（通信与信息系统专业论文）基于耦合腔的vcsoa增益带宽优化及其交叉增益调制.pdf

亘宣奎逗盔堂j 畦研究生学位论文第1 页 摘要 随着垂直腔半导体面发射激光器( v c s e l ) 技术以及其制造工艺的日盏成 熟，垂直腔半导体光放大器( v c s q a ) 也受到了人们的广泛关注。研究表明， v c s o a 克服了传统边发射半导体光放大器( s o a ) 对光纤耦合效率低和对偏振较 敏感等缺点，并且具有低噪声、低制造成本等优点，其在光调制、光开关、光 检测以及波长转换等方面有着潜在的应用前景。 受限于其f p 腔结构的线宽，v c s o a 的增益带宽通常较窄，因此本文通过 合理设计其顶层分布布拉格反射光栅( d b r ) 膜堆结构，提出构造无源有源耦合 腔来拓展v c s o a 增益带宽的新思路。在研究方法上，对v c s o a 有源区内的 量子阱、势垒、分割量子阱堆的基层和d b r 等膜层分别建立特征矩阵，并将它 们按构成器件的顺序依次相乘，得到了整个v c s o a 的传输矩阵。在反射模式 下，结合其衬底折射率，就可以计算出耦合腔v c s o a 的信号增益及增益带宽。 对双腔和三腔结构的v c s o a 的研究结果表明，相对于单腔结构v c s o a ，其增 益带宽水平提高了1 7 0 以上。 在进一步拓展该耦合腔结构器件的应用方面，本文首次仿真模拟了基于 v c s o a 的交叉增益调制c s o a x q 岫波长转换技术。首先应用传输矩阵法分 析了光场在v c s q a 腔内的分布，然后利用边界条件以及其内部层与层之间的 连续条件，得到了v c s o a 内部光场分布与外部注入泵浦光、信号光之间的联 系，推导出了分别对应于泵浦光、信号光的平均光子密度，通过和载流子方程 相结合，建立了v c s 0 a x g m 理论模型。仿真获得了上下各4 n m 的波长转换 范围，并重点研究了泵浦光功率以及信号光功率对转换光消光比特性的影响。 关键字垂直腔半导体光放大器，传输矩阵，增益带宽，波长转换 a b s t r a c t w i mm ed e v e l o p m e n to fv c s e lt e c l l l l 0 1 0 9 i e s ，v e m c a l - c a v i t ys e r i l i c o n d u c t o r o p t i c a l a n l p i 墒e r s ( v c s 0 a ) l l a v eb e c o m et oa l 枉a c tp e o p l e 奄i n c r e a s i n gm t e r e s t t h e r eh a v eb e e ns o m e r e s e a r c hr e s u l t sw h i c hi n d i c a l et l l a tv c s o al l a v e 吐1 ei i l h e 彻ta d v a i l t a g e so f h i 曲一丘b e rc o u p l i l l g e 出c i c y ，p 0 1 a n z a t i o n 近s e n s m v i 劬a n dl o wn o i s ef i g i l r e ，e t c f u r c l l e m l o r e ，m e yc a nb ea i o w - c o s ta l t e m a t i v et oi n - p l a n es o a s o 血e yh a v ep o t e 埘a la p p l i e dp m 印e c t smt 1 1 ed o m a i l lo f 叩虹c a lm o d u l 撕o m ，o p 缸c a ls 诵t c l 坞s ，叩t i c a ld e t e c t i o n s ，a s e l la sw a v e l e r 硅曲c o n v e r s i o n l i i i l i t e dt om e1 i 鹏w i d mo f 也ef a b r y 干e r o t ( f p ) s 仃u c t i r e ，虹圯b a l l d 晰d mo fv c s o ai s c o m m o n l yn a r t o wh i 出i sp a p e rw ep r 0 p o s e 矗v c s o au s m gan e wc o i i p l e d c a v i t yd c s i g nt o b r o a d e n 也eb 锄d 惭岫a c c o r m n gt o 岫s i 皿l a rm 劬o dd e a l i n gw i m m ed b r l h ec b a r a c t e 妇i c m a 城so ft h ei a y e r s 试m ea 甜v e 托g i o n 盯eb u i l tu p t h e nm u l 石p l y l n g 也ec h a r a c t e r i s 6 c m a 垃i c e s 。