垂直腔半导体光放大器理论研究

摘要

垂直腔半导体光放大器(vCSOA)作为一种新型的光放大器有着许多传统边发式半导体光放大器(SOA)以及掺铒光纤放大器(EDFA)都无法比拟的优点，在众多光纤通信领域都有着潜在的应用前景。到目前为止关于VCSOA的理论和实验方面的研究已经取得了一系列成果，本文的工作是建立在已有的研究成果基础上，围绕着VCSOA的稳态增益、光学带宽、调制响应、光脉冲放大以及小信号频率响应等工作特性而展开，具体内容包括： 针对现有VCSOA的理论研究模型多采用等效腔的现状，基于VCSOA由多层介质交替生长的结构特点，将其视为一个整体，构建其传输矩阵模型。该模型考虑了谐振腔内介质折射率的不连续性和有源区内载流子浓度和光强的纵向分布。使用该模型不再需要对分布布拉格反射镜(DBR)的反射率、有效腔长度、增益增强因子以及输入信号注入耦合效率等参数分别计算，方便了理论上的讨论。 在稳态工作条件下，利用这个传输矩阵模型研究了VCSOA在反射模式的输入光功率对腔内载流子浓度分布的影响、光学带宽、以及增益饱和等特性。结果表明，输入光功率的大小直接影响腔内载流子密度纵向空间分布的均匀性，在小信号光情况下可以使用载流子分布均匀的假设，而当输入光功率接近饱和区时载流子的空间分布很不均匀；顶部DBR的周期数对VCSOA的光学带宽和输入饱和功率有很大影响，适当减少其周期可以拓宽VCSOA的工作带宽，改善VCSOA的增益饱和特性；一定范围内输入光功率对VCSOA的带宽特性也有比较大的影响；在传输矩阵模型中必须考虑腔内不同介质间界面上的光反射和折射对模型才能够真实反映周期增益结构中的驻波效应。 将传输矩阵模型扩展到动态工作范围，数值模拟了反射工作模式下，VCSOA在短脉冲通过后发生的时域波形畸变、有源区内载流子密度和增益在脉冲放大过程中的变化以及脉冲放大的能量增益等VCSOA的脉冲工作特性。结果表明：随着脉冲的注入，因受激辐射增强而引起的增益饱和效应使得输出光脉冲的时域波形发生畸变；抽运光功率、DBR周期数以及输入脉冲能量都对脉冲放大的能量增益有一定影响；在同样偏置条件下减小DBR周期数可以改善脉冲放大中的能量增益饱和特性。另外，在输入脉冲宽度远小于载流子寿命时脉宽对VCSOA的能量增益饱和特性几乎没有影响，而在DBR周期一定时抽运光功率的增大会导致能量增益饱和特性的劣化。从VCSOA的速率方程组出发，考虑了量子阱材料中的增益和载流子浓度之间的对数关系后，借助小信号分析法，对VCSOA的调制特性和小信号频率响应特性进行了研究，得到了VCSOA的调制带宽、小信号峰值响应频率和3dB小信号频率响应带宽的解析表达式。结果表明，提高输入信号功率或抽运光强度可以增大VCSOAs的调制带宽：在VCSOAs的未饱和区时调制带宽随自发辐射的增强而有所增大；当输入光功率增大到饱和区时，VCSOAs的调制带宽可以达到1.8GHz，这与文献报导的实验数据符合较好：提高抽运光功率或减小输入光功率能提高VCSOA的峰值响应频率，但同时缩小其动态响应频率范围：自发辐射的增强也会扩展其3dB频率响应带宽。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2 VCSOA的历史回顾

1.3 VCSOA的研究现状

1.4本文的主要工作和结论

第2章VCSOA稳态传输矩阵模型的建立

2.1引言

2.2 VCSOA的结构分析和相关光学理论

2.3 VCSOA传输矩阵模型的构建

2.3.1模型建立

2.3.2模型的数值求解方法

2.4小节

第3章VCSOA稳态特性研究

3.1引言

3.2数值计算结果与讨论

3.2.1输入光功率、抽运强度以及DBR周期数对腔内光场和载流子密度空间分布的影响

3.2.2稳态情况下VCSOA的增益和饱和特性

3.2.3理论模型在描述周期增益结构的驻波效应时的合理性

3.3小结

第4章VCSOA光学带宽特性研究

4.1引言

4.2数值计算结果与讨论

4.2.1抽运光功率、DBR周期数对VCSOA光学带宽的影响

4.2.2大信号光输入情况下信号光功率对光学带宽的影响

4.3 小结

第5章VCSOA动态增益及脉冲放大特性研究

5.1引言

5.2动态传输矩阵模型的建立

5.3数值结果与讨论

5.3.1脉冲放大时输出波形的畸变

5.3.2 脉冲放大时器件参数和工作条件对能量增益的影响

5.3.3 VCSOA脉冲放大能量增益饱和特性

5.3.4 VCSOA动态增益恢复时间特性

5.4小结

第6章VCSOA调制/开关特性的研究

6.1引言

6.2小信号分析VCSOA小信号调制响应带宽表达式的推导

6.3 VCSOA动态开关响应时间解析表达式的推导

6.4结果与讨论

6.5小结

第7章小信号扰动作用下VCSOA频率响应特性的研究

7.1引言

7.2 VCSOA小信号频率响应带宽和峰值响应频率解析式的推导

7.3结果与讨论

7.4小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果