量子阱半導(dǎo)體光放大器非線性效應(yīng)研究.pdf

1、光網(wǎng)絡(luò)中光信號的傳輸速率以及處理速率越來越高,對光電子器件提出了更高的要求。光電子器件朝著多功能、低功耗和集成化的方向發(fā)展。半導(dǎo)體光放大器(SOA)由于其功耗低、非線性效應(yīng)豐富以及易于集成等優(yōu)點(diǎn),在全光信號處理中有著廣泛的用途。但是在不同的應(yīng)用場合,需要SOA具備不同的性能,這就需要通過優(yōu)化SOA的材料和結(jié)構(gòu)來適應(yīng)于各種不同的應(yīng)用場合。本論文針對SOA在不同功能中的應(yīng)用需求,基于能帶工程對量子阱(QW)SOA有源區(qū)中的阱材料、阱寬、量子

2、阱數(shù)目等參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)地優(yōu)化,并結(jié)合具體的應(yīng)用進(jìn)行了理論和實(shí)驗研究。本論文取得的研究成果主要有:
　　(1)建立了一套完善的理論分析模型體系,從能帶理論出發(fā)計算出能帶結(jié)構(gòu)(波函數(shù)以及對應(yīng)的能量特征值),為分析光與物質(zhì)的相互作用提供了理論基礎(chǔ)。在數(shù)值模型中,我們將材料穩(wěn)態(tài)模型和動態(tài)速率模型結(jié)合起來,能更加精確的求解QW-SOA的各種非線性效應(yīng)。
　　(2)通過數(shù)值分析,我們提出了一種優(yōu)化的QW-SOA結(jié)構(gòu),可以提高帶內(nèi)載流子弛豫

3、速率。這種量子阱結(jié)構(gòu)的主要特征是在導(dǎo)帶中的第1子帶和第2子帶的帶隙差為一個縱向光學(xué)聲子的能量(36meV)。電子與聲子的能量交換速率大大增強(qiáng),從而使得電子在導(dǎo)帶中的能量弛豫速率顯著增強(qiáng)。
　　(3)基于數(shù)值分析,我們提出了一種非對稱QW-SOA結(jié)構(gòu),可以顯著地提高增益恢復(fù)速率。在有源區(qū)中由一個深阱和一個淺阱構(gòu)成一個小單元,并且兩個阱之間的勢壘比較薄,兩阱之間具有比較高的電子隧穿效率。通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計,小單元中的深阱是‘有源區(qū)’,

4、而淺阱是一個比較完美的‘載流子庫’,能夠?qū)ι钰逯械妮d流子進(jìn)行快速補(bǔ)充,這樣可以加速載流子的恢復(fù)。
　　(4)我們基于能帶理論分析了QW-SOA中的交叉相位調(diào)制效應(yīng)(XPM),交叉增益調(diào)制效應(yīng)(XGM)以及三階非線性極化率。首先分析了載流子溫度和載流子濃度對有源區(qū)折射率的影響進(jìn)而對光信號相位的影響。分析了不同的工作條件下,相位和幅度的變化關(guān)系。我們還理論分析了QW-SOA中的兩種α因子(αN和αT)。探討了材料結(jié)構(gòu),有源區(qū)設(shè)計以及操

5、作條件對這兩種α的影響。同時,還分析了QW-SOA中的三階非線性極化率。提出一種非對稱QW-SOA結(jié)構(gòu)能夠顯著增強(qiáng)材料三階非線性極化率。
　　(5)盡管QW-SOA的增益和相位都有比較強(qiáng)的波長相關(guān)性,但是我們理論證明了QW-SOA級聯(lián)光學(xué)濾波器的方案可以用于較大波長范圍內(nèi)的同相和反相波長轉(zhuǎn)換。在模擬實(shí)驗方案中,波長轉(zhuǎn)換器主要是由一個普通的QW-SOA級聯(lián)一個高斯型光學(xué)濾波器(BPF)構(gòu)成的。我們發(fā)現(xiàn)在比較大的波長調(diào)節(jié)范圍內(nèi)均能得到

6、較好質(zhì)量的同相和反相波長轉(zhuǎn)換結(jié)果。盡管普通的QW-SOA具有比較強(qiáng)的波長相關(guān)性,但是BPF可以減輕甚至擦除這種波長相關(guān)性。
　　(6)基于理論模型,我們提出一種新型的QW-SOA,由于這種新型的QW-SOA有比較小的線寬增強(qiáng)因子,可以進(jìn)行歸零-差分相移鍵控(RZ-DPSK)信號的幅度再生。這種QW-SOA最大的特點(diǎn)就是微分增益較大且線寬增強(qiáng)因子比較小。利用這種類型的QW-SOA,RZ-DPSK信號的功率抖動得到了均衡而由QW-SO

7、A有源區(qū)所引起的相位抖動比較小。另外一方面,這種QW-SOA還可以通過時隙間插的方法用于雙通道和四通道的RZ-DPSK信號的再生。因此可以實(shí)現(xiàn)多路信號同時處理。
　　(7)進(jìn)行了高速波長轉(zhuǎn)換和信號再生的實(shí)驗研究。通過優(yōu)化工作條件,我們基于單個普通QW-SOA實(shí)現(xiàn)了RZ-DPSK信號的再生。同時我們還進(jìn)行了雙通道RZ-DPSK信號的再生方案實(shí)驗驗證。通過時隙間插的方法對兩路有功率抖動的信號同時進(jìn)行再生。另外,我們也實(shí)驗驗證了基于單個