（通信与信息系统专业论文）垂直腔半导体光放大器理论研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文 第l 页 摘要 垂直腔半导体光放大器( v c s o a ) 作为一种新型的光放大器有着许多传统边 发式半导体光放大器( s o a ) 以及掺铒光纤放大器( e d f a ) 都无法比拟的优点，在 众多光纤通信领域都有着潜在的应用前景。到目前为止关于v c s o a 的理论和 实验方面的研究已经取得了一系列成果，本文的工作是建立在已有的研究成果 基础上，围绕着v c s o a 的稳态增益、光学带宽、调制响应、光脉冲放大以及 小信号频率响应等工作特性而展开，具体内容包括： 针对现有v c s o a 的理论研究模型多采用等效腔的现状，基于v c s o a 由 多层介质交替生长的结构特点，将其视为一个整体，构建其传输矩阵模型。该 模型考虑了谐振腔内介质折射率的不连续性和有源区内载流子浓度和光强的纵 向分布。使用该模型不再需要对分布布拉格反射镜( d b r ) 的反射率、有效腔长 度、增益增强因子以及输入信号注入耦合效率等参数分别计算，方便了理论上 的讨论。 在稳态工作条件下，利用这个传输矩阵模型研究了v c s o a 在反射模式的 输入光功率对腔内载流子浓度分布的影响、光学带宽、以及增益饱和等特性。 结果表明，输入光功率的大小直接影响腔内载流子密度纵向空间分布的均匀性， 在小信号光情况下可以使用载流子分布均匀的假设，而当输入光功率接近饱和 区时载流子的空间分布很不均匀：顶都d b r 的周期数对v c s o a 的光学带宽和 输入饱和功率有很大影响，适当减少其周期可以拓宽v c s o a 的工作带宽，改 善v c s o a 的增益饱和特性；一定范围内输入光功率对v c s o a 的带宽特性也 有比较大的影响；在传输矩阵模型中必须考虑腔内不同介质间界面上的光反射 和折射对模型才能够真实反映周期增益结构中的驻波效应。 将传输矩阵模型扩展到动态工作范围，数值模拟了反射工作模式下， v c s o a 在短脉冲通过后发生的时域波形畸变、有源区内载流子密度和增益在 脉冲放大过程中的变化以及脉冲放大的能量增益等v c s o a 的脉冲工作特性。 结果表明：随着脉冲的注入，因受激辐射增强而引起的增益饱和效应使得输出 光脉冲的时域波形发生畸变：抽运光功率、d b r 周期数以及输入脉冲能量都对 脉冲放大的能量增益有一定影响；在同样偏置条件下减小d b r 周期数可以改 善脉冲放大中的能量增益饱和特性另外，在输入脉冲宽度远小于载流子寿命 时脉宽对v c s o a 的能量增益饱和特性几乎没有影响，而在d b r 周期一定时抽 第1 i 页西南交通大学博士研究生学位论文 运光功率的增大会导致能量增益饱和特性的劣化。 从v c s o a 的速率方程组出发，考虑了量子阱材料中的增益和载流子浓度 之间的对数关系后，借助小信号分析法，对v c s o a 的调制特性和小信号频率 响应特性进行了研究，得到了v c s o a 的调制带宽、小信号峰值响应频率和3 d b 小信号频率响应带宽的解析表达式。结果表明，提高输入信号功率或抽运光强 度可以增大v c s o a s 的调制带宽；在v c s o a s 的未饱和区时调制带宽随自发 辐射的增强而有所增大：当输入光功率增大到饱和区时，v c s o a s 的调制带宽 可以达到1 8 g h z ，这与文献报导的实验数据符合较好；提高抽运光功率或减小 输入光功率能提高v c s o a 的峰值响应频率，但同时缩小其动态响应频率范围； 自发辐射的增强也会扩展其3 d b 频率响应带宽。 本文的理论模型和相关结论对于分析v c s o a 的性能、优化其设计方案具 有一定的参考作用。 关键词：垂直腔半导体光放大器：速率方程：传输矩阵法：脉冲放大 频率响应 西南交通大学博士研究生学位论文 第1 il 页 a b s t r a c t a san e wt y p eo fo p t i c a l a m p l i f i e r s , v e r t i c a lc a v i t ys e m i c o n d u c t o ro p t i c a l a m p l i f i e r s ( v c s o a s ) h a v em a n yi n t r i n s i ca d v a n t a g e so v e rt h e t r a n d i t i o n a le d g e e m i t t i n g s e m i c o n d u c t o r o p t i c a la m p l i f i e r s ( s o a s ) a n de r b i u m - d o p e d f i b e r a m p l i f i e r s ( e d f a s ) ，w h i c hl e a dt ot h e i rp o t e n t i a la p p l i c a t i o n s i nm a n yf i e l d so f o p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o n