（光学工程专业论文）vcsoa增益特性及交叉增益调制技术的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 光放大器是现今光通信网络中的关键光电器件，也是全光通信网络实用化 的一个关键部分。随着垂直腔光电器件的发展，一种基于垂直微型f a b r y - p e r o t 谐振腔结构的半导体光放大器垂直腔半导体光放大器( v c s o a ) 被提出，并 在近几年来迅速发展。v c s o a 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、单纵模工作、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。 本文从v c s o a 特殊器件结构出发，利用传统边发射f - p 型半导体光放大器 增益带宽理论及半导体激光器耦合速率方程，围绕v c s o a 静态及动态工作特性 展开了数值分析。在反射模式和透射模式两种情况下，计算了v c s o a 的分布布 拉格反射堆( d b r ) 反射率、单程增益与增益、带宽的关系，其中d b r 反射率的 增大伴随着增益的上升，但也伴随着带宽的减小。通过引入增益一带宽积，以均 衡增益与带宽。计算结果得到了l o d b 、5 0 g h z 以上的增益带宽。在反射工作模 式情况下，分析了v c s o a 的增益饱和特性。通过数值求解，给出了饱和输出功 率随泵浦光功率、出射腔面反射率的变化，分析了其功率动态范围，得出强泵 浦能起到平坦增益，增大增益的作用的结论。 通过进一步拓展模型，首次模拟了基于反射模式v c s o a 的交叉增益调制 ( v c s o a - x g m ) 波长转换技术，讨论了信号光功率、探测光功率及其它特性参数 对v c s o a x g m 波长转换速率、输出消光比、噪声等的影响及变化趋势。实现了 5 0 0 m b i t s 速率输入信号、上下2 r i m 范围的波长转换，输出消光比最高可达 6 5 d b ，噪声指数最小3 d b 。结果表明，v c s o a - x g m 波长转换技术采用大信号调 制更易得到高转换效率；虽然输出消光比劣化比较严重，但增大输入信号光功 率可以改善输出消光比，但输出信号噪声会随着增大；增大探测光功率可以提 高输出信噪比。最后，总结了v c s o a 设计、应用中的一些规律，以对v c s o a 及 其应用的设计与优化有所裨益。 关键词垂直腔半导体光放大器，波长转换，交叉增益调制，增益特性 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t o p t i c a la m p l i f i e r , w h i c hi sv e r yi m p o r t a n tf o ra p p l i e da l l o p t i cn e t w o r k i st h e k e yo p t o - e l e c t r i cd e v i c ei nm o d e mo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s w i t ht h ei m p r o v i n go f v e r t i c a lc a v i t yd e v i c e s ，ak i n do fs 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 rb a s e do nv e r t i c a l m i c r of a b r y - p e r o tr e s o n a n tc a v i t y , 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 la m p l i f i e r ( v c s o a ) ，a r ep r o p o s e da n dw i d e l yd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s c o m p a r e dw i t h c o n v e n t i o n a le d g e e m i t t i n gs e m i c o n d u c t o ra m p l i f i e r s ，v c s o ah a st h ei n h e r e n t a d v a n t a g eo fp o l a r i z a t i o ni n s e n s i t i v i t y , h i g h f i b e rc o u p l i n ge f f i c i e n c y , s i n g l e l o n g i t u d i n a lm o d ew o r k i n ga n de a s yf o rf a b r i c a t i n gt w o d i m e n s i o n a la r r a y so nw a f e r i th a saw i d er a n g eo fp o t e n t i a la p p l i c a t i o n si no