fa l i t 量l e k 弦r s m m e d b ra n d l l l ea c d v er e 舒o n 优d e f l y 吐l e 台彻s f 醯撇妇o f 出e w h o l ee q u i p m e n ta r eo b t a i n e d c o m b i n i n g 吐l ef e 丘毫c 畦v ei n d e xo f8 、如s 曲伦，也eg a i n8 n d b 姐d w l 孙c h a r a c t e r i s 娃c s “t l l ec o u p l e dc 州d e s v c 8 0 a i sa c h i e v e d i nr e n e c l i o n m o d ea n d w e f o 衄dl l l a t 出eg a i nb a n d w i d t l l0 ft 、v 0a d 吐1 r e ec a v i 石e sv c s o ai s 妇f e 鼬e db y1 7 0 a s c o m p a r e dt ot h es i n g l ec a “t yv c s o a h lm i sp 印e rn l ew g v e l e n g mc 蚰v e r s i o nt e c h n o l o g yb 鼬e do nc r o s sg a i l lm o d u l a 6 0 no f v c s 0 a c s o a - x 0 0i 1 1 碍n e c 虹锄栩o d ei ss i l l 】u 】a t e df o m e 矗戚岫e t oe x t dc o u p l e d c a v i d e sm o d e l s 印p l i c a t i o n f i r s tw el l s et r a n s 斯m a t r i 】【m e m o dt oa n a l y z em eo p t i cf i e l d d i s 蛐血o ni nv c s o a 弛a c c o r d i l l ga s 廿l eb o i l n d a r yc o n d i h o a n d 也ec 伽_ i i r m o u sc o n d n i o n 嘲0 n g 舭j a y e r s ，m e 毗m o n b e 懈e e n 也e 印n c f i e l dd i s 胁u 畦o n m v c s o a m d t l l e 卸u ts 蜘a 1 o u t s i d c ( i n c l u d ep 唧l i g h t 如ds i g n a ll i g l l l ) i sl m o w n a 1 1 dt l ea v 龆a g ep h o t o nd e 珊i t yc a u s e db y p l l m p1 i 曲ta i l ds i g n a ll i 9 1 1 ta r eo b t a i n e ds 印a r a t e l mb yi n c 唧o r a n n gi l l ec a r r i e rd e n s n yr a t e e q u 鲥o ni 眦om ea n a l y s i s ，v c s o a x g mm e o 搿m o d e l i sf o 姐d e d 1 kc o n v e r s i o nb a l l 捌d mo f 4 眦i so b t a i l l e di 1 1o ws i m u l a t i o n t h ei n n u e c eo n 也ee x t i i l c t i o nr a 廿oc h a r a c t e r i s t i cb yt 1 1 e p u r n pp o w e ra n ds i 驴a 1p o w e ri sa l s od i s c l l s s e d k e yw o r d sv c s o a ，t r a n s f e rm a 仃i 】【m e m o d ，g a i l lb 鲫d w i d m ，w a v e l e n g m c o n v e r s l o n 亘塑奎道盎堂亟研究生学位论文第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 基耩蚓蘸蹬半力岽丕飘；掣彰川劂琶剿蠹戳 o 0 2 ，6 0 0 0 8 0 0 0 平方米不规则格网的俯视效果图6 2 x 亘壹奎通盍学亟主堑究生学位论文第2 页 成功”4 1 ”，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。 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， 种竖直微型谐振腔结构的垂直腔面发射激光器f 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i m q9 1 。