s u pt o n o w , p l e n t yo fr e s e a r c hw o r k s ，b o t h t h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y , h a v eb e e nd o n eo i lv c s o a sa n dm a n yg r e a t r e s u l t sh a v eb e e no b t a i n e d b a s e do nt h o s er e s e a r c hf i n d i n g s ，t h i sw o r kc o n c e n t r a t e d o nm a n yp r o p e r t i e so fv c s o a ss u c ha st h es t a t i o n a r ys t a t eg a i n ，o p t i c a lg a i n b 锄d w i d t h , m o d u l a t i o nb a n d 、 ，i d t h ，s h o r to p t i c a lp u l s ea m p l i f i c a t i o na n dt h es i n a i l s i g n a lf r e q u e n c yr e s p o n s e o nt h eb a s i so ft h et h e o r yo fm u l t i l a y e rd i e l e c t r i cf i l m s ，at r a n s f e rm a t r i x m o d e lo fv c s o a si se s t a b l i s h e db yt r e a t i n go n ev c s o aa saw h o l e 。w h i c hd i f f e r s f r o mt h ec o m m o n l yu s e de f f e c t i v ec a v i t ym o d e li nm a n yt h e o r e t i c a ls t u d i e s n e t r a n s f e rm a t r i xm o d e l i n c l u d e st h ed i c o n t i n u i t i e so f t h er e f r a c t i v ei n d i c eo f t h em e d i a i nt h er e s o n a n tc a v i t ya n dt h el o g i t u d i n a ld i s t r i b u t i o n so ft h ec a r r i e r sa n do p t i c a l i n t e n s i t yw i t h i nt h ea c t i v er e g i o n b yu s i n gs u c hm o d e l ，t h er e f l e c t i v i t i e so ft h e d i t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r ( d b r ) ，t h ee f f e c t i v ec a v i t yl e n g t h , t h eg a i ne n h a n c e m e n t f a c t o ra sw e l la st h ec o u p l i n ge m c i e n c yo ft h ei n p u ts i g n a li n t ot h ec a v i t ya r cn o l o n g e rn e c e s s a r yt ob ec a l c u l a t e ds e p e r a t e l y , w h i c hb r i n g sm o r ec o n v e n i e n c et ot h e t h e o r e t i c a ls t u d y i nt h es t e a d ys t a t er e g i o n t h i st r a n s f e rm a t r i xm o d e lh a sb e e nu l t i l i z e dt os t u d y t h ei n f l u e n c eo ft h ei n p u t o p t i c a lp o w e ro nt h ed i s t r i b u t i o n o ft h ec a r t i e r c o n c e n t r a t i o n ，t h eo p t i c a lb a n d 、v i d t h ，a n dt h eg a i ns a t u r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f v c s o au n d e rc o n t i n o u sw a v eo p e r a t i o ni nr e f l e c t i