p t i c a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ， o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，o p t i c a lc o m p u t a t i o n s b a s e do nv c s o as p e c i a ld e v i c es t r u c t u r e ，c o n v e n t i o n a lf - pm o d e e d g e e m i t t i n g s e m i c o n d u c t o r a m p l i f i e r g a i n a n db a n d w i d t ht h e o r y ,a n d s e m i c o n d u c t o rl a s e rs i n g l e m o d er a t ee q u a t i o n s ，w eg a v eo u tt h en u m e r i c a la n a l y s e s o ns t a t i ca n dd y n a m i cp r o p e r t i e so fv c s o a o p t i c a lg a i na n db a n d w i d t hi s c a l c u l a t e dr e s p e c t i v e l yi nr e f l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o nm o d ed u et ot h ev a r i e t i e so f d i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r ( d b r ) sr e f l e c t i v i t ya n ds i n g l ep a s sg a i n ，s 12 w i n gt h a t h i g h e rd b rr e f l e c t i v i t yy i e l d sh i g h e rg a i n w h i l et h ei n c r e a s eo fg a i ni sw 翊ht h e d e c r e a s eo fo p t i c a lb a n d w i d t h i no r d e rt oc o n f i g u r eg a i na n do p t i c a lb a n d w i d t h a p p r o p r i a t e l y , ac o n c e p to ft h eg a i n - b a n d w i d t hp r o d u c ti si n t r o d u c e d t h er e s u l t s s h o wt h a tt h eg a i na b o v e1 0 d b ，o p t i c a lb a n d w i d t h a b o v e5 0 g h zc a nb ea c h i e v e d i n r e f l e c t i o nm o d ev c s o a , t h ef a c t sa b o u tg a i ns a t u r a t i o np r o p e r t i e sa r eg i v e nt h a t o u t p u ts a t u r a t i o np o w e ra r ec h a n 酉n gb e c a u s eo ft h ev a r i a t i o no fo p t i c a lp u m pp o w e r o ro u t p u td b r r e f l e c t i v i t y d y n a m i cp o w e re x t e n s i o ni sa n a l y z e ds i m u l t a n e o u s l y a c o n c l u s i o ni sm a d et h a ts t r o n gp u m pl i g h tp o w e rw i l ll e a dt og a i nf l a t n e s sa n dl a r g e r 2 a i n w i t he x t e n d e dt h e o r ym o d e l ，w a v e l e n g t hc o n v e r s i o nv i ac r o s sg a i nm o d u l a t i o n o fr e f l e c t i o nm o d ev c s o a ( v c s o a x g m ) i ss i m u l a t e df o rt h ef i r s tt i m e v c s o a x g mw a v e l e n g t hc o n v e r s i o ns p e e d ，e x t i n c t i o nr a t i oa n dn o i s eo fo u t p u t s i g n a la r ei n v e