【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光纤通讯，尤其是小型化低功耗以及高增益的半导体光放大器及其方法。
技术介绍
1、目前用于光纤通讯领域的光放大器主要是掺铒光纤放大器（edfa）和半导体放大器，随着半导体材料的发展，从体材料，量子阱到量子点，结合能带工程，半导体光放大器得到迅速发展。
2、半导体放大器基于半导体激光器的理论基础，加电后pn结产生载流子（电子-空穴对），当有外来光子经过增益介质时（pn结），载流子将能量传递给光子，产生一个与输入光相同幅值，频率和相位的光子，同时载流子从激发态跃迁到基态。由于半导体放大器直接是电信号加载到增益介质上，相比edfa具有高带宽，高速，能耗低以及尺寸小等优点。
3、半导体有源层中随着电子注入，载流子浓度增加，半导体的增益也增加，在特定的电流下，半导体放大器有恒定增益g，输出功率随着输入信号的功率大小线性增加，这种输入和输出呈线性关系的增益为小信号增益。
4、在半导体中过高的注入载流子浓度或过高的输入光强都会引起半导体放大器的增益饱和，既输出功率随着注入载流子浓度的增加反而下降，或即使电流未饱和下，输入功率达到一定值后，输出功率不但不增加，反而下降。
5、半导体放大器由于带间复合寿命只有纳秒量级，与edfa毫秒量级的亚稳态寿命相比，更难获得高的粒子数反转和高的线性增益。为了达到高的增益系数，虽然可以通过加大注入电流密度来增加增益系数，但是又会受到俄歇非辐射复合带来的不利影响。在俄歇（auger）效应中，电子与空穴复合时，将多余的能量传给第二个电子而不是发射光，然后第
6、为了提高单器件的增益，尤其在输入光非常小（-45dbm）情况下，输出要达到10dbm，那么增益就要达到55db以上，目前只是采用加长增益介质以及加大电流的方式，不仅在长增益的后半段由于载流子浓度过高，不仅增益不能继续提高，反而会造成增益饱和，既增益下降的情况。同时由于电流加大，对应的电压也要增加，功耗会成倍的增加，造成器件整体发热严重，需要大的电流控制热电制冷器tec进行散热，因此对器件的功耗和散热提出严峻的挑战。
7、针对上述情况提出本专利技术的方案，利用半导体小型化，自由空间封装的优势，将两个或多个芯片集成到器件内部，通过分段放大增益，提高器件总的增益，同时由于采用低电流，可以明显降低器件的整体功耗，改善器件的散热条件。
技术实现思路
1、本专利技术提出小型化低功耗以及高增益的半导体光放大器及其方法，利用半导体小型化，自由空间封装的优势，将两个或多个芯片集成到器件内部，通过分段放大增益，提高器件总的增益，同时本产品采用低电流工作，可以明显降低器件的整体功耗，改善器件的散热条件。
2、本专利技术采用以下技术方案。
3、小型化低功耗以及高增益的半导体光放大器，所述光放大器包括沿光路方向设置的第一级放大模块、第二级放大模块；第一级放大模块包括沿光路顺序设置的传输光纤（1）、输入隔离器（3）、一级放大芯片（5）、中间隔离器（8）；第二级放大模块包括沿光路顺序设置的滤波片（9）、二级放大芯片（11）、输出隔离器（14）、输出光纤（16）；第一级放大模块经中间隔离器输出的光信号，由第二级放大模块的光路的滤波片接收。
4、第一级放大模块中，所述传输光纤、输入隔离器之间设有用于信号光光斑准直的第一半球透镜（2），输入隔离器、一级放大芯片之间设有用于光斑准直的第二半球透镜（4）；经准直处理后的信号光经输入隔离器透射入一级放大芯片进行第一次光信号放大后，输出至中间隔离器；
5、一级放大芯片、中间隔离器之间设有用于对一级放大芯片输出光信号进行准直的第三半球透镜（7）。