o nm o d e t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ep o w e ro fi n p u ts i g n a lg i v eas t r o n gi m p a c to nt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h e c a r r i e r sa n do n l yi nt h es m a l ls i g n a lr e g i m et h ea s s u m p t i o no fu n i f o r md i s t r i b u t i o n o f t h ec a r r i e r sc a nb eu s e d ；t h ep e r i o d so fd b ri n f l u n c e st h eo p t i c a lb a n d 、v i d t ha n d t h ei n p u ts a t u r a t i o np o w e rg r e a t l y , a n dt h er e d u c t i o ni nt h ep e r i o dw o u l dr e s u l ti nt h e b r o a d e n i n go fo p t i c a lb a n d w i d t ha n dt h ei m p r o v e m e n to ft h eg a i ns a t u r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ；w i t h i nc e r t a i nr a n g et h ei n p u tp o w e ra 艉c tt h eo p t i c a lb a n d w i d t ht o s o m ee x t e n t ；a n dt h es t a n d i n gw a v ee f f e c tc a nn o tb ed e c r i b e di nac o r r e c tw a yb y t h et r a n s f e rm a t r i xm o d e lu n l e s st h er e f l e c t i o na n dr e f r a c t i o no c c u r i n ga tt h e i n t e r f a c e sb e t w e e nd i f f e r e n tm e d i u mi nt h ec a v i t ya r et a k e ni n t oa c c o u n t s u c ht r a n s f e rm a t r i xm o d e lh a st h e nb e e ne x t e n d e dt ot h ed y n a m i cr e g i o nt ob e 第1 v 页西南交通大学博士研究生学位论文 s u i t a b l ef o rt h ep u l s ea m p l i f i c a t i o no p e r a t i o n b a s e du p o nt h ed y n a m i cm o d e lt h e o p e r a t i o np r o p e r t i e so fv c s o ad u r i n gs h o r tp u l s ea m p l i f i c a t i o ni nr e f l e c t i o nm o d e w e r es t u d i e dn u m e r i c a l l y , s u c ha st h ed i s t o r t i o no ft h ea m p l i f i e do p t i c a lp u l s e ，t h e e v o l u t i o np r o c e s so ft h ec a r r i e rd e n s i t ya n dt h et e m p o r a lg a i l l a n dt h ee n e r g yg a i n c h a r a c t e r i s t i c s t h es i m u l a t i o n sr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed i s t o r t i o no f t h eo u t p u tp u l s e c a nb ea t t r i b u t e dt ot h eg a i ns a t u r a t i o ni n d u c eb yt h ee n h a n c e m e n to fs t i m u l a t e d e m i s s i o nw i t h i nt h ea c t i v er e g i o nd u r i n gt h ei n p u tp u l s ei n j e c t i o n ；t h ee n e r g yg a i n