单片集成DBR型可调谐半导体激光器的研究

论文摘要

随着人们对通信带宽需求的不断增加,光网络从单一传输功能的静态网络向同时具备传输和路由功能的动态网络演变。可调谐半导体激光器由于具有灵活的多波长选择性激射特性,将成为未来光网络中的重要器件。随着人们对光传输技术研究的不断深入,各种类型的可调谐激光器也随之产生。DBR型可调谐半导体激光器,凭借其在单片集成和快速切换方面的优势,受到各国研发机构的广泛关注。本文通过采用一种适合单片集成DBR型可调谐半导体激光器的理论模型,对其特性进行了分析研究,主要有以下几个方面:（1）从半导体物理基本理论出发,研究了半导体激光器的增益模型。以简单的法布里-珀罗激光器结构为例,分析了半导体激光器的阈值条件,纵模特性。介绍了基于电磁场理论的多模速率方程,并讨论了半导体中载流子和光子的转换过程。在此基础上推导出输出光功率,阈值电流的计算方法,为研究DBR型可调谐半导体激光器奠定基础。（2）通过对比不同可调谐半导体激光器的模拟方法,发现基于矩阵计算的传输矩阵方法更加符合单片集成DBR型可调半导体激光器的结构特点。为了更好的运用这种方法,我们对其模型算法进行了详细的描述,具体包括传输矩阵的建立,组合和分析。（3）在理论分析的基础上,采用传输矩阵方法分别对三节DBR激光器和四节SGDBR激光器的静态调谐特性进行了模拟研究,包括三节DBR激光器激射波长、输出光功率和阈值电流的静态调谐曲线以及四节SGDBR激光器激射波长静态调谐曲线。（4）采用静态调谐曲线和多模速率方程相结合的方法,分别对三节DBR和四节SGDBR激光器的模式切换特性进行了模拟分析。通过分析不同切换电流下的瞬态过程,得到了切换时间优化和减小信道间串扰的启示。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 光网络的发展趋势
• 1.2 可调谐半导体激光器的发展及其应用
• 1.3 DBR 型单片集成可调谐半导体激光器
• 1.4 本文的主要工作
• 2 半导体激光器的基本原理及特性
• 2.1 半导体激光器中的增益
• 2.2 法布里-珀罗半导体激光器
• 2.3 速率方程
• 2.4 本章小结
• 3 DBR 型可调谐半导体激光器的理论模型
• 3.1 半导体激光器理论模型的比较
• 3.2 传输矩阵方法
• 3.3 电流导致折射率变化的机理
• 3.4 基于传输矩阵的模拟方法
• 3.5 本章小结
• 4 DBR 型可调谐半导体激光器的静态调谐特性
• 4.1 三节DBR 激光器
• 4.1.1 布拉格光栅节
• 4.1.2 相位节
• 4.1.3 同时改变DBR 节和相位节电流
• 4.2 四节SGDBR 激光器
• 4.2.1 采样光栅
• 4.2.2 四节SGDBR 激光器的调谐特性
• 4.3 本章小结
• 5 DBR 型可调谐半导体激光器的动态切换特性
• 5.1 三节DBR 激光器的动态切换特性
• 5.2 SGDBR 激光器的动态切换特性
• 5.3 本章小结
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表论文目录