6、第二级放大模块中，所述滤波片用于对第一级放大模块输入的光信号滤波，经滤波处理的光信号透射至二级放大芯片进行第二次光信号放大后，经输出隔离器送至输出光纤输出；
7、滤波片与二级放大芯片之间设有用于对经滤波处理的光信号进行准直的第四半球透镜（10），二级放大芯片与输出隔离器之间设有用于对二级放大芯片输出光信号进行准直的第五半球透镜（13）；输出隔离器与输出光纤之间设有用于对输出隔离器输出光进行准直的第六半球透镜（15）。
8、所述一级放大芯片在其coc处集成具有温度探测功能的第一芯片ntc（6），二级放大芯片在其coc处集成具有温度探测功能的第二芯片ntc （12）。
9、第一级放大模块的光学元件均设置于热电制冷器的第一tec基板（17）上；第二级放大模块的光学元件均设于热电制冷器的第二tec基板（18）上。
10、第一tec基板、第二tec基板均放置于金属外壳（19）里面密封封装。
11、所述金属外壳厚度不低于1mm。
12、输入隔离器（3）、中间隔离器（8）、输出隔离器（14）均为基于法拉第旋光效应来保证光单向传输的自由空间隔离器。
13、输入隔离器（3）、中间隔离器（8）、输出隔离器（14）为具有双极隔离作用的隔离器，隔离度范围为40db，尺寸与输入光班匹配。
14、小型化低功耗以及高增益的半导体光放大器用于实现高增益的工作方法，所述工作方法中，一级放大芯片、二级放大芯片均为半导体放大芯片，半导体光放大器通过在内部了光路上使用两个半导体放大芯片，且在两个半导体放大芯片之间使用自由空间隔离器、滤波器来使输入的信号光工作区间从线性区扩展到非线性区，以充分利用两级半导体放大芯片的增益效果，达到低功耗工况下的高增益；具体为：
15、输入隔离器位置放在输入光纤后，一级放大芯片前，以有效避免一级放大芯片在工作过程产生的反向自发辐射光再次进入输入光纤，减小对输入光源的干扰；
16、一级放大芯片输出光经过非球透镜准直后，进入中间隔离器；
17、中间隔离器介于一级和二级放大芯片之间，用于让一级放大芯片放大的光单向传输进入二级放大芯片，防止一级放大芯片的输出光反射回一级放大芯片内部，造成一级放大芯片二次受激放大，避免受激放大效应降低输出及造成输出光功率震荡，
18、中间隔离器还用于防止二级放大芯片的反向自发辐射光进入一级放大芯片，造成输出光功率震荡并导致输出光功率减小且不稳定；
19、滤波片用于过滤一级放大芯片放大产生的自发辐射光，其只保留信号光进入二级放大器，
20、滤波片规格根据需要按不同波段定制，根据光通讯的单波，多波或可调谐波应用场景选择使用无源滤波片或可调谐滤波器mtof；
21、光放大器通过两个ntc实时探测两个放大芯片的工作温度，热电制冷器tec基板通过温度探测器的温本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.小型化低功耗以及高增益的半导体光放大器，其特征在于：所述光放大器包括沿光路方向设置的第一级放大模块、第二级放大模块；第一级放大模块包括沿光路顺序设置的传输光纤（1）、输入隔离器（3）、一级放大芯片（5）、中间隔离器（8）；第二级放大模块包括沿光路顺序设置的滤波片（9）、二级放大芯片（11）、输出隔离器（14）、输出光纤（16）；第一级放大模块经中间隔离器输出的光信号，由第二级放大模块的光路的滤波片接收。
2.根据权利要求1所述的小型化低功耗以及高增益的半导体光放大器，其特征在于：第一级放大模块中，所述传输光纤、输入隔离器之间设有用于信号光光斑准直的第一半球透镜（2），输入隔离器、一级放大芯片之间设有用于光斑准直的第二半球透镜（4）；经准直处理后的信号光经输入隔离器透射入一级放大芯片进行第一次光信号放大后，输出至中间隔离器；