d u r i n gp u l s ea m p l i f i c a t i o ni s a f f e c t e db yt h ep u m po p t i c a lp o w e r , t h ed b r p e r i o d s a sw e l la st h ei n p u tp u l s ee n e r g y ；u n d e raf i x e dp u m pl e v e lt h er e d u c t i o ni nd b r p e r i o d sc a ni m p r o v et h ee n e r g yg a i ns a t u r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s a d d i t i o n l y , i ti sa l s o s h o w nt h a tt h ei n p u tp u l s ew i d t ht a k e s1 i t t l ee f f e c to nt h ee n e r g yg a i ns a t u r a i ：i o n p r o p e a yp r o v i d e dt h a tt h ei n p u tp u l s eh a saw i d t hm u c hs h o r t e rt h a nt h ec a r t i e r l i f e t i m e w h i l ew i t hc e r t a i nd b rp e r i o dt h ei n c r e m e n ti nt h ep u m pp o w e rw o u l d d i m i n i s ht h es a t u r a t i o ni n p u tp u l s ee n e r g y f i n a l l y , f r o mt h es t a r to fr a t ee q u a t i o n so fv c s o a ，w i t ht h ea i do fs m a l ls i g n a l a n a l y s i s a n dt h ec o n s i d e r a t i o no ft h e i o g a r i t h m i cr e l a t i o nb e t w e e nt h eg a i n c o e f f i c i e n ta n dc a r r i e rc o n c e n t r a t i o ni nt h eq u a n t u mw e l lm e d i u m t h em o d u l a i ：i o n a n dt h es m a l l s i g n a lf r e q u e n c yr e s p o n s ep r o p e r t i e sw e r eb o t hi n v e s t i g a t e d t h e a n a l y t i c a le x p r e s s i o n so fm o d u l a t i o nb a n d w i d t h ，t h ep e a kr e s p o n s ef r e q u e n c ya n d t h e3 d bf r e q u e n c yr e s p o n s eb a n d w i d t hi nt h es m a l ls i g n a lr e g i m eo fv c s o aw e r e o b t a i n e d t h er e s u l t ss h o wt l l a tt h es t r e n g t h m e n to ft h ep u m pp o w e to rt h ei n p u t o p t i c a lp o w e rw o u l di n c r e a s et h em o d u l a t i o nb a n d w i d t h ；i nt h eu n s a t u r a t i o nr e g i o n t h em o d u l a t i o nb a n d w i d t hw o u l db eb r o a d e n e dw i t ht h ee n h a n c e m e n to ft h e s p o n t a n e o u se m i s s i o n ；w h e no p e r a t e d i 1 1t h es a t u r a t e dr e g i o nt h em o d u l a t i o n b a n d w i d t ho fv c s o ac a nr e a c h1 8 g h z w h i c ha g r e ew e l lw i t ht h er e p o r t e d e x p e r i m e n t a ld a m ；t h ep e a kr e s p o n s ef r e q u e n c yc a nb ei