s t i g a t e db yc o n s i d e r i n gi n p u ts i g n a lp o w e r , p r o b ep o w e ra n do t h e r p a r a m e t e r s i ns i m u l a t i o n ，w a v e l e n g t hc o n v e r s i o ni sw o r k i n ga t5 0 0 m b i f f si n p u t s i g n a l ，w i t hw a v e l e t i g t hu po rd o w nc o n v e r s i o nr a n g e2 n m ，m a x i m u mo u t p u t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ll 页 e x t i n c t i o nr a t i o6 5 d b ，m i n i m u mn o i s ef i g u r e3 d b s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tl a r g e s i g n a lm o d u l a t i o nw i l li n c r e a s ew a v e l e t l g t hc o n v e r s i o ns p e e d e x t i n c t i o nr a t i ow i l l d e g r a d ei nv c s o a - x g mw a v e l e n g t hc o n v e r s i o n b u to u t p u te x t i n c t i o nr a t i ow i l lb e i m p r o v e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fi n p u ts i g n a lp o w e r , w h i l et h i sw i l la l s oi n c r e a s e o u t p u tn o i s ep o w e r a n dh i g h e rp r o b ei n p u tp o w e r g a l l i m p r o v eo u t p u t s i g n a l n o i s o - r a t i o 。t h er e s u l t so r es u m m a r i z e dt op r o v i d i n gs o m er e f e r e n c e sf o r d e s i g n i n ga n do p t i m i z i n gv c s o a ，a n di t sa p p l i c a t i o n s k e yw o r d sv 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 la m p l i f i e r ；, w a v e l e n g t hc o n v e r s i o n ； c f o s s g a i nm o d u l a t i o n ；g a i ne b o r a c t e d s t i c 注：该项工作得到国家自然科学基金( n o 1 0 1 7 4 0 5 7 ) 、宽带光纤传输与通信系 统技术国家重点实验室开放课题( n o 0 2 k f ) 、教育部科学研究重点项目 ( 2 0 0 5 1 0 5 1 4 8 ) 资助。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 垂直腔型器件是近年来发展起来的新型光电子器件，主要是指光轴垂直于基 底的新型光电子器件，它利用垂直生长厚度为四分之一波长( 7 t 4 ) 半导体薄 膜堆栈构成分布反馈式布拉格反射堆( d b r ) 以形成谐振腔。由此发展出一系列 新型光电子器件，如谐振腔增强型探测器( r c ep d ) 、垂直腔面发射激光器 ( v c s e l ) 、反射式自电光效应器件( s e e d ) 、垂直腔半导体光放大器( v c s o a ) 等等，它们以其独特的结构和良好的性能，在新一代光网络、光信息处理、光 互联及光计算等领域受到青睐。其中，v c s o a 是一种采用环形竖直腔体结构的新 型半导体光放大器( s o a ) ，其出射光为圆形光束，与光纤耦合效率高，对偏振 不敏感，且垂直腔结构使其易于实现高密度二维阵列，并具有单纵模工作、低 噪声、制造成本较低等优点1 ，具有很好的应用前景。 近年来，关于v c s o a 的研究广泛展开 s - s l 。对于这种结构独特的垂直微腔器 件。人们除了关注它结构、材料和工作方面的特l i 外p “，利用v c s o a 实现波长 转换、光开关、光放大滤波接收及光探测等研究睁1 7 1 也引起了大家的研究兴趣， 也是当前半导体光电子器件中新颖的前沿课题。 基于s o a 的交叉增益调制( x g m ) 波长转换技术【1 ”1 1 具有结构简单、实现容 易、转换效率高等优点，是目前波分复用( w d m ) 网络中最接近实用的全光波长 转换方案之一。