ما هو مضخم أشباه الموصلات البصري

ما هومضخم بصري شبه موصل

مضخم أشباه الموصلات الضوئي هو نوع من المضخمات الضوئية يستخدم وسطًا تضخيميًا من أشباه الموصلات. وهو مشابه لثنائي الليزر، حيث تُستبدل المرآة الموجودة في الطرف السفلي بطبقة شبه عاكسة. يُنقل ضوء الإشارة عبر دليل موجي أحادي النمط من أشباه الموصلات. يبلغ البعد العرضي للدليل الموجي 1-2 ميكرومتر، بينما يبلغ طوله حوالي 0.5-2 مليمتر. يتداخل نمط الدليل الموجي بشكل كبير مع المنطقة النشطة (منطقة التضخيم)، والتي تُضخ بواسطة التيار. يُولد التيار المُحقون تركيزًا معينًا لحاملات الشحنة في نطاق التوصيل، مما يسمح بالانتقال الضوئي من نطاق التوصيل إلى نطاق التكافؤ. يحدث ذروة التضخيم عندما تكون طاقة الفوتون أكبر بقليل من طاقة فجوة النطاق. يُستخدم مضخم أشباه الموصلات الضوئي عادةً في أنظمة الاتصالات على شكل كابلات توصيل، بطول موجي تشغيلي يبلغ حوالي 1300 نانومتر أو 1500 نانومتر، مما يوفر تضخيمًا يبلغ حوالي 30 ديسيبل.

المضخم بصري شبه موصل SOAهو جهاز وصلة PN ذو بنية بئر كمومي مشوهة. يعمل الانحياز الأمامي الخارجي على عكس عدد الجسيمات العازلة. بعد دخول ضوء الإثارة الخارجي، يتم توليد إشعاع محفز، مما يؤدي إلى تضخيم الإشارات الضوئية. جميع عمليات نقل الطاقة الثلاث المذكورة أعلاه موجودة فيمضخم بصري SOAتعتمد عملية تضخيم الإشارات الضوئية على الانبعاث المحفز. وتحدث عمليتا الامتصاص والانبعاث المحفزان في آنٍ واحد. يُمكن استغلال الامتصاص المحفز لضوء الضخ لتسريع استعادة حاملات الشحنة، وفي الوقت نفسه، يُمكن للضخ الكهربائي إرسال الإلكترونات إلى مستوى طاقة عالٍ (نطاق التوصيل). عند تضخيم الإشعاع التلقائي، يتشكل ضجيج إشعاع تلقائي مُضخّم. يعتمد مُضخّم SOA الضوئي على رقائق أشباه الموصلات.

تتكون رقائق أشباه الموصلات من أشباه موصلات مركبة، مثل GaAs/AlGaAs وInP/AlGaAs وInP/InGaAsP وInP/InAlGaAs، وغيرها. وهذه هي المواد المستخدمة أيضًا في صناعة ليزرات أشباه الموصلات. تصميم الموجه الضوئية في مضخم أشباه الموصلات البصرية (SOA) مماثل لتصميم الليزرات أو مشابه له. ويكمن الاختلاف في أن الليزرات تحتاج إلى تكوين تجويف رنيني حول وسط التضخيم لتوليد إشارة ضوئية والحفاظ على تذبذبها. تُضخّم الإشارة الضوئية عدة مرات داخل التجويف قبل إخراجها.مضخم SOA(ما نناقشه هنا يقتصر على مضخمات الموجات المتنقلة المستخدمة في معظم التطبيقات)، حيث لا يحتاج الضوء إلا إلى المرور عبر وسط التضخيم مرة واحدة، ويكون الانعكاس العكسي ضئيلاً. يتكون هيكل مضخم أشباه الموصلات البصرية (SOA) من ثلاث مناطق: المنطقة P، والمنطقة I (الطبقة النشطة أو العقدة)، والمنطقة N. تتكون الطبقة النشطة عادةً من آبار كمومية، مما يُحسّن كفاءة التحويل الكهروضوئي ويقلل تيار العتبة.

الشكل 1: ليزر ألياف مزود بمضخم بصري شبه موصل مدمج لتوليد النبضات الضوئية

ينطبق على نقل القنوات

لا تقتصر استخدامات مضخمات أشباه الموصلات البصرية (SOA) على التضخيم فحسب، بل يمكن استخدامها أيضًا في مجال اتصالات الألياف الضوئية، وتحديدًا في التطبيقات القائمة على العمليات غير الخطية مثل كسب التشبع أو الاستقطاب المتقاطع، والتي تستغل تغير تركيز حاملات الشحنة في مضخمات SOA البصرية للحصول على معاملات انكسار متغيرة. ويمكن تطبيق هذه التأثيرات على نقل القنوات (تحويل الطول الموجي)، وتحويل تنسيق التضمين، واستعادة إشارة الساعة، وتجديد الإشارة، والتعرف على الأنماط، وغيرها، في أنظمة تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي.

مع تقدم تكنولوجيا الدوائر المتكاملة الكهروضوئية وانخفاض تكاليف التصنيع، ستستمر مجالات تطبيق مضخمات أشباه الموصلات الضوئية SOA كمضخمات أساسية وأجهزة بصرية وظيفية ومكونات للأنظمة الفرعية في التوسع.