n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e m e n t o ft h ep u m pp o w e ro rt h ed e c r e m e n to ft h ei n p u to p t i c a lp o w e r , w h i l et h ed y n a m i c f r e q u e n c yr e s p o n s er a n g ed w i n d l e ss i m u l t a n e o u s l y ；t h ee n h a n c e m e n to ft h e s p o n t a n e o u se m i s s i o nc a na l s ob r o a d e nt h e3 d bf r e q u e n c yr e s p o n s eb a n d w i d t h t h et h e o r ym o d e l sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gr e s u l t si n t h i sp a p e ra r eh e l p f u lf o r a n a l y z i n gt h ep e r f o r m a n c e ，o p t i m i z i n gt h ed e s i g ns h e m eo f v c s o a k e yw o r d s ：v e t i c a lc a v i t ys e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r s ；r a t ee q u a t i o n s ；t r a n s f e r m a t r i xm e t h o d ；p u l s ea m p l i f i c a t i o n ；f r e q u e n c yr e s p o n s e 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密口，适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：王刚指号教师签名： 日期：z o 吖年月，1 日 醐。彳蝴“日 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究工 作所取得成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作过贡献的个人和集体。均已 在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 与现有的理论分析方法不同，在本文我们基于v c s o a 两端的d b r 反射镜 和中间的有源区由不同介质交替生长而成的结构特点，将其视为一个整体 并构建相应的传输矩阵模型该模型考虑了谐振腔内介质折射率的不连续 性和有源区内载流子浓度和光强的纵向分布。由于该模型能够自洽地确定 输入和输出光场之间的关系，因此在本文的传输矩阵分析中不再需要对分 布布拉格反射镜( d b r ) 的反射率、有效腔长度、增益增强因子等参数分别 计算，特别是避免了使用输入信号注入耦合效率这个需要实验拟合得到的 参数，从而在一定程度上方便了理论上的讨论。( 第2 章) 2 在已有的对v c s o a 稳态性能分析的文献中，很少考虑载流子浓度的空间 分布，利用传输矩阵模型研究了v c s o a 在反射模式连续波工作条件下的 输入光功率对腔内载流子浓度分布的影响、光学带宽、以及增益饱和等特 性。还分析了腔内不同介质间界面上的光反射和折射对传输矩阵模型有效 性的影响。( 第3 章) 3 与以往的采用f a b r y - p c r o t 分析不同，我们用传输矩阵模型对v c s o a 的光 学带宽特性进行了研究，不仅得到了与以往文献中类似的结论，还分析了 输入信号功率对光学带宽的影响。这部分工作是对文献【3 ，7 - r 作的推广 ( 第4 章) 4 到目前为止，v c s o a 对光脉冲放大的动态特性方面仍缺乏较系统的理论分 析。本文首次将传输矩阵模型扩展到动态工作范围，着重研究了反射工作 模式下，v c s o a 在短脉冲通过后发生的时域波形畸变、有源区内载流子密 度和增益在脉冲放大过程中的变化以及脉冲放大的能量增益等v c s o a 的 脉冲工作特性。( 第5 章) 5 现有对v c s o a 调n 开关特性的研究主要集中在实验方面，在理论上的探 讨则较少。基于v c s o a 的速率方程在理论上研究了v c s o a 这方面的特 性，得到了v c s o a 的调制带宽的解析表达式，同时借助平均光子数模型 分析了v c s o a 的动态开关时间特性，得到了其响应时间的表达式。得到 的理论结果能与实验数据较好地吻合。( 第6 章) 6 从速率方程组出发，借助小信号分析法，在考虑了量子阱材料中的增益和 载流子浓度之间的对数关系后，研究了v c s o a 对不同调制频率的输入光 信号的频率响应特性，得到了峰值响应频率和3 d b 频率响应带宽的解析表 达式。