v c s o a 作为一种特殊的新型半导体光放大器，有易于实现高密度 二维阵列等优点。结合v c s o a 的优点，基于v c s o a 的x g m 波长转换技术，将具有一 定应用前景。 1 2v o s o a 的起源与近期发展 最初对s o a 的研究是在传统边发射半导体激光器的基础上展丌的。自2 0 世 纪7 0 年代初实现了半导体激光器的室温、连续激射后，就开创了半导体激光器 的发展时期。之后不久，由g a a s 制作的同质结s o a 便有报道，但当时只能工作 在一2 0 0 。c 【2 2 1 ，直至d h ( 双异质结结构) 器 牛问世后，s o a 才开始应用于通信系 统。s o a 的结构类似于f p ( f a b r y p e r o t ) 腔的半导体激光器，根据其两端腔面 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 反射率的高低，可分为行波放大器( t w - s o a ) ( 腔面反射率小于1 0 。4 ) 和f p 型 放大器( f p s o a ) 。随着理论研究的发展和技术的改进，s o a 的基本性能，如输 出饱和功率、增益、带宽、噪声等，都有了很大的进展。特别是目前基于应变 量子阱材料的s o a 的研制成功，使s o a 获得了新的生命力1 2 3 , 2 ”。应变量子阱从 内因而不是外因出发，通过改变半导体本身的能带结构，即提高导带和价带的 对称性，再通过控靠5 应变量的类型和大小来调整重空穴与轻空穴带之问的相互 位置，使其达到所需性能。结果由于透明载流子的减少提高了增益介质的激发 增益，这对提高s o a 的净增益、降低器件噪声指数都有利。 随着高增益特性的应变量子阱材料和高反射率布拉格反射堆技术的引入， 一种竖直微型谐振腔结构的垂直腔面发射激光器( v c s e l ) 进入了我们的视线， 并且近年来不断投入到光通信、光信息处理等实际应用中芦。 。v c s e l 的光学谐 振腔非常短，仅为几个光波长的厚度，这样的谐振腔使得纵模间距加大，很容 易实现动态单纵模工作；而且其有源区很薄，因而需要一个高q 的谐振腔进行补 偿，即需要谐振腔两端的d b r 具有相当高的反射率，以获得高的光反馈来补偿增 益长度的不足。通过借鉴v c s e l 的垂直腔结构特点，一种垂直腔半导体光放大器 ( v c s o a ) 的可行性在1 9 9 4 年率先由c t o m b l i n g 等人提出【l i 。v c s o a 作为v c s e l 结 构的延伸，主体为短有源区、谐振腔腔面为高反射率d b r 的垂直微腔结构，属于 f p 型光放大器。 v c s o a 由于其结构特点，在晶圆阶段就可以整片进行测试，而传统s o a 在器 件制作过程中，却不能进行器件的基本性能在线测试，这使v c s o a 可以具有更低 的制造成本【1 3 】。v c s o a 输出光为圆形光，可以显著克服传统s o a 的两个缺点：1 ) 与光纤耦合效率低；2 ) 对光信号偏振很敏感。v c s o a 体积更小、成本更低，是 小型光网络( 局域网、城域网、接入网等) 和f t t h 等应用中的理想选择。 自c t o m b l i n g 最初预测v c s o a 的可能性以来，对v c s o a 的研究便逐渐展开。 1 9 9 5 年，a k a r l s s o r l 通过分析比较v c s o a 和传统s o a 的特点，指出v c s o a 更具有适 于在光纤通信及阵列光信号处理中应用的前景f 3 l 。随后有多个研究小组对v c s o a 进行了实验研究。 6 2 9 中分别报道了室温下1 3 v m 波段v c s o a 在入射信号光 功率为一2 0 d b m 时，增益、带宽指数达到1 1 3 d b m 、0 6 n m ( 1 0 0 g h z ) ；及9 8 0 n m 波 段、饱和输入光功率为1 5 d b m 的v c s o a 在入射信号光功率为一1 0 d b m 时，增益、带 宽表现为1 6 3 d b 、0 7 n m 。可见，v c s o a 在低注入水平也能得到较大的增益， 但带宽较窄。 2 中指出了用垂直耦合腔结构可以优化v c s o a 的增益带宽，通过 这种方法可以将v c s o a 的增益带宽提高8 5 一5 0 0 。近期又有研究小组推出了微机 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 电( i e k l s ) 可调谐v c s o a ( m e m s tv c s o a ) ，2l o d b 增益区闻的调谐范围可达2 0 h m ， 在现代光网络、光信息处理系统中极具应用潜力【3 1 ”】。 1 3 波长转换技术概述 波长转换技术是w 嘶系统中关键技术之一，可以实现光开关、光交换、波 长路由等，使波长再利用。目前实现波长转换主要有光一电一光( o e o ) 转换技术 和全光波长转换( a o w c ) 技术两大类。o e o 波长转换器技术成熟，但转换过程复 杂、功耗高、转换速率存在电子瓶颈；光信号由于经过o e o 转换，原先信号的 相位、幅度等信息会失去，故不具备传输码型和速率的透明性。