半导体放大器双稳的毕业论文

目录III目 录第一章 引言 .11.1 课题研究背景 .11.2 世界各国研究开发现状及优缺点 .21.3 研究意义 .31.4 主要工作 .4第二章 半导体光放大器相关理论 .52.1 基本物理模型 .52.1.1 基本结构 .52.1.2 PN 结的光增益 .62.1.3 半导体 PN 结 .62.1.4 双异质结 .72.1.5 端面反射率 .72.2 半导体光放大器的各项参数 .72.2.1 半导体内光与载流子的相互作用 .82.2.2 自发复合速率与载流子寿命 .92.2.3 线宽增强因子 .102.2.4 光功率限制因子 .102.2.5 腔内平均光子浓度 .112.2.6 载流子速率方程 .122.2.7 半导体内的载流子感应折射率变化 .122.3 FPSOA 的增益 .132.4 小结 .14第三章 光学双稳态相关理论 .153.1 双稳态简介 .153.2 光双稳器件 .153.3 光学双稳态理论 .163.4 光学双稳态的应用 .173.4.1 光开关 .17目录IV3.4.2 稳定光源光强 .183.4.3 波长切换 .19第四章 功率双稳模型的建立 .214.1 理论分析 .214.2 相关公式推导 .224.3 模型建立过程 .254.4 小结 .26第五章 对仿真模型的计算与分析 .285.1 偏置电流的影响 .285.2 初始相位失谐量的影响 .295.3 顶端反射率的影响 .315.4 小结 .33第六章 结束语 .346.1 本文内容 .346.2 下一步学习工作方向 .34参考文献 .35致谢 .37外文资料原文 .38外文资料译文 .41摘要I摘 要光放大器是现今光通信网络中的关键光学器件。本文主要讨论分析了通过设定平均光强为中间变量、引入载流子速率方程建立法布里珀罗光放大器（FPSOA）功率双稳模型的过程，从理论上给出了偏置电流、相位失谐量、线宽展宽因子、顶端面反射率等参数对 FPSOA 的跳变点、双稳环宽，开关功率等物理特性的影响，并在 matlab 中仿真。FPSOA 具有一些特殊的性质，能够优化在光信号处理中的性能，但少有研究，所以研究它的双稳特性具有重要的意义。关键词：FPSOA ，功率双稳模型，双稳环宽，跳变点ABSTRACTIIAbstractOptical amplifier is the key optp-electric device in modern optical communications.This article focuses on analyses by setting the average light as the middle variable, adding the rate equation of carrier to build Fabry-perot amplifier (FPSOA) power bistable model, We find out the bias current,linewidth enhancement factor,initial phase detuning,top mirror reflectivity of FPSOA,are used to control the optical power switching,the contrast ratio,and the wider of the hysteresis cycle,which can adjust the optical switching process.FPSOA Have some special properties,To optimize the performance of optical signal processing,but there are few Research,So the bistable characteristics of it is of great importance.Keywords: FPSOA, Power bistable model, The loop width, Jump Point第一章 引言1第一章 引言在高度信息化的今天，通信已经成为了人们日常生活的一部分，各种通信新业务的出现和使用者的增多，无疑对通信网容量提出了极大的挑战。而光通信 2以其高速率、大容量、可透明传送数据等优点，从一开始就吸引着人们的目光。现在光纤技术已经成为全球信息的最主要的承载体，从各国之间的国际光缆到国内的长途干线网无处不是光纤技术的贡献。