利用这些表达式研究了抽运光功率、输入光功率以及自发辐射因子 对v c s o a 频率响应特性的影响。( 第7 章) 学位论文作者签名： 王刚 日期：z 口叮年6 月 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 随着半导体微腔技术的不断发展，垂直腔半导体光放大器( v c s o a ) 越 来越多地引起了人们的关注【i - 9 1 由于具有不同于传统边发式的半导体光放大 器( s o a ) 的垂直圆柱形结构，它具有光纤耦合效率高，功率消耗较小、偏 振不敏感、制作成本低以及易于实现二维集成等优点。同时由于其腔长较短， v c s o a 采用了可以具有高反射率的分布布拉格反射镜( d b r ) 来提供光反馈 以补偿较小的单程增益。因此它又是一种典型的f a b r y - p e r o t 型光放大器( 即 再生放大器) ，其增益带宽由f p 腔的模式间距所决定。这一特点就使得 v c s o a 有着较窄的光学增益带宽，能够对占有较宽频谱范围的放大自发辐射 ( a s e ) 噪声进行有效的滤除从而减少其输出的噪声总量。另外，这种滤波 特性也表明v c s o a 具有一定的信道选择的功能，这在多信道光纤通信系统 如密集波分复用系统( d w d m ) 中有很大的应用价值。由于具备上述特点， v c s o a 在需要紧凑、低成本以及单信道操作的环境中具有许多潜在的应用， 比如光放大滤波器【l o l ，光放大调制器【1 1 1 ，光放大开关1 1 2 - 1 5 l ，光放大探测器【1 6 1 ， 以及接收机中的前置放大器【z 7 - l a 等等。另外，v c s o a 在反射工作模式下的光 学双稳现象也已从实验上观测到【1 9 - 2 0 1 ，这在全光信息处理和逻辑运算方面也 有重要价值最近随着制作工艺的发展和提高还出现了新型可调谐的垂直腔 半导体光放大器 2 1 - = l 。这一切都表明v c s o a 的发展和应用都有着更加美好 的前景。本章将对v c s o a 的发展和前景作一综合性评述首先回顾v c s o a 的发展历史，然后较详细地叙述v c s o a 的研究现状，最后概述本文的主要 研究内容和成果。 1 2v c s o a 的历史回顾 当今世界，人们对信息的需求量越来越大，同时信息的更新速度也越来越 快，这成为数据传输的速率不断提高的内在要求，而光纤的出现满足了人们 对数据传输带宽不断增长的需求到今天，在远距离的数据传输中，光纤已 经越来越多地取代了同轴电缆而逐渐成为主要的通信媒质。在现代光纤通信 系统中，信号的最大传输距离受到光信号在光纤以及其他一些无源器件中衰 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 减损耗的限制。即使在现代低损耗光纤中，光信号也只能在传输6 0 到1 0 0 公 里这个距离范围内可以被无误地检测到。因此，建立光纤链路时要进行功率 预算，当路径损耗超过可用的功率极限时就需要增加中继器。使用常规的中 继器放大光信号需要进行光电转换、电放大、再定时、脉冲整形以及电光转 换，尽管这个过程对于中等速率的单波长操作比较使用，但对于高速多波长 系统，例如4 0 g b s 的密集波分复用系统( d w d m ) ，却相当复杂，并且价格 昂贵。为此，人们经过很大的努力研制了全光放大器，完全可以在光域对光 纤两个长波长窗口的光波信号功率进行放大。上世纪8 0 年代，掺铒光纤放大 器( e d f a ) 的出现比较好地解决了这个问题，即无须经过光电转换而直接对 光信号进行放大，这就大大减小了整个光纤链路的成本。基于这个优点，掺 铒光纤放大器在长距离高容量光纤通信系统中也获得了广泛的应用。随着光 纤网络技术的不断扩展，小型网络不断普及，光纤到户( f t l l ) 已经成为其 发展的又一目标。在这些应用环境中需要较多相同类型的器件，光纤放大器 所具有的良好性能已不再是系统的首要因素。相反地，元件的尺寸、功耗以 及制造成本都成为决定系统性价比的重要因素，因此，比e d f a 更廉价、更 紧致的光放大器将能更好地适应在一些小型网络比如局域网( l a n ) 、城域网 ( m a n ) 、接入网以及f t t h 中的应用。而半导体光放大器( s o a ) 就是其 中的代表之一。 1 9 6 3 年，在第一台半导体激光器问世后的第二年，c o u p l a n d 等人就论证 了g a a s 激光二极管能够放大注入其中的光信号m 】。从此，人们对半导体光 放大器展开了广泛的研究 2 4 6 3 】。在e d f a 出现以前，s o a 曾一度被认为是光 纤通信系统中在线放大器的最佳选择。根据基本结构，s o a 可以被分为两种 不同的类型：f a b r y p e r o t 放大器( f p a ，又叫再生放大器) 和行波放大器 ( t w a ) 。f p a 的两端使用反射镜来提供光反馈以增强放大增益，而t w a 则 在其两个端面上镀制减反射膜来抑制光在腔内的振荡。可见，f p a 只能放大 在f - p 腔模内的光信号，t w a 则可以充分利用有源材料的增益带宽。