全光波长转换 是指不经过光一电处理，利用某些介质的非线性光学效应直接在光波长域( 频域) 内将输入的某一波长的光信号转换到新的波长上，它能实现从波分复用终端或 其它设备来的光信号的转发，以使波长再利用，构建可任意扩展的波分复用网 络；可防止结点的波长竞争和波长阻塞，实现动态路由选择，分散网络管理， 提高波分复用网络的灵活性和可靠性p 3 “ 。 虽然o e o 波长转换器已处于商用阶段，是目前通用的技术，但它的缺点随 着高速率、大容量光纤通信和全光通信的发展将更加明显，全光波长转换技术 才是将来宽带网和全光网的发展趋势及首选技术。 近年来，己发展了多种全光波长转换技术，基于s o a 的波长转换器响应速度 快、转换频域宽、体积小、易于集成，是当前研究的热点。基于s o a 的波长转 换技术利用s o a 中交叉增益调制( x g m ) 0 8 - 2 1 1 、交叉相位调制( x p m ) p ”8 1 、四波 混频( f w m ) p 一1 墩应来实现。这些波长转换机制，实质上都是信号光与有源层 载流子相互作用的结果。其中x g m 波长转换方案结构简单、易于实现、转换效 率高和转换波长范围宽，一直是人们关注的焦点。 基于s o t 的) ( g m ( s o a - x g m ) 波长转换器，如图卜1 ( a ) ，是利用半导体光 放大器的增益饱和效应来对被转换光进行调制( 图卜2 ) 。当s o a 的输入端注入 波长为九的连续波探测光时，其增益已接近饱和值，若同时输入一波长为 的 信号光脉冲，s o a 将进入深饱和区工作，当输入光脉冲串的周期小于增益恢复时 间时，在增益尚未得到恢复时再次产生饱和，由此形成了周期性增益调制特性， 从而使光波凡的幅度受到光波 的调制，在s o a 的输出端，九就承载了原 所 承载的信息。波长转换后光脉冲的宽度和深度取决于输入脉冲的周期、宽度、 功率和s o a 的饱和特性及工作点的选择。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 磊a 竺燃r c o n v e r t e d ( b ) ( c ) 图卜1 基于s o a 三种不同效应的波长转换器( a ) x g m ( b ) x p m ( c ) f 州 f i g 1 1w a v e l e n g t hc o n v e r t e rb a s e do i lt h r e ed i f f e r e n te f f e c t so ft h es o a 图卜2s o a 增益饱和效应对信号的调制作用 f i g 1 2s i g n a lm o d u l a t i o n sd u et ot h es o ag a i ns a t u r a t i o ne f f e c t 当信号光入射到s o a 中时，载流子的变化将引起s o a 两方面的变化：一是 s o a 增益的变化；二是s o a 折射率的变化。根据s o a 中增益变化的原理，制成了 基于s o a - x g m 的全光波长转换器。而基于s o a 中x p m 效应的波长转换器正是根 据信号光造成的s o a 中折射率变化的原理，如图卜1 ( b ) 所示。图中s o a l 和 s o a 2 被非对称地放置在m a c h z e h n d e r 干涉仪的两个臂上，造成两臂的相位差不 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 同。波长为丑的信号光和波长为无的探测光从不同的方向耦合到干涉仪的两波 导臂上，信号光“0 ”，“1 ”的变化将引起折射率随之变化，探测光通过两臂后 的相位差也变化。适当的调整既可以使相位差为0 ，也可以是“石”，前者输 出信号为“1 ”，后者输出为0 ，从而实现了对耦合进s o a 的探测光的相位调 制。如果信号光功率使探测光相位在0 和“石”之间变化，也就实现了信号 从五到九的转换。 基于s o a 的f i t n i 效应的波长转换器是利用当s o a 的输入功率达到饱和时， 会产生很强的非线性效应。当两个不同波长的光波( 信号光 和泵浦光九) 同 时输入，将产生许多频率分量，其中 = 2 九一 即为四波混频分量，如图卜1 ( c ) 所示。其又可称为空闲频率，其强度与泵浦光和信号光强度乘积成正比， 相位和频率是两者相位和频率的线性组合，并保持了信号的相位、谱宽和强度 信息，但频谱发生了反转。 自v c s o a 出现以来，其以独特的结构引起了人们兴趣，由于其可以克服传 统s o a 对偏振较敏感、与光纤耦合效率低的缺点，将v c s o a 用于波长转换是人 们一直关注的应用前景【”i 。 1 4 论文研究的选题和结构 1 4 1 论文的选题 v c s o a 是一种新型器件，于上世纪九十年代初被提出，直到现今国内外对它 的理论研究和实验才初步展开，属于光电子器件领域的新兴课题。至今，已有 研究小组对v c s o a 的增益、带宽、增益饱和、噪声、光学双稳态等基本工作特 性进行了分析和实验验证，提出了几种优化v c s o a 特性的方法及波段可调谐的 v c s o a 4 2 - 4 5 。对于 r c s o a 的实际应用，将它应用于波长转换技术是人们感兴趣的 个方向。对基于传统s o a 的x g m 波长转换技术的研究已开展多年，这是一种 比较实用的波长转换技术。