非均匀注入半导体光放大器的研究

摘要

半导体光放大器(SOA)以其体积小、功耗低、非线性大、响应速度快、工作波长范围大、易于与其它器件集成等优点，在全光信号再生、光逻辑器件和全光波长转换和全光时分解复用技术等WDM、OTDM和网络全光化的核心技术领域具有极其重要的潜在应用价值。采用非均匀注入结构，可以达到改善SOA内部载流子空间烧孔效应、稳定增益、提高输出功率的目的。本文采用较为先进的数值化方法对非均匀注入SOA的器件特性进行了较为深入的分析和研究。 对非均匀注入SOA的数值仿真是研究其器件特性、器件制作、拓展其应用的重要基础，通过数值仿真可以方便快捷地获得器件的特性及各参数对其特性的影响,运用分析的结果来指导器件设计。 本文对非均匀注入SOA理论模型和数值建模进行了较为系统和深入的研究，主要内容如下： 1．较为系统地论述了非均匀注入SOA的基本结构和工作原理，在此基础上，对半导体材料增益和自发辐射特性进行了分析研究，推导出基于腔内电磁场随机光场展开的行波速率方程和载流子速率方程。 2．建立了基于非均匀注入SOA长度分段和噪声分段的一维静态模型，并对模型数值化，运用载流子浓度迭代法实现模型仿真，通过分析比较选取最佳的电流注入情况，并详细分析了载流子浓度、ASE噪声以及信号光在非均匀注入SOA长度上的分布，研究了各种参数对非均匀注入SOA的影响。 3．建立了基于信号光场和随机噪声光场的非均匀注入半导体光放大器时域动态模型，并对模型数值化，采用SS—TDM算法实现仿真，详细分析了高速信号经非均匀SOA放大的时域动态特性，并分析了不同设计和运行参数对非均匀注入SOA器件特性的影响。 4．建立了非均匀注入SOA的频域仿真模型，在时域仿真结果的基础上运用扩展的传输矩阵方法实现模型仿真，详细分析了不同器件参数和运行条件下的SOA输出光谱特性。

目录

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英文文摘

声明

致谢

1引论

1.1光放大器在光通信网络中的应用

1.1.1光通信网络的发展

1.1.2光放大器在光通信网中的作用

1.1.3各种光放大器的比较

1.2 SOA技术的发展及应用

1.2.1 SOA的发展历史及研究现状

1.2.2 SOA在光通信中的应用

1.3非均匀注入SOA及对其进行数值仿真的意义

1.3.1非均匀注入SOA

1.3.2对非均匀注入SOA进行数值仿真的必要性

1.3.3对非均匀注入SOA进行仿真的意义

1.4本论文主要内容

2半导体光放大器的基本理论

2.1半导体材料的基本特性

2.1.1半导体的能带模型

2.1.2半导体PN结

2.1.3载流子注入与PN结的光增益

2.1.4双异质结

2.2非均匀注入SOA的结构

2.2.1非均匀注入SOA结构

2.2.2端面反射率

2.3半导体材料的光增益与自发辐射特性

2.3.1半导体内光与载流子的相互作用

2.3.2 SOA体材料的增益模型

2.3.3自发复合速率与载流子寿命

2.4 SOA的行波速率方程理论

2.4.1腔内电磁场的随机光场展开

2.4.2自发辐射场与信号光场的行波方程

2.4.3载流子速率方程

3非均匀注入SOA静态数值仿真

3.1非均匀注入SOA静态模型

3.2静态方程数值化

3.2.1信号光的行波速率方程的数值化

3.2.2噪声的行波速率方程数值化

3.2.3载流子行波速率方程的数值化

3.2.4注入载流子的非均匀化

3.3非均匀注入SOA静态模型数值算法

3.4非均匀注入SOA静态模型仿真结果及分析

3.4.1材料增益和自发辐射因子

3.4.2载流子与光功率密度的分布

3.4.3 ASE噪声在非均匀注入SOA内的分布

3.4.4非均匀注入SOA的增益谱

4非均匀注入SOA动态模型

4.1非均匀注入SOA动态模型理论

4.1.1时域行波方程

4.1.2载流子速率方程的时域数值化

4.1.3 SS-TDM算法介绍

4.2非均匀注入SOA动态模型仿真

4.2.1动态模型仿真算法

4.2.2仿真流程图

4.3仿真结果及分析

4.3.1载流子浓度的分布

4.3.2非均匀注入SOA噪声谱特性

4.3.3非均匀注入SOA对时域信号的放大特性

5非均匀注入SOA频域模型及仿真

5.1扩展传输矩阵方法

5.1.1常规传输矩阵

5.1.2局部源的传输矩阵

5.1.3扩展源传输矩阵

5.2 SOA频域仿真模型

5.3非均匀注入SOA频域仿真结果分析

5.3.1 ASE输出谱

5.3.2噪声信号谱

6结论

6.1本论文的主要工作

6.2可进一步开展的研究工作

参考文献

作者简历