بالألياف الضوئية. تكمن المشكلة الرئيسية لمُضخِّم أشباه الموصلات الضوئية في ارتفاع فقد الاقتران بالألياف. ولتحسين كفاءة الاقتران، يُمكن إضافة عدسة إلى نظام الاقتران لتقليل فقد الانعكاس، وتحسين تناسق الشعاع، وتحقيق كفاءة اقتران عالية. ثانيًا، تقليل حساسية الاستقطاب لمُضخِّمات أشباه الموصلات الضوئية. تُشير خاصية الاستقطاب بشكل رئيسي إلى حساسية استقطاب الضوء الساقط. إذا لم يُعالَج مُضخِّم أشباه الموصلات الضوئية خصيصًا، فسيقل النطاق الترددي الفعال للكسب. يُمكن لبنية البئر الكمي أن تُحسِّن استقرار مُضخِّمات أشباه الموصلات الضوئية بشكل فعال. من الممكن دراسة بنية بئر كمية بسيطة ومتفوقة لتقليل حساسية الاستقطاب لمضخمات بصرية شبه موصلة. ثالثًا، تحسين العملية المتكاملة. في الوقت الحالي، يُعد دمج مضخمات بصرية شبه موصلة مع الليزر معقدًا للغاية ويتطلب معالجة تقنية، مما يؤدي إلى خسارة كبيرة في نقل الإشارة الضوئية وخسارة في إدخال الجهاز، بالإضافة إلى ارتفاع تكلفته. لذلك، يجب السعي لتحسين بنية الأجهزة المتكاملة وزيادة دقتها.
في تكنولوجيا الاتصالات البصرية، تُعدّ تقنية التضخيم البصري إحدى التقنيات الداعمة، وتشهد تقنية التضخيم البصري لأشباه الموصلات تطورًا سريعًا. في الوقت الحالي، شهد أداء هذه التقنية تحسنًا كبيرًا، لا سيما مع تطوير تقنيات بصرية جديدة مثل مضاعفة تقسيم الطول الموجي أو أنماط التبديل البصري. مع تطور صناعة المعلومات، سيتم طرح تقنية تضخيم بصري مناسبة لمختلف النطاقات والتطبيقات، وسيؤدي تطوير وبحث التقنيات الجديدة حتمًا إلى استمرار تطور تقنية التضخيم البصري لأشباه الموصلات وازدهارها.
وقت النشر: ٢٥ فبراير ٢٠٢٥