鉴于v c s o a 相比传统s o a 存在一些优越性，将其独 特性与波长转换技术结合起来有潜在的应用前景。因此，将v c s o a 的增益特性 与基于v c s o a 的x g m ( v c s o a x g g ) 波长转换技术的理论研究结合起来具有一定 的参考价值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 4 2 论文的主要工作 本文结合国内外研究近况，以f p 腔半导体光放大器理论为基础，结合半 导体激光器速率方程和v c s o a 垂直谐振腔结构，对其静态及动态工作特性进行 了数值分析，讨论了腔面反射率、有效腔长、单程增益、泵浦光功率、输入信 号光功率对增益带宽、增益饱和特性的影响。首次仿真模拟了反射模式 v c s o a x g m 波长转换技术，探讨了v c s o a x g m 波长转换速率、输出消光比、噪声 等性能由信号光功率、探测光功率及其它特性参数带来的变化规律。 1 4 3 论文的结构 论文分四章，具体组织如下： 第1 章绪论。简要回顾v c s o a 的起源与发展，简单介绍了v c s o a 的特点及 其应用前景。对波长转换技术进行了概述，并介绍了论文研究的背景，意义以 及总体框架。 第2 章理论基础。介绍了v c s o a 增益带宽、增益饱和及交叉增益调制的理 论基础，并在此基础上进行数值分析与仿真模拟。 第3 章v c s o a 的增益特性研究。数值分析了v c s o a 的静态及动态工作特性， 具体研究了腔面反射率、有效腔长、单程增益、泵浦光功率、输入信号功率等 参数对增益带宽、增益饱和特性的影响。 第4 章研究了反射模式v c s o a x g m 波长转换器特性。讨论了在增益调制过 程中v c s o a 特性参数对v c s o a x g m 波长转换速率、输出消光比、噪声等的影响。 最后是结论，致谢，参考文献和攻读硕士学位期间发表的文章。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 1 引言 第2 章理论基础 v c s o a 不同予普通f - p 腔谐振型光放大器，垂直微腔结构的v c s o a s 中只具 有很薄的有源层和很小的单程增益，需要高反射率分布布拉格( d b r ) 反射堆提 供光反馈以获得足够的增益，然而，这也决定了放大带宽主要受限于谐振腔腔 长。为了充分利用较小的有源区增益，需要均衡好上下腔面d b r 反射率，以使 光输出尽可能多地分配到输出端，从而得到高效率h “”。微腔结构还会造成放 大器工作时光腔内光予数较少，特别是在小信号工作区，因而，需要采用更合 适的方法来模拟分析v c s o a 的工作特性。为优化器件设计，获得更佳的器件性 能，需要对v c s o a 的增益带宽与增益饱和特性进行详细的理论分析。 2 2v o s o a 结构描述 t o p t i c a l a c t i v er e g i o n b o t t o md b r s u b s t r a t e v c s o a 图2 - 1 典型v c s o a 结构示意图 f i g 2 - ls e h e m a t i cd i a g r a mo ft h ev c s o ad e v i c em o d e ls t r u c t u r e 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 典型的v c s o a 结构如图2 一l 所示m 1 。有源层为多量子阱( m 鼢) 构成，两铡 为具有高反射率、温度特性好的g a a s a i a s 材料d b r 。泵浦光由底层注入，透过 g a a s 衬底对v c s o a 进行光泵浦；输入、输出光信号由光环形器分别导入和导出。 输入光信号由反射率为r 的顶层d b r 垂直入射，顶层d b r 与反射率为r 底层d b r 构成的谐振腔提供光反馈放大。v c s o a 工作模式分为透射模式( 光信号由底层 b b r 输出) 与反射模式( 光信号由顶层3 b r 输出) ，如图2 2 所示。 t r a n s m i s s i o nm o d e r e f l e c t i o nm o d e 图2 2v c s o a 工作在透射模式与反射模式下的示意图 f i g 2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ev c s o ao p e r a t i o n u n d e rt r a n a m i s s i o na n dr e f l e c t i o nm o d e s 2 3 增益与带宽 可以将v c s o a 看作多层介质膜结构，两端考虑为无损耗介质，折射率分别 为、。由折射率为n a 面入射的场为娜： _ 一 一、 e l 爿e fl e “” ( 2 1 ) 其中r = o ，y ，z ) ，七；沿z 轴方向( 即垂直入射方向) ，l 女，i - 搠n 。，a 是真空 中波长。器件反射与透射场分别为e 一= i e rf h 。和西= l e ri e “”7 ，对应的传 输矢量t 一一( 2 n 2 。n 。) e ：，女r ；( 2 a n 。) i ：。