半導(dǎo)體光放大器超快動(dòng)態(tài)特性的研究.pdf

1、隨著光通信系統(tǒng)中單信道容量的迅猛增長(zhǎng)，對(duì)光信號(hào)處理中關(guān)鍵器件性能的要求越來越高。半導(dǎo)體光放大器（SOA）作為廣泛應(yīng)用在光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的非線性器件，其動(dòng)態(tài)特性直接影響了整個(gè)通信網(wǎng)的性能。特別是其應(yīng)用在超高速的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換、復(fù)用/解復(fù)用以及信號(hào)再生等領(lǐng)域中，SOA的載流子恢復(fù)時(shí)間，反映為增益恢復(fù)速度是影響整個(gè)系統(tǒng)性能至關(guān)重要的因素。
　　 近年來隨著SOA 工藝與理論的發(fā)展，各種低維結(jié)構(gòu)的SOA 器件實(shí)現(xiàn)了增益偏振無關(guān)、高增益/微分增益系

2、數(shù)以及超快的增益恢復(fù)速度。一方面對(duì)低維SOA 器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能從根本上縮短SOA的載流子恢復(fù)時(shí)間從而提高器件的超快動(dòng)態(tài)性能；另一方面對(duì)一個(gè)給定的SOA，在應(yīng)用中對(duì)其增益恢復(fù)速度進(jìn)行優(yōu)化，也能改善器件在高速通信系統(tǒng)中的表現(xiàn)。概括全文的研究成果和貢獻(xiàn)，有如下幾個(gè)方面：
　　 (1)全面分析比較了不同物理層面描述SOA 動(dòng)態(tài)特性的理論模型。理論研究了SOA 在不同量級(jí)脈寬的光脈沖入射下其內(nèi)部各種物理過程以及其產(chǎn)生機(jī)理。并進(jìn)一步分析了不

3、同脈寬的光脈沖作用下在誤差允許范圍內(nèi)各模型的適用性。在此基礎(chǔ)上提出模型選擇的原則應(yīng)該是從需求出發(fā)，需要同時(shí)滿足時(shí)效性與精確性兩方面的要求。
　　 (2)提出了一種帶載流子庫的不對(duì)稱多量子阱結(jié)構(gòu)的SOA。通過采用多量子阱結(jié)構(gòu)的載流子傳輸模型，數(shù)值模擬了這種結(jié)構(gòu)的SOA的超快動(dòng)態(tài)特性。模擬結(jié)果表明此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能有效加速SOA的增益恢復(fù)速度。
　　 (3)通過分段模型，理論推導(dǎo)了基于SOA中交叉增益調(diào)制效應(yīng)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換中小信號(hào)頻

4、率響應(yīng)的解析表達(dá)式。通過此模型理論分析了SOA 各參數(shù)，包括腔長(zhǎng)、偏置電流以及腔內(nèi)損耗對(duì)頻譜響應(yīng)曲線的影響。同時(shí)結(jié)果還表明，由于長(zhǎng)腔長(zhǎng)中SOA 更接近飽和，增益色散對(duì)小信號(hào)調(diào)制特性的影響在長(zhǎng)腔長(zhǎng)波導(dǎo)中比短腔長(zhǎng)更為明顯。最后模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的小信號(hào)頻率響應(yīng)特性曲線進(jìn)行了比較。
　　 (4)首次理論推導(dǎo)了有源增益腔內(nèi)考慮端面反射時(shí)放大的自發(fā)輻射噪聲（ASE）的頻譜特性的解析公式。通過分段模型與頻譜切割，數(shù)值模擬了ASE 在腔內(nèi)傳

