半導體光放大器的高速動態(tài)特性及應用于光信號處理的基礎研究.pdf

1、互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的飛速發(fā)展，對光通信網(wǎng)絡的帶寬需求越來越大，推動光通信網(wǎng)絡向具有超高速光傳輸和大容量光交換能力的全光網(wǎng)絡方向發(fā)展。其中，骨干網(wǎng)中網(wǎng)絡節(jié)點的全光透明對具備全光信號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、集成化的全光信號處理集成芯片成為關鍵。半導體光放大器（SOA）具有非線性大、體積小、功耗低、易于集成等優(yōu)點被認為是全光信號處理中非常有前景的非線性光學器件，因而成為國內(nèi)外研究的熱點。但是SOA存在載流子恢復速度慢，

2、難以實現(xiàn)超高工作速率的缺點。針對超高速全光信號處理對 SOA工作速率的要求，本文對 SOA的增益、相位動態(tài)中的超快動態(tài)特性及相關的一些基本物理問題進行了深入研究，主要的研究成果和貢獻有以下幾個方面：
　　1.全面介紹和分析了與 SOA超快動態(tài)特性相關的載流子速率方程及光波動方程。根據(jù)研究SOA超快動態(tài)特性和超高速光信號處理的要求，建立了一個包含帶內(nèi)、帶間物理效應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)非線性效應對SOA增益和相位的貢獻，數(shù)值論證了SOA相位恢復中存在超快的恢復過程。深入分析了SOA相位恢復特性與脈沖寬度的關系，發(fā)現(xiàn)在超短光脈沖入射條件下，SOA中會存在較強的載流子加熱效應，使得SOA的相位動態(tài)中出現(xiàn)超快的恢復過程；在分析帶內(nèi)、帶間非線性效應與泵浦脈沖在時間上對應關系的基礎上，解釋了相位和增益之間存在時間延遲的原因，并進一步分析了時延與泵浦脈沖寬度及泵浦脈沖峰值功率的變化關系；分析了載流子壽命與工作條件

4、的關系，研究了直流光功率、SOA的工作電流和SOA有源區(qū)的長度對 SOA增益恢復速度的影響，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（pump-probe）的實驗方案，實驗驗證了 SOA相位中存在超快的恢復過程。結果顯示在寬度為2ps的泵浦光脈沖輸入下，超快相位恢復過程的持續(xù)時間約為2ps，對于相位恢復的貢獻約為20％（0.15弧度）?；跍y量的SOA增益變化和相位變化，分析了SOA線寬增強因子的時分

5、變化特性；結果顯示在短脈沖入射下，由于SOA中的超快非線性效應具有不同的增益和相位響應，導致SOA的線寬增強因子表現(xiàn)出較為強烈的變化，其中與載流子密度相關的線寬增強因子最小值約為4.5，并隨著載流子密度的恢復而逐漸增大。
　　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導致 SOA載流子恢復速度的增大從而引起 SOA藍移啁啾的增大。深入分析了碼型效應引起的SOA啁啾變化特性并解釋了相關的物理原

6、因，在此基礎上系統(tǒng)地論述了失諧濾波技術消除碼型效應的原理。論證了采用失諧濾波技術能夠實現(xiàn)640Gbit/s的全光波長轉換。
　　5.研究了對向傳輸模式下SOA的超快動態(tài)特性。發(fā)現(xiàn)在對向傳輸模式下SOA增益和相位動態(tài)中具有相對較小的超快恢復過程，同時具有大的增益飽和時間，導致SOA很難具有高的工作速率；提出通過減小SOA的長度來增加SOA增益和相位的超快恢復過程以實現(xiàn)對向傳輸模式下的超高速光信號處理的解決方案。
　　6.研究了