人们已共同意识到未来光网络应具有的能力包括：具有能传输各种业务几乎无限的带宽，能透明传输数据以使通信终端能灵活方便的升级和选择路由，而光放大器使得上述光网络优势的实现成为可能。传统的光信号放大技术采用光-电-光方法 1，这种结构的光纤通信系统对长距离信号传输存在几个明显的不足：(1)由于沿途需要设置很多中继站并采用很多电子和光电子器件，极大地增加了系统的建设以及运行和维护成本。同时也减低了系统的可靠性；(2)由于中继器中电子电路响应速度和带宽的限制，使得对使用原有系统进行高速率信号传输受到“电子瓶颈”的影响而变得十分困难；(3)建造多波长中继器的复杂性使得利用 DWDM 技术对系统进行大规模扩容升级几乎不可能实现。如果能够不经过光电和电光转换而直接对衰减了的光信号进行放大，则上述闯题均可以迎刃而解，因此对各种光放大技术的研究对光纤通信系统的发展意义十分重大，一直是光纤通信和光电子技术领域的一个倍受关注的热点研究与开发方向。1.1 课题研究背景半导体光放大器是出现最早的光放大器，它的基本结构类似于无反馈或反馈量不足以引起振荡的半导体激光器SOA 在正偏压、强注入电流作用下，有源区半导体内的导带与价带间由于非平衡载流子的注入而形成粒子数分布反转，在入射光作用下通过受激跃迁产生光增益，使输入光信号得到放大 3。在 60 年代半导体激光二极管尚未成熟，但已在温度力 77K 下，首先进行了GaAs 同质结行波半导体放大器的研究，开创了半导体光放大器研究的先河，确立了半导体光放大器的基本理论。至 1970 年，双异质结结构激光器问世后，又实电子科技大学学士学位论文2现了行波(TW)半导体光放大器的室温连续工作。在 1973 年至 1975 年问，开始从光纤通信应用要求出发研究双异质结结构行波(TW)型和法布里珀罗(F-P)型光放大器 4的特性并取得重要进展，其中在 1970，zeidle 和 personic 进行了最初的SOA 实验。80 年代初，采用消除反射光的光隔离器和精确的光频率调谐技术，深入研究了 AIGaAs F-P 光放大器 5的增益、带宽、饱和增益与噪声特性及其对光纤通信系统性能的影响。同时开始研究半导体放大器的注入锬定现象、机理、设计和放大特性。80 年代中期开始研究适用于 1.3m 和 1.5m 波长的 InGaAsP 半导体光放大器。90 年代以前 SOA 的研究主要集中在 SOA 的增益、饱和增益、噪声、带宽、饱和输出功率等主要特性上。90 年代初，低噪声掺铒光纤放大器(EDFA)的出现使 SOA 的功率放大功能在光纤线路放大方面的地位受到了极大的挑战，1.55m 窗口的在线放大功能基本上由 EDFA 完全取代。进入 90 年代以后，由于量子阱、超晶格技术的发展，特别是应变量子阱技术的日趋成熟，半导体光放大器的研究进入了一个新的空间，半导体光放大器的性能得到全面和大幅度的提高，特别是增益的偏振灵敏度、噪声指数已明显降低，已达到和 EDFA 相比拟的水平，饱和输出功率、小信号增益也有显著提高。光学双稳态 6是指光学系统中在一定的输入范围内对给定的输入存在着两种可能的输出状态的现象.值得注意的是,这两种状态必须可以互相转换.以光强状态为例,具有光学双稳态的系统,其输出光强和输入光强的关系呈现滞后回线.光学双稳态的必要条件是系统同时具有光学非线性和反馈机制两个因素.反馈的作用是重要的:两个输出状态的稳定性是由系统的负反馈决定而两个输出间的快速转换则起因于系统的正反馈.具有光学双稳态的光学器件称之为光双稳器件.非线性法布里一拍罗标准具是典型的光双稳器件.这种器件由非线性光学材料和反馈光腔构成.在强光的作用下,介质的非线性参数(非线性吸收系数或非线性折射率)发生变化,从而引起透射光强发生变化.光强的变化进一步引起非线性参数的变化.在光腔的反馈作用下,这种变化形成正反馈过程,因而产生光学双稳态.1.2 世界各国研究开发现状和优缺点在欧洲，在欧共体的 ESPRIT 和 RACE 计划基金支持下，许多欧洲大公司正在从事 SOA 研究和开发，其工作中心主要集中于电信应用的 SOA 器件和子系统，最具实力的公司是 Uniphase 和 Philips，他们主要进行 SOA 器件和子系统的第一章 引言3生产尝试。其它公司，如 Siemens、Optpspeed、Kamelian 也启动对 SOA 开发。在北美，SOA 开发主要由美国防御先进的规划机构支持，最终使用主要瞄准在与防御相关的纤维光学线路、卫星光波通信和光计算机。Lucent 技术 Bell 实验室继续领导 SOA 的研究和开发工作。最近几年内，一些新的北美公司 (如Genoa、Agility 和 Axon)也开始从事 SOA 器件和子系统开发。