5、播的縱向相關(guān)的光強(qiáng)分布與有源腔前后端面出射的ASE的頻譜特性。以此公式建立的寬帶模型采用牛頓迭代與并行計(jì)算控制收斂速度，實(shí)現(xiàn)了高效的數(shù)值模擬。通過此模型，我們理論分析了透明波長(zhǎng)輔助光注入和一定端面反射設(shè)計(jì)對(duì)SOA中增益恢復(fù)的加速作用，并分別評(píng)估了兩種方案中與SOA 靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性相關(guān)的參數(shù)。模擬結(jié)果表明，兩種方案都能有效加速SOA中的增益恢復(fù)，并對(duì)基于交叉增益調(diào)制效應(yīng)和交叉相位調(diào)制效應(yīng)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中輸出信號(hào)的質(zhì)量有明顯改善作用。在

6、基于端面反射的設(shè)計(jì)中，我們提出一種半反射的結(jié)構(gòu)。理論研究表明這種結(jié)構(gòu)的SOA 在基于交叉增益調(diào)制效應(yīng)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方案中采用向下波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，而在基于交叉相位調(diào)制效應(yīng)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方案中采用向上波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換能得到更好的結(jié)果。
　　 (5)采用非絕熱模型理論分析了脈沖寬度在SOA 載流子溫度弛豫特征時(shí)間量級(jí)時(shí)，基于SOA和失諧濾波器的瞬態(tài)交叉相位調(diào)制效應(yīng)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換中輸出波形的非線性碼型效應(yīng)。提出一種采用增益帶內(nèi)的保持光注入的方案來抑制輸出波形的非

7、線性碼型效應(yīng)，從而改善輸出信號(hào)質(zhì)量。通過數(shù)值模擬分析了不同波長(zhǎng)的探測(cè)光在增益峰值處的泵浦超短光脈沖入射SOA時(shí)的增益和SOA 載流子溫度的超快動(dòng)態(tài)特性。并通過Kramers-Kronig 積分關(guān)系數(shù)值計(jì)算了探測(cè)光相位的超快動(dòng)態(tài)特性。通過數(shù)值計(jì)算比較了沒有輔助光和輔助光以正向和逆向傳播時(shí)輸出探測(cè)光波形的非線性碼型效應(yīng)。理論證實(shí)了輔助光入射能有效抑制輸出信號(hào)的非線性碼型效應(yīng)。同時(shí)提出了在向上的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方案中，輔助光逆向傳播時(shí)，對(duì)輸出信號(hào)的非

8、線性碼型效應(yīng)的抑制最為明顯。
　　 (6)提出一種基于級(jí)聯(lián)SOA和電吸收調(diào)制器（EAM）的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器來降低波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)的碼型效應(yīng)。通過采用考慮增益壓縮的絕熱模型理論分析了此種半導(dǎo)體波導(dǎo)在不同EAM 長(zhǎng)度時(shí)都能通過調(diào)整EAM的偏置電壓和延時(shí)線來優(yōu)化輸出信號(hào)質(zhì)量。
　　 同時(shí)通過對(duì)接收機(jī)電路的模擬，理論證明了當(dāng)調(diào)整EAM的偏置電壓以改變EAM中的載流子掃除時(shí)間時(shí)能獲得級(jí)聯(lián)SOA-EAM的輸出信號(hào)相對(duì)于單個(gè)SOA的最優(yōu)功率

9、代價(jià)。
　　 通過對(duì)不同速率的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的模擬，得出在更高速傳輸系統(tǒng)中，此波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器在理想情況下輸出眼圖質(zhì)量?jī)H受限于SOA的超快響應(yīng)特征時(shí)間，一般為1～2個(gè)皮秒。實(shí)驗(yàn)通過10GHz 重復(fù)頻率的鎖模超短脈沖入射，證實(shí)了此方案的有效性。同時(shí)對(duì)此波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器使用歸零碼（RZ）泵浦信號(hào)輸入，能得到合并了交叉增益調(diào)制和交叉吸收調(diào)制的超寬帶高斯單邊信號(hào)（Monocycle）和高斯雙邊信號(hào)（Doublet）波形輸出。輸出波形可以通過調(diào)整可調(diào)諧