垂直腔半导体光放大器增益饱和及波长双稳特性的研究

论文摘要

光放大器是现今光通信网络中的关键光电器件。随着垂直腔光电器件的发展，一种基于垂直微型Fabry-Perot谐振腔结构的半导体光放大器——垂直腔半导体光放大器（VCSOA）被提出，并在近几年来迅速发展。VCSOA相比传统边发射半导体光放大器来说，具有对光纤耦合效率高、偏振不敏感、易于二维集成等优点，在新一代光通信网络、光信息处理、光计算等领域有着广泛的潜在应用前景。由于现有的VCSOA速率方程模型中，光注入耦合效率η及镜面损耗都是和放大器增益有关的变量，使用起来不方便，并且在推导过程中还忽略了自发辐射因子的影响。因此本文直接从Fabry-Perot腔边界条件出发，导出腔内光子浓度与输入信号光功率之间的关系，并和速率方程中的载流子方程相结合，用以研究VCSOA的相关特性。Adams等人曾用此种方法研究边发射半导体光放大器的相关特性。而对于本文研究的VCSOA面发射微腔结构器件，和边发射器件有很大的不同，需要考虑的因素有：①它通过将多量子阱堆生长在腔内驻波波峰处来增强单程增益，驻波效应显得尤为重要，需要引入增益增强因子ξ来反映这一效应。②当VCSOA有源腔截面积较小时，由于衍射作用，DBR端面等效反射率降低，必须修正F-P腔边界条件。在考虑前述因素的基础上，本文研究了VCSOA的有源腔截面积，DBR端面周期，泵浦电流密度，以及自发辐射因子对增益饱和特性的影响。目前针对VCSOA双稳特性的研究工作，主要集中在输出光功率双稳特性上。本文从腔内平均光子浓度与输入信号光功率的关系出发，考虑到腔内载流子密度和有效折射率之间的变化关系，首次数值研究了VCSOA在反射模式下的波长双稳特性，分析了出现波长双稳现象的条件，探讨了波长双稳态的环宽与其可调参数（泵浦电流密度，顶层端面反射率，输入光功率）之间的关系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 VCSOA的发展
• 1.3 VCSOA的结构及特点
• 1.4 VCSOA主要理论模型
• 1.5 本文研究工作
• 第2章 理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 DBR等效反射率
• 2.3 修正后的F-P腔边界条件
• 2.4 修正后的增益公式
• 2.5 有源腔内平均光子浓度
• 2.6 小结
• 第3章 VCSOA增益饱和特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 数值分析模型主要参数
• 3.3 影响VCSOA增益饱和特性的因素
• 3.3.1 有源腔截面积对VCSOA增益饱和特性的影响
• 3.3.2 DBR端面周期对VCSOA增益饱和特性的影响
• 3.3.3 泵浦电流密度对VCSOA增益饱和特性的影响
• 3.3.4 自发辐射因子对VCSOA增益饱和特性的影响
• 3.4 小结
• 第4章 VCSOA波长双稳特性分析
• 4.1 引言
• 4.2 VCSOA波长双稳特性的产生原因
• 4.3 影响VCSOA波长双稳环宽度因素分析
• 4.3.1 泵浦电流密度对VCSOA波长双稳环宽度的影响
• 4.3.2 顶层端面反射率对VCSOA波长双稳环宽度的影响
• 4.3.3 输入光功率对VCSOA波长双稳环宽度的影响
• 4.4 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文