反射模式和透射模式情况下的增 益为： g 。= l e s l 2 ，l e ，p ( 2 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 g t 一( n 。n 。) i e r l 2 i 斤 ( 2 3 ) v c s o a 增益增长因子 与有源区驻波有关，若驻波波峰与有源区m q w 周期性 相对应程度越高，；越大，所获得的增益也越大，可以称之为增益匹配结构。 垂直腔单程增益 g ；e x p 【亭g l 一口。l 】 ( 2 4 ) g 为材料增益，t 为量子阱厚度，t 为有效腔长，它大于垂直腔几何长度k ， 还把上、下d b r 堆中的相位渗透深度厶、乙包括在内( l c = + + 厶) 1 0 o 为腔内平均损耗。由此可引入f - p 腔光放大器的增益表达式 g = ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 其中单程失谐相位庐；2 彻。丘( 三一) ，表示了信号光波长a 与丸的偏移程度， l c 表达式中以，为腔内折射率，它是腔内所有层的折射率均值。当妒= 0 时，光波与 f _ p 腔形成谐振，此时获得最大增益。 从物理机制上来说，由于垂直腔腔长较短，v c s o a 的增益带宽主要受限于 f - p 腔的线宽。由( 2 5 ) 和( 2 6 ) ，反射模式和透射模式情况下的3 d b 带宽为 蛾2 去a r c s i n 4 丽f ( 1 _ 厕) _ 2 _ 2 ( 厄一凰) 2 】r “2 ( 2 - 7 ) 馘= 。= _ x a r c s i n ( 4 置r g ) x ( 】一8 r e ) 2 ) ( 2 8 ) 石竹l 其中c 为真空中光速。实际上，增益的增大总是伴随着带宽的减小，不妨定义增 益的均方根与带宽的乘积 s o l ，来有效地均衡这一矛盾，称为增益一带宽积。 风2 丽c 丙1 一圆 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 值得注意的是，( 2 - 1 0 ) 式限于增益大于3 d b 的情况，而且反射模式的增益一带 宽积与底层反射率r 无关。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 4 增益饱和特性 v c s o a 在小信号工作区，增益与信号光输入功率的大小几乎无关，但是随着 输入信号功率增大到超出小信号工作区时，增益将随着输入功率的增大而变化， 出现增益饱和或压缩。为简化分析，将有源层的能带结构分析略去，直接引入 有源层材料增益g 随载流子密度n 的变化关系 g o ) ；g o l n 芦) n p + l l s ( 2 一1 1 ) 代表透明载流子密度，g 。与以分别为增益拟合参量和载流子拟合参量。 v c s o a 泵浦方式有电泵浦和光泵浦两种形式。相比之下，电泵浦下m o w 结构 载流子分布不均匀；而光泵浦有着明显的优点，载流子直接在量子阱中产生， 并趋于均匀分布，简化了载流子运输问题。另外，光泵浦允许使用未掺杂材料， 因此光损耗较小。0 为泵浦光功率，泵浦光波长，截面积为4 ，透过率- 1 ， 量子阱吸收系数记为口。，有效注入电流密度 护扣k 警鲁半( 2 - 1 2 ) 其中口，h ，c 分别为单位电子电荷，普朗克常数和真空中光速。 载流子密度n 随注入泵浦光功率只和输入信号光功率己而变，而输出信号 光功率圪。又随载流子密度而变，可由单纵模耦合速率方程描述( v c s o a 主要单 纵模工作) 1 0 1 譬；阜一( 爿n + 肌2 + 白3 ) 一b ( 2 1 3 ) q l 。 ( 2 - 1 3 ) 式中第一项是泵浦光对载流子密度的作用，载流子损耗包括 ( a n + b n 2 + 白3 ) 复合损耗项及受激辐射损耗比= 亭g ( n ) v g s 。影响光子密度s 的 物理机制可描述为 等= ( 卜r ) 去去+ r ( r s t + r p 。坞心s ( 2 - 1 4 ) 第一项是入射光信号巴引起光子密度增大，但由于腔面反射镜的部分透射作用， 所以需要有( 1 一r ) 的比率。下一项r ( 吃+ ) ( f = l o l c 为限制因子，它与腔 体结构有关) 代表了受激辐射与自发辐射= 乓b n 2 产生光子的速率，岛为自 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 发辐射因子。最后一项光子损耗包括了吸收损耗a ，与腔面损耗 = l n ( g r d 。1 “】。( 其它参数：q - 基本电荷，h 一普朗克常数，一光子群速 度。) 稳态情况下，可导出光子密度s o 的解析式 驴画高【岛耐+ 笔芋】 c z 一 在小信号工作区，圪较小时( 咒 3 0 d b 或i # w ) ，s o - 0 ，吃项与 ( 勘+ 砌2 + c n 3 ) 项相比可以忽略，即是说，n 。，g ( ) ，q 与g o 可以近似作 与圪无关。然而，随着己的变大，吃增大，载流子密度下降，同样导致o ( n 。) ， q 与g m 。的减小，输出功率只。也随之变化 只。一6 t 。最，或只。) = 己) + g 。( 矗日) ( 2 1 6 ) 饱和输入功率与饱和输出功率间的关系为 础( g m 。