日本的 SOA 开发工作主要瞄准实用化商用产品开发，以 NEC、Mitsubishi 和 NTT 为代表的公司致力于分组交换的 SOA 产品，据报道已开发出30dB 增益和 6dB 噪声值的 SOA 器件。最近又提出一种新的光放大器的理论：LOA。LOA 是在有源区的上下面之间设有反射层，在激光器发生振荡时，增益与反射镜的反射率之积为 1，也就是说当激光器的反射率一定时，其增益也保持一定。2003 年 NEC 公司采用了 Genoa公司的第二代线性光放大器芯片，以及 EML 芯片和调制驱动芯片，推出了传输距离达 80km、10Gbps 光转发器。2003 年 4 月美国 Finisar 公司并购了 Genoa 并成功推出了 LOA 的商品G111，它不但可以提供可靠增益(8nm 带宽增益平坦度 7为 0.5，整个带宽增益平坦度为 1.0)，并在 40Gbps 的 DWDM 系统中极好地抑制了串扰。这种 LOA 的参数：带宽 15301565nm，增益 17dB，输出10dBm，工作电流 200300mA。半导体光放大器的主要优点：(a)工作波长范围大。基于 InGaAsP/In 材料系的 SOA 能够覆盖全部的光纤低损耗窗口。(b) 体积小、结构简单、功耗低、反应速度快；(c)可与其它有源和无源光电子器件进行混合或单片集成。半导体光放大器存在的主要缺点：(a)不同波长通道间存在较强的交叉增益调制与非线性相互作用；(b)为消除SOA 端面反射所形成的 Fabry-Perot 效应，需要在端面上镀抗反射膜，增加了工艺难度和制作成本。（C)在与光纤进行耦合时，芯片两端与光纤的耦合损耗均在3dB 以上； (d)SOA 输入端与光纤的耦合损耗将直接表现为放大器噪声因子的增加，造成 SOA 噪声特性的劣化。1.3 研究意义利用法布里一珀罗半导体光放大器的信号处理功能，能大大优化它的性能。所以分析 FPSOA 的双稳特性具有十分重要的意义。另外，对半导体光放大器的电子科技大学学士学位论文4数值建模与仿真分析是对其进行分析与设计的基本技术基础。同实验研究相比，它具有简单、方便、分析设计速度快、成本低廉等优点。同时，它同实验研究也是相辅相成的，通过仿真分析可以指导实验研究，而实验结果又可以为仿真分析中所使用的模型与参数的改进提供可靠的依据。1.4 主要工作本论文的主要研究内容是研究和分析半导体的双稳态，根据边界条件以及 F-P 腔的标准理论得到腔内平均光子数与输入信号光功率之间的关系，结合载流子密度的速率方程，并考虑到半导体光放大器有源腔有效折射率和载流子浓度之间的关系来分析半导体光放大器的功率双稳特性 8。通过建立出理论模型，来确定产生双稳态的必要条件，并且寻找控制双稳环宽度的途径。第二章 半导体光放大器相关理论5第二章 半导体光放大器相关理论2.1 基本物理模型2.1.1 基本结构半导体光放大器是出现最早的光放大器，它类似于一个无反馈或反馈量不足以引起激射的半导体激光器，其基本结构是一个半导体 PN 结，SOA 在正偏压、强注入电流作用下，有源区半导体内的导带与价带间由于非平衡载流子的注入而形成粒子数分布反转，在入射光作用下通过受激跃迁产生光增益，使输入光信号得到放大。SOA 两端施以抗反射涂层，以减小半导体材料与空气分界面上的菲涅尔反射。半导体光放大器还包括了数个外延生长的材料层，其中最主要的是有源层，有源层内的载流子是由加在半导体 PN 结上的正向偏置电流注入的。在采用双异质结构的半导体光放大器中，有源层周围是具有较低折射率的宽带隙材料，而有源层的半导体材料通常具有较高的折射率和较窄的带隙，从而对注入载流子和光场形成有效的限制，使器件的注入效率和受激辐射效率大大提高。半导体光放大器现在主要利用其非线性大的优点，用予波长变换，光开关和光逻辑器件等方面，同时短距离的中继放大也可采用半导体光放大器图 2-1 半导体光放大器结构示意图通常光半导体放大器分为两大类：一种是将普通半导体激光器用作光放大器，称为法布里-珀罗(F-P)半导体激光放大器，另一种是在 F-P 激光器的两个端面上电子科技大学学士学位论文6涂上抗反射膜，以获得宽频、低噪的高输出特性。由于这种放大器是在光行进过程中对光进行放大的，故被称为行波式光放大器。图 3-1 给出了 SOA 的基本结构。但是我们必须考虑在法布里珀罗腔体界面上的多次反射。这就是 F-P 光放大器。入射光从左端面进入，通过具有增益的有源层介质之后到达右端面，部分从端面反射，大部分从端面出射。反射光反向通过有源层至左端面，又经过一次放大，部分从左端面出射，其余部分又从