硅基掺铒狭缝波导光放大器的研究

论文摘要

近年来，平面集成光学在光通信系统中显示出越来越重要的地位。无源光器件技术正日渐成熟并成功商业化，接下来需要研究的就是可与之集成的光放大器以用来补偿元件损耗。掺铒光纤放大器在长距离光纤通信系统中已得到广泛应用，该技术同样可应用于平面波导光放大器，然而当器件尺寸由长距离光纤（典型值为40m）减小到光电集成器件尺寸时，为了获得同等的光学增益，需要增加掺铒浓度，事实证明一些在光纤放大器中不重要的物理过程在波导放大器中会非常明显。因此当前的主要任务是研究光学增益的限制因素并找出最合适的材料和结构。本论文研究了如何设计基于绝缘体上硅（SOI）晶片的掺铒波导光放大器（EDWA），以及利用硅基狭缝波导结构在低功耗和小尺寸下获得高增益，主要做了以下工作：（1）基于导波光学和有限元法（FEM）进行光波导光场分布计算，同时提出了将狭缝波导结构的场增强和限制效应应用于EDWA中，以达到低功耗、小尺寸和高增益的目的；（2）给出了EDWA的四级数值模型，考虑亚稳态的协同上转换效应并结合功率传输方程，建立了基于龙格-库塔迭代法的理论计算模型；（3）详细介绍了如何确定狭缝EDWA的结构参数，并结合实例讨论了如何在增益、功耗、阈值、尺寸等方面对器件的各参数进行总体优化。在有相当水平的增益时与普通EDWA相比，狭缝EDWA具有明显优势，其波导长度由分米降至厘米，阈值功耗下降了近百倍，增益饱和时的功耗下降了几十倍；（4）进一步探讨了结合增益和慢光时光放大效果的改善，提出了慢光增强增益的基本思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光放大器的分类
• 1.3 EDWA 的国内外研究进展
• 1.4 本论文完成的主要工作
• 2 光波导结构设计理论基础
• 2.1 光场在波导中的场强分布求解方法
• 2.2 狭缝波导结构的工作原理
• 2.3 本章小结
• 3 掺铒光波导放大器的理论基础
• 3.1 波导光放大器的基本结构
• 3.2 铒离子能级结构及基本跃迁特性
• 3.3 放大器主要性能参数
• 3.4 掺铒光波导放大器的数值模型
• 3.5 本章小结
• 4 掺铒狭缝波导放大器的优化设计
• 4.1 波导结构的优化设计
• 4.2 各项结构参数对增益性能的影响
• 4.3 其他参数对增益性能的影响
• 4.4 本章小结
• 5 慢光增强增益的探索性研究
• 5.1 对传统掺铒增益计算的理论修正
• 5.2 慢光增强 EDWA 增益性能的探讨
• 5.3 本章小结
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献