s o a 的 主要优点在于其体积小、功耗低、成本低，易于与其他元件集成；同时半导 体技术的成熟允许s o a 在任意一个光通信的波段上工作；另外，s o a 具有 较快的动态增益，对变化的抽运电流或输入光信号的响应速度快，在光开关 和波长转换等应用领域有较大优势。然而，传统边发式s o a 也存在一些缺陷， 例如偏振相关的增益、与光纤耦合效率较低以及由此带来的较高的噪声特性。 有关v c s o a 的研究工作并不多。第一个s o a 和垂直腔面发射激光器 ( v c s e l ) 分别于1 9 6 3 年田】以及1 9 7 9 年 6 4 1 报道，从此，大量的研究工作集中 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 于这两种器件，而两者的结合体v c s o a 却未受特别关注。1 9 9 1 年，首 个v c s o a 问世，它由东京技术学院的研究小组制成( 早先该小组还研制了首 个v c s e l ) 。k o y a m a 、k u b o t a 、i g a 利用电抽运作用下材料为g a a s a i g a a s 的v c s e l 来放大以及滤除8 8 5 n m 处的输入信号1 1 0 1 输入信号由底部镜面注 入，底部镜面包含7 个周期的s i 0 2 t i 0 2 ，输出镜面的材料为 a u s i 0 2 ：i i 0 2 s i 0 2 。该器件的理想滤波特性归功于高精巧的v c s e l 腔体结构， 它没用作放大而是作为有源滤波，且并未测量纤纤增益，只是报道了4 d b 的 内部增益 两年后，1 9 9 3 年，法国电信的r a j 等人【1 2 】制成了8 5 0 r i m 处受光抽运作用 且工作于反射模式下的v c s o a 。该器件用作放大光开关，仅仅报道了脉冲工 作方式。该小组还研制了谐振抽运作用下8 5 0 r i m 处的下一代v c s o a 【l ”到 1 9 9 6 年，该小组报道了第一个长波长v c s o a l l 4 】，该器件依然作为放大开关， 采用光抽运方式，工作在反射模式下，工作波段在1 5 5 9 m 该样本包括 i n p i n g a a s 有源区( 有源区包含两组个数为5 的量子阱( q w ) ) 、金制底部镜面、 两周期的s i s i 0 2 顶部镜面；脉冲工作时获得了1 4 d b 的增益。同在1 9 9 6 年， u l m 大学的w i e d e n m a n n 等人d s 制成了9 8 0 r i m 电抽运且工作于反射模式下的 v c s o a ，在1 9 9 8 年，他们研制了该小组第二代的v c s o a ：该器件工作于传 输模式，采用电抽运方式，并且增加了一个基于电流以及模式限制考虑的氧 化圈1 6 6 。在这之前的v c s o a 要么是工作在阈值以下的v c s e l ，要么是基于 复杂实验以及抽运条件的简单设计，而只有w i e d e n m a n n 研制的是非常实用 的器件，这是因为电抽运以及传输模式的工作方式。他们获得了1 6 d b 的增益， 然而，工作波长是9 8 0 n m ，这不适用于光通信中应用在1 9 9 8 年，瑞典皇家 技术学院的l e w e n 等人利用1 5 5 9 m 工作波长的v c s e l 结构研制了第一个在 电抽运工作条件下的长波长v c s o a 该器件底部d b r 材料为 i n p i n g a a s p ，顶部d b r 材料为s i s i 0 2 。该小组测得2 1 8 k 时的增益为1 8 d b ( 不 含耦合损耗) ，并未测量纤纤增益，该器件过早饱和( 饱和输出功率小于 - 2 5 d b m ) ，而且带宽非常窄，这是因为它被设计成v c s e l ，而非放大器。 成立于1 9 9 9 年的美国加州大学s a n t ab a r b a r a ( u c s b ) 的v c s o a 课题组于 2 0 0 0 年制成了第一个1 3 t i m 波段的v c s o a 【6 ”该器件采用i i l p g a a s 晶片结 合技术，由光抽运作用，工作于反射模式。2 0 0 2 年u c s b 小组研制了工作在 1 3 9 i n 处的第二代高效率、高增益v c s o a 畔j 。u c s b 小组于2 0 0 4 年制成了 工作在1 5 4 9 m 处有源层为a l l n g a a s 的v c s o a i ”j 随着微机电技术的发展 与成熟，在光电子集成和制造领域也越来越多地应用了这一技术2 0 0 5 年， 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 u c s b 小组报道了第一个基于微机电技术的可调谐的v c s o a 【z “。此外，2 0 0 3 年，英国斯特拉思克莱德大学的s c a l v e z 等人采用单片分子束外延技术研制 了1 3 1 a m 处有源层为g a l n n a s g a a s 的v c s o a 6 9 i 。之后他们还对这种1 3 t i m v c s o a 的在连续波工作( c w l 时的特性和g a l n n a s 量子阱数量对其性能的影 响进行了深入的理论和实验研究【8 2 彤】。 