3.根据权利要求2所述的小型化低功耗以及高增益的半导体光放大器，其特征在于：第二级放大模块中，所述滤波片用于对第一级放大模块输入的光信号滤波，经滤波处理的光信号透射至二级放大芯片进行第二次光信号放大后，经输出隔离器送至输出光纤输出；
4. 根据权利要求1所述的小型化低功耗以及高增益的半导体光放大器，其特征在于：所述一级放大芯片在其COC处集成具有温度探测功能的第一芯片NTC（6），二级放大芯片在其COC处集成具有温度探测功能的第二芯片NTC （12）。
5.根据权利要求4所述的小型化低功耗以及高增益的半导体光放大器，其特征在于：第一级放大模块的光学元件均设置于热电制冷器的第一TEC基板（17）上；第二级放大模块的光学元件均设于热电制冷器的第二TEC基板（18）上。
6.根据权利要求5所述的小型化低功耗以及高增益的半导体光放大器，其特征在于：第一TEC基板、第二TEC基板均放置于金属外壳（19）里面密封封装。
7.根据权利要求5所述的小型化低功耗以及高增益的半导体光放大器，其特征在于：所述金属外壳厚度不低于1mm。
8.根据权利要求1所述的小型化低功耗以及高增益的半导体光放大器，其特征在于：输入隔离器（3）、中间隔离器（8）、输出隔离器（14）均为基于法拉第旋光效应来保证光单向传输的自由空间隔离器。
9.根据权利要求8所述的小型化低功耗以及高增益的半导体光放大器，其特征在于：输入隔离器（3）、中间隔离器（8）、输出隔离器（14）为具有双极隔离作用的隔离器，隔离度范围为40dB，尺寸与输入光班匹配。
10.小型化低功耗以及高增益的半导体光放大器用于实现高增益的工作方法，其特征在于：所述工作方法中，一级放大芯片、二级放大芯片均为半导体放大芯片，半导体光放大器通过在内部了光路上使用两个半导体放大芯片，且在两个半导体放大芯片之间使用自由空间隔离器、滤波器来使输入的信号光工作区间从线性区扩展到非线性区，以充分利用两级半导体放大芯片的增益效果，达到低功耗工况下的高增益；具体为：
...【技术特征摘要】
1.小型化低功耗以及高增益的半导体光放大器，其特征在于：所述光放大器包括沿光路方向设置的第一级放大模块、第二级放大模块；第一级放大模块包括沿光路顺序设置的传输光纤（1）、输入隔离器（3）、一级放大芯片（5）、中间隔离器（8）；第二级放大模块包括沿光路顺序设置的滤波片（9）、二级放大芯片（11）、输出隔离器（14）、输出光纤（16）；第一级放大模块经中间隔离器输出的光信号，由第二级放大模块的光路的滤波片接收。
2.根据权利要求1所述的小型化低功耗以及高增益的半导体光放大器，其特征在于：第一级放大模块中，所述传输光纤、输入隔离器之间设有用于信号光光斑准直的第一半球透镜（2），输入隔离器、一级放大芯片之间设有用于光斑准直的第二半球透镜（4）；经准直处理后的信号光经输入隔离器透射入一级放大芯片进行第一次光信号放大后，输出至中间隔离器；
3.根据权利要求2所述的小型化低功耗以及高增益的半导体光放大器，其特征在于：第二级放大模块中，所述滤波片用于对第一级放大模块输入的光信号滤波，经滤波处理的光信号透射至二级放大芯片进行第二次光信号放大后，经输出隔离器送至输出光纤输出；
4. 根据权利要求1所述的小型化低功耗以及高增益的半导体光放大器，其特征在于：所述一级放大芯片在其coc处集成具有温度探测功能的第一芯片ntc（6），二级放大芯片在其coc处集成具有温度探测功能的第二芯片ntc （12）。
5.根据权利要求4所述的小...
【专利技术属性】
技术研发人员：涂晓燕，苏辉，宋智华，
申请(专利权)人：福建中科光芯光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。