半导体量子点光放大器的理论研究与在超高速光开关中的应用

论文摘要

近些年来,量子点半导体光放大器（QD-SOA）因其优越的性能而被认为在未来高速全光网络中具有极大的潜在应用价值。国内外相关研究表明,QD-SOA已经可以初步满足信号传输速率大于160Gb/s的超高速全光信号处理。本论文结合QD-SOA的基本物理机制和信号处理相关的理论知识,以Matlab程序仿真为主要研究方法,对QD-SOA的基础理论和和在超高速光开关中的应用进行研究。在稳态特性研究方面,从速率方程出发,进行QD-SOA相关稳态特性的数值和解析研究,编写Matlab程序验证研究结果,进行相关的理论分析,与已有的实验结果进行对比,进而获得相关结论。在动态特性方面,用时域有限差分算法对含时的速率方程进行计算,考察脉冲信号输入的情况下QD-SOA表现出来的增益恢复特性和相位恢复特性,同时考虑了增益和相位之间的异步性。将所得Matlab程序的计算结果与相关实验研究结果相对照,在验证其动态特性的同时,为超高速光开关的数值仿真奠定了基础。在应用研究方面,重点研究了基于QD-SOA的马赫-曾德尔干涉仪型光开关在超高速信号处理中的应用。本论文并结合已有基础理论研究的相关结论,设计出符合QD-SOA特性的的光开关结构,用MATLAB程序仿真超高速光信号在所设计的功能模块或系统中的传输特性,分析其与普通SOA形成光开关相比的性能优势,并且根据QD-SOA形成关开关结构的优缺点,进一步改进了光开关结构,以期新型超高速开光窗口平坦的光开关结构对实际的超高速信号处理提供前瞻性的参考。同时还采用不同耦合器系数比的嵌入QD-SOA的马赫-曾德尔干涉仪,分析其开光窗口特性以及对比度对开光性能的影响,从而得到更加理想的全光开关设计参数。

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 光纤通信技术的发展过程、现状与趋势
• 1.2 量子点半导体光放大器的研究意义及研究进展
• 1.3 本论文的结构安排
• 第二章 半导体光放大器的基本原理
• 2.1 引言
• 2.2 半导体光放大器（SOA）的基本原理与器件特性
• 2.2.1 Bulk-SOA的基本原理
• 2.2.2 Bulk-SOA的器件特性
• 2.2.3 Bulk-SOA的基础理论
• 2.3 量子点半导体光放大器（QD-SOA）基本特性
• 2.3.1 QD-SOA速率方程及增益、折射率表达式
• 2.3.2 增益表达式的数值分析
• 2.3.3 QD-SOA相位表达式
• 2.4 小结
• 第三章 基于QD-SOA的超高速光开关研究
• 3.1 基于SOA的全光开关的研究
• 3.1.1 增益以及相位变化表达式
• 3.1.2 马赫-曾德尔干涉仪（MZI）模型及窗口表达式
• 3.1.3 基于SOA的SMI型光开关的数值仿真
• 3.2 基于QD-SOA的全光开关的研究
• 3.2.1 QD-SOA的理论模型
• 3.2.2 增益以及相位变化表达式
• 3.2.3 马赫-曾德尔干涉仪（MZI）模型
• 3.2.4 基于QD-SOA的SMI型光开关的数值仿真
• 3.2.5 基于Bulk-SOA和QD-SOA形成光开关窗口形状分析和对比
• 3.3 基于QD-SOA的改进型全光开关的研究
• 3.3.1 改造后的马赫-曾德尔干涉仪（MZI）结构
• 3.3.2 改进型基于QD-SOA的MZI型光开关性能的仿真
• 3.4 小结
• 第四章 基于QD-SOA的非对称性马赫-曾德尔干涉仪型光开关的对比度系数研究
• 4.1 基本模型
• 4.1.1 基于QD-SOA的非对称性马赫-曾德尔干涉仪型光开关的基本模型
• 4.1.2 马赫-曾德尔干涉仪（MZI）模型及上下臂窗口表达式
• 4.1.3 对比度系数表达式
• 4.2 模型仿真与结论分析
• 4.3 小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表论文情况
• 致谢