，2 ) 群，或掣( d b m ) = 臂( d b m ) + g 一) 一3 扭 ( 2 1 7 ) 2 5 交叉增益调制 太 v c s o a 图2 3 反射模式v c s o a x g m 波跃转换示意图 f i g 2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h e v c s o a x g t dw a v e l e n g t hc o n v e r t o ri nr e f l c c ti o i lm o d e 反射模式v c s o a x g m 波长转换原理如图2 3 所示。当把载有信息的调制信号 光( ) 注a 到v c s o a ，且脉冲达峰值时所消耗的载流子才能引起深度增益饱和， 致使半导体载流子的浓度随调制信号光强度的变化而变化( 即半导体的增益随 信号光而变化) 。信号光变强则半导体增益减小，而信号光减弱时，半导体增 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 益则迅速恢复。当另一种波长的探测光( 连续光走) 同时和信号光相耦合进 v c s o a 后，由于半导体的增益被信号光连续调制，所以探测光的增益过程亦被调 制，从而使探测光可承载信号光的信息。转换后的探测光所承载的信号和信号 光反相。由于反射模式与透射模式的v c s o a x g m 波长转换原理相同，本文只对其 中的反射模式进行分析。 对于v c s o a x g m 的全光转换，首先要引入2 3 节中的v c s o a 单纵模耦台速率方 程。v c s o a 中的载流子密度会受光子密度的影响而改变，x g m 过程中，调制信号 光和探测光注入引起光子密度变化，从而引起腔内载流子密度的变化，如下式 鲁一麦叫b n 2 + c n 3 ) 嘲。坤 ( 2 砌) 警一0 一r ) 去老+ r + ) 一 。+ 地s ( 2 1 9 ) 式中，f 代表入射调制信号光或探测光，其余参数与2 3 节中一致。载流子的变 化会进一步影响有源区增益g 及单程增益q ，贝u v c s o a 的总增益 ( 厄一融) 2 + 4 抠酏s i n 2 ( 2 z n o l c e 一) ) g f 一 ( 2 2 0 ) ( 1 一压五蠢) 2 + 4 扛i 矗s i n 2 ( 扫，z 。丘e ) ) c 其中，九为f p 腔谐振中心波长，丑代表调制信号光或探测光波长。 设上标0 和1 分别对应于信号为“0 ”和“1 ”的情形，则入射信号光的功 率表示为墨= 墨”，口) ，输出探测光的功率为艺一 乓，只。 。由于x g m 型波长转 换的转换信号呈反相，使得输出己转换信号即探测光输出功率与信号光功率的 对应关系为：只1 1 一只”，只”一异1 。对于输出转换信号的消光比e r ( e x t i n c t i o n r a t i o ) 可用下式得到1 5 1 i 眦等 ( 2 2 1 ) 当光信号通过v c s o a 被放大的同时，由于器件本身固有的随机噪声、信号自 发辐射拍噪声( v c s o a 噪声主要源于此) ，信号的信噪比( s n r ) 会出现劣化， 可以用噪声因子f 或噪声指数n f ( n o i s ef i g u r e ，n f = l o l o g ( y 1 ) 来衡量此劣 化程度【1 j 5 2 1 i 2s s n r i 吻，x 譬) ( 2 - 2 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 帆“5 鼎( 2 - 2 3 ) 式中，s n r s n r 。分别为输入、输出信号信噪比， 为光波频率，吃为检 测器的电滤波带宽，为粒子数反转参量( h ，= 兰一) ，x 是额外噪声系数， n n ” 它代表了信号自发辐射拍噪声因腔内谐振而被放大，如下式所示 x ；坠掣掣 ( 2 2 4 ) “阮g ，z 一1 ) 7 2 6 数值分析前提及部分参数 考虑到仿真模型的复杂性，本文的数值分析讨论忽略了以下影响： 1 v c s o a 中的d b r 对光波的吸收和散射会减小反射率，其最高反射率只对应 于一定范围波长。在计算中，由于增益带宽远小于d b r 反射带宽( 约l o o n m ) ， 因此忽略了这种影响，并且谐振中心波长九也近似等于d b r 反射中心波长。 2 。光横模在v c s o a 一维模型中，谐振波长差异i t 4 ，计算中没有考虑。 3 忽略了腔内载流子密度变化对腔内平均折射率月的影响，自发辐射对载 流子的消耗也没有考虑。 数值仿真主要参考典型v c s o a 参数，仿真中所用部分参数见表2 - 1 ，其余参 数会分别说明。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 表2 1 仿真所用v c s o a 部分参数【1 0 】 t a b 2 - 1s o m ep a r a m e t e r so fv c s o au s e di ns i m u l a t i o n f l 0 1 k c a v i t yr e f r a c t i v ei n d e x 3 2 t e f f e c t i v ec a v i t yl e n g t h 2 2 v t m t a