半導(dǎo)體光放大器的高速動(dòng)態(tài)特性及應(yīng)用于光信號(hào)處理的基礎(chǔ)研究.pdf

1、互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，對(duì)光通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求越來越大，推動(dòng)光通信網(wǎng)絡(luò)向具有超高速光傳輸和大容量光交換能力的全光網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展。其中，骨干網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的全光透明對(duì)具備全光信號(hào)處理的光子器件提出了更高的要求，研究具有超高速、低功耗、集成化的全光信號(hào)處理集成芯片成為關(guān)鍵。半導(dǎo)體光放大器（SOA）具有非線性大、體積小、功耗低、易于集成等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是全光信號(hào)處理中非常有前景的非線性光學(xué)器件，因而成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。但是SOA存在載流子恢復(fù)速度慢，

2、難以實(shí)現(xiàn)超高工作速率的缺點(diǎn)。針對(duì)超高速全光信號(hào)處理對(duì) SOA工作速率的要求，本文對(duì) SOA的增益、相位動(dòng)態(tài)中的超快動(dòng)態(tài)特性及相關(guān)的一些基本物理問題進(jìn)行了深入研究，主要的研究成果和貢獻(xiàn)有以下幾個(gè)方面：
　　1.全面介紹和分析了與 SOA超快動(dòng)態(tài)特性相關(guān)的載流子速率方程及光波動(dòng)方程。根據(jù)研究SOA超快動(dòng)態(tài)特性和超高速光信號(hào)處理的要求，建立了一個(gè)包含帶內(nèi)、帶間物理效應(yīng)以及增益色散和群速色散等物理過程的SOA數(shù)值模型。
　　2.研究

3、了SOA超快帶內(nèi)非線性效應(yīng)對(duì)SOA增益和相位的貢獻(xiàn)，數(shù)值論證了SOA相位恢復(fù)中存在超快的恢復(fù)過程。深入分析了SOA相位恢復(fù)特性與脈沖寬度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在超短光脈沖入射條件下，SOA中會(huì)存在較強(qiáng)的載流子加熱效應(yīng)，使得SOA的相位動(dòng)態(tài)中出現(xiàn)超快的恢復(fù)過程；在分析帶內(nèi)、帶間非線性效應(yīng)與泵浦脈沖在時(shí)間上對(duì)應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，解釋了相位和增益之間存在時(shí)間延遲的原因，并進(jìn)一步分析了時(shí)延與泵浦脈沖寬度及泵浦脈沖峰值功率的變化關(guān)系；分析了載流子壽命與工作條件

4、的關(guān)系，研究了直流光功率、SOA的工作電流和SOA有源區(qū)的長(zhǎng)度對(duì) SOA增益恢復(fù)速度的影響，為優(yōu)化 SOA參數(shù)以提高其工作速率提供了依據(jù)。
　　3.采用泵浦-探測(cè)（pump-probe）的實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了 SOA相位中存在超快的恢復(fù)過程。結(jié)果顯示在寬度為2ps的泵浦光脈沖輸入下，超快相位恢復(fù)過程的持續(xù)時(shí)間約為2ps，對(duì)于相位恢復(fù)的貢獻(xiàn)約為20％（0.15弧度）?；跍y(cè)量的SOA增益變化和相位變化，分析了SOA線寬增強(qiáng)因子的時(shí)分

5、變化特性；結(jié)果顯示在短脈沖入射下，由于SOA中的超快非線性效應(yīng)具有不同的增益和相位響應(yīng)，導(dǎo)致SOA的線寬增強(qiáng)因子表現(xiàn)出較為強(qiáng)烈的變化，其中與載流子密度相關(guān)的線寬增強(qiáng)因子最小值約為4.5，并隨著載流子密度的恢復(fù)而逐漸增大。
　　4.深入研究了不同工作條件下SOA的啁啾變化特性，發(fā)現(xiàn)泵浦光產(chǎn)生的增益飽和的增加會(huì)導(dǎo)致 SOA載流子恢復(fù)速度的增大從而引起 SOA藍(lán)移啁啾的增大。深入分析了碼型效應(yīng)引起的SOA啁啾變化特性并解釋了相關(guān)的物理原

6、因，在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)地論述了失諧濾波技術(shù)消除碼型效應(yīng)的原理。論證了采用失諧濾波技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)640Gbit/s的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。
　　5.研究了對(duì)向傳輸模式下SOA的超快動(dòng)態(tài)特性。發(fā)現(xiàn)在對(duì)向傳輸模式下SOA增益和相位動(dòng)態(tài)中具有相對(duì)較小的超快恢復(fù)過程，同時(shí)具有大的增益飽和時(shí)間，導(dǎo)致SOA很難具有高的工作速率；提出通過減小SOA的長(zhǎng)度來增加SOA增益和相位的超快恢復(fù)過程以實(shí)現(xiàn)對(duì)向傳輸模式下的超高速光信號(hào)處理的解決方案。
　　6.研究了