1 3v c s o a 的研究现状 1 9 9 4 年，t o m b i n g 等人提出了关于v c s o a 特性的理论预测【“，该模型 基于载流子、光子速率方程以及f p 腔增益公式。1 9 9 5 年，k a r l s s o n 等人采 用a d a m s 等人提出的基于f - p 腔多光束干涉的理论方法【7 3 1 来处理腔内的光子 密度与输入光功率的关系，在此基础上分析了v c s o a 的探测性能【8 i 。1 9 9 9 年，k i b a r 等人利用小信号等效电路以及速率方程详细分析了v c s o a 的特性 t h 。在2 0 0 0 年，p i p r e k 等人提出了非常详细的速率方程模型【7 i ，同时进行了 相应的实验。在这些文献中，只有t o m b i n g 的文献中分析了放大器的4 个性 能指标：增益、增益带宽、饱和特性、噪声谱。在上述早期的关于v c s o a 的文献中，速率方程与f p 腔模型得到的结果并不吻合，这是由于忽略了正 反方向透过入射镜面的场所产生的干涉，这样的话，会导致镜面损耗系数表 达式存在错误。2 0 0 2 年，r o y o 等人根据坡印廷原理对镜面损耗系数进行了修 正拶j ，修正结果表明：镜面损耗系数还与腔内载流子密度相关。在r o y o 的基 础上，2 0 0 3 年，e s b j t j f l i n 等人通过引入注入耦合效率因子t 1 给出了更为详 细的速率方程模型【7 2 】，其中特别需要指出的是，耦合效率因子t 1 是利用实验 拟合的方式得到的。 综观以上关于v c s o a 现有的理论研究情况，就不同研究内容而言，可 以分别从以下几个方面来看： 1 对于分布布拉格反射镜( d b r ) 的研究大都是采用传输矩阵法【7 4 1 或菲 涅尔公式孙8 5 1 来计算其反射谱和其他特征。文献 7 6 】和 7 7 】分别给出了一种 用于计算1 4 波长高低折射率交替的介质膜系的反射率以及中心波长处光波 穿透深度的解析表达式： 2 对于有源区内的载流子的处理基本都是用唯象引入的载流子速率方程 来进行的； 3 对于有源区内的光场的处理工具基本可以分为以下几类：不含空间信 息的光子速率方程 6 - 7 ，5 1 ，7 2 1 ；f a b r y p e r o t 腔内多光束干涉方法【4 8 ，1 9 - 2 0 , 7 3 ，7 s l ；而对 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 于v c s o a 以及v c s e l 所采用的独特的周期增益结构( p g s ) 1 7 川，可以采用 加入纵向耦合因子的修正行波方程来处理腔内的光波行为哪闱； 4 对于v c s o a 及v c s e l 波导中的光模限制因子以及谐振腔的激射阈 值，文献 8 1 】修正了传统计算方法，在计算中考虑了随位置变化的折射率对光 模的影响，得到了更为准确的结果； 5 对于v c s o a 的腔增益的计算，基本都是在计算出腔内载流子密度 后再采用f a b r y - p e r o t 腔增益公式来进行，这需要保证在激射阂值以下的工作 条件，超过阈值则f p 增益公式不再适用 可以看出，在已有文献中所介绍的建模过程中，一般将v c s o a 的两个 d b r 反射镜看作是两个具有高度反射率的硬反射镜，中间谐振腔的长度等于 有源区的长度加上两个d b r 反射镜的穿透深度。这种等效腔的模型为多数文 献所采用口与普通边发式s o a 以及t w a 不同，v c s o a 采用的是一种周期 增益结构，光波的传播方向与结平面垂直，同时其两端的d b r 具有极高的反 射率( 通常在0 9 以上) ，前后向光场的干涉会在腔内形成一个驻波图案，这 就使得腔内增益介质( 量子阱堆) 所处的位置会产生与驻波场程度不同的重 合，进而对谐振腔的光增益和激射阈值产生影响。为了体现这种结构中的驻 波效应，则要对速率方程组进行修正，大量理论研究都采用了同一个方法： 在对腔内前后向传播的电场的干涉效应进行精确计算后得到了一个与量子阱 在腔内位置有关的增益增强因子，将这个因子加至速率方程中表示受激辐射 的一项上。文献 8 0 】也采用了类似的方法，直接在光子行波方程中加入了纵向 耦合因子来表示前后向传输的光予之间的干涉效应。 另外，关于v c s o a 的实验研究主要集中在以下一些方面。在稳态工作 条件下，增益【, 6 - 7 1 、光学带宽 2 - 3 , 7 1 、增益饱和 2 , 6 4 1 、噪声【5 l 输出消光比 1 1 , 1 5 l 以及双稳与逻辑运算1 9 - 2 0 , 7 8 等方面的实验都得到了一些有益的结果：动态工 作条件下，在作为光开关时的响应时间1 1 2 蟮l 和抽运信号与输入信号同时为短 脉冲时的放大响应1 1 4 l 、作为放大调制器时的调制响应【l i 】以及在作为光接收模 块的前置放大器时接收机的误码率、接收信号眼图以及信号的波形情况【1 川s l 等方面也获得了很多实验数据。 1 4 本文的主要工作和结论 如上所述，v c s o a 作为一种新型的光放大器有着许多传统边发式s o a 以及e d f a 都无法比拟的优点。在众多光纤通信领域都有着广阔的应用前景 第6 页西南交通大学