基于新型微纳结构的波长可调谐半导体激光器的研究

摘要

波长可调谐半导体激光器在通信和传感等领域具有非常重要的应用前景。这些应用要求激光器具有波长调谐范围宽、输出功率大、边模抑制比高和波长切换速度快等特点。波长可调谐半导体激光器既可以用于波分复用系统中减小库存备份，又能为下一代可重构光网络提供动态波长配置和波长路由功能。当波长可调谐激光器用作相干光通信系统中的发射机和相干接收机的本振激光器时，激光器的相位噪声特性对通信系统的性能有着非常重要的影响。本文从光栅理论、激光器理论模型和实验研究等方面出发，对基于新型微纳结构的波长可调谐半导体激光器展开了比较系统而深入的研究。
　　本研究主要内容包括：⑴根据Bragg光栅设计理论，对取样光栅、多相移技术和反射谱级联技术进行了深入的研究，并提出了多相移数字级联光栅(MPSDCG)结构，用于设计具有平坦峰值反射率的宽带、多通道数梳状滤波器。⑵建立了仿真波长可调谐激光器的频域传输线模型和时域行波模型。利用这两个模型不仅可以计算激光器的波长、阈值电流、输出功率、边模抑制比和输出光谱等静态特性，还可以模拟激光器的调制响应和波长切换过程等动态特性。⑶对纳米压印方法制作数字级联光栅的工艺进行了实验研究。通过引入二次软模板压印技术和优化的变温、变压压印过程，获得了大面积均匀的光栅图形转移效果。通过采用自行设计的工艺组件，解决了压印过程中模板光栅图形与衬底对准的问题。此外，对感应耦合等离子体刻蚀工艺进行优化，制作了形貌良好的数字级联光栅结构。⑷通过对制作的数字级联光栅分布式布拉格反射器(DCG-DBR)激光器进行实验测试，获得了30nm的离散波长调谐范围，同时边模抑制比大于30dB。为了改善DCG-DBR激光器的特性并且降低对光栅周期的制作精度的要求，提出了基于多相移数字级联光栅结构的MPSDCG-DBR激光器，并且对激光器的特性进行了理论分析。⑸基于静态传输线模型，推导了取样光栅分布式布拉格反射器(SG-DBR)激光器腔内光子数和光场相位的速率方程模型，对SG-DBR激光器的相位噪声特性进行了模拟。研究了不同的噪声源，包括有源区自发辐射白噪声和无源区载流子散粒噪声，对激光器的频率调制(FM)噪声谱的影响。通过FM噪声谱计算了各个的噪声源所引起的线宽展宽大小随无源调谐区注入电流变化的趋势，并且解释了线宽变化的机理，模拟的线宽变化趋势与实验测量结果吻合。此外，对SG-DBR激光器的结构参数，如相位区长度和光栅区耦合系数对线宽的影响进行了讨论。⑹利用时域行波模型对表面刻蚀两个浅槽的三节法布里珀罗(SFP)激光器进行了理论研究。建立了一组边界条件，用来表征浅槽的界面对光场的反射和透射作用。并利用建立的模型对三节SFP激光器的波长调谐特性、边模抑制比、输出光谱和波长切换过程进行了研究。通过模拟不同注入电流下激光器三个节段的载流子密度和光子数密度分布的变化趋势，验证了三节SFP激光器的波长调谐是基于游标卡尺效应。为了提取波长切换过程各个波长通道的实时光功率，提出了采用不同中心波长的无限冲击响应(IIR)窄带带通滤波器对激光器总的输出光场进行滤波处理的方法。相比傅里叶变换方法，采用IIR滤波器技术具有简单且波长分辨率高的优点。

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1 绪论

1.1 波长可调谐半导体激光器在光网络中的应用

1.2 波长可调谐光源的实现方案

1.3 宽带波长可调谐DBR型激光器

1.4 本论文的主要工作

2 Bragg光栅理论

2.1 Bragg光栅分析方法

2.2 取样光栅理论

2.3 平坦反射谱包络多通道数梳状滤波器设计

2.4 本章小结

3 宽带波长可调谐SG-DBR激光器理论模型

3.1 半导体激光器中的基本物理过程

3.2 游标(Vernier)调谐原理

3.3 SG-DBR激光器理论模型

3.4 本章小结

4 DCG-DBR激光器的实验研究和设计优化

4.1 纳米压印技术简介

4.2 纳米压印技术制作数字级联光栅

4.3 DCG-DBR激光器制作和测试

4.4 MPSDCG-DBR激光器

4.5 本章小结

5 SG-DBR激光器相位噪声特性研究

5.1 SG-DBR激光器噪声源

5.2 SG-DBR激光器相位噪声模型

5.3 SG-DBR激光器相位噪声特性模拟

5.4 结构参数对SG-DBR激光器线宽的影响

5.5 本章小结

6 三节SFP激光器理论研究

6.1 三节SFP激光器结构

6.2 三节SFP激光器理论模型

6.3 三节SFP激光器模拟结果

6.4 本章小结

7 总结与展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文和申请的专利目录

附录2 论文中缩略词的含义