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0 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f v c s o a ) 的可行性在1 9 9 4 年率先由c t o l b n n g 等人提出【2 】。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。 在c t o m b l 血g 等人之前，1 9 9 1 年，东京科技学院k o y a m a ，k u b o t a 和培a 等人组成的工作小组曾经初步提出了基于v c s e l 结构具有放大作用的滤波器， 对8 8 5 m 的输入信号进行放大和过滤1 2 0 】。器件由a u s i 0 2 t i 0 2 s i 0 2 组成的顶端 镜面和7 个s i 0 2 1 ：i 0 2 周期组成底端镜面构成谐振腔。1 9 9 3 年，法国电信的r a j 等提出了采用光泵浦、工作在反射模式下的8 5 0 n m 波长放大光开关【2 ”。但是 v c s o a 的概念都没有被正式提出。 直到1 9 9 4 年，c t o 瑚b l i n g 等第一次提出了v c s o a 的概念【2 】，并初步论述 了其增益、信号带宽、饱和输出功率以及噪声等特性，并与边发射半导体光放 大器进行了对比，阐述了其优势。1 9 9 6 年，乌尔姆大学的w i e d e m a n n 等提出 了采用电泵浦，工作在反射模式下的9 8 0 1 】m 波长v c s o a 【3 】。两年后，他们又提 出了工作模式为透射模式、采用氧化孔径限制电流和腔内光模的第二代 v c s o a 2 2 】。此器件克服了此前v c s o a 的一些缺点，不需要复杂的实验步骤和 泵浦配置，并且得到了1 6 d b 的信号增益。但由于其工作波长是9 8 0 眦，并不适 合远程通信应用。 1 9 9 8 年，瑞典的皇家技术学院的l e w e n 等人，基于v c s e l 结构制作出第 一个1 5 5 衄的长波长v c s o a 2 引。器件底端和顶端d b r 的构成材料为 h l p i n g a a s p 和s i ，s i 0 2 。在电泵浦和反射工作模式下，不包括耦合损耗可得到 1 8 d b 增益。但其器件很容易饱和( 饱和输出功率小于2 5 d b m ) 并且增益带宽很窄， 这是由于它的这神结构是为优化v c s b l 性能而设计的，而不是为了放大器。 亘壹奎夔本堂亟圭研耷生学位论文第3 页 2 0 0 0 年，加利福尼亚大学的j e b o w e r s 小组采用h 1 p g a a s 晶片键合技术 制作了采用光泵浦，工作在反射模式下的第一个1 3 舯的长波长v c s o a 【5 】，通 过优化其顶层d b r 求得了纤到纤增益、带宽等增益特性。在其研究工作第一阶 段全面探讨了这种新型器件的各种特征和性能【8 ，1 1 1 ，并不断提高和完善其理论模 型【6 t 7 1 ，逐步拓展v c s o a 可能的应用领域【2 4 ，2 5 1 。第二阶段主要是改善和提高其 结构和性能，不断提高和改善1 3 弘m 长波长v c s o a 的工作效率和放大增益等 特性 2 6 1 。 近期又有研究小组推出了微型机电系统( m e m s ) 的可调谐 v c s o a ( m 卧s t v c s o a 【2 7 瑚】，l o d b 增益区间的调谐范围可达2 0 n m ，在现 代光网络、光信息处理系统中极具应用潜力。 目前，对v c s o a 的研究处于前沿的机构主要有美国加利福尼亚大学、瑞 典皇家技术学院等，重点集中在对长波长v c s 0 a 的研究。研究的内容主要为 v c s o a 的微腔结构、功能模式选择、噪声特性、增益带宽及饱和功率等等。 1 3v c s 0 a 的结构及特点 典型的v c s o a 结构 6 】如图1 1 所示： 上下两端是材料为g a a 占a 认s 、具有高 反射率、温度特性良好的n 型和p 型 d b r ，每个d b r 膜层的光学厚度为 兄4 ，以提供深度的光反馈；为了获得 高的单程增益，一般构造多量子阱或量 子阱堆结构作为有源区的增益介质，且 每个量子阱或m q w 堆都被设计生长在 内部驻波的波峰位置上，以获得理论上 的最大增益。 v c s o a 和边发射半导体光放大器 基本结构的不同导致了它们主要特性之 间的差异：第一，大部分边发射半导体 图1 ，1v c s o a 结构示意图 f i g 1 - l 弧es t n l c m r eo f v c s o a 光放大器具有足够的单程增益，可以作为行波放大器( t w a ) 应用。v c s o a 的短 有源区使得其单程增益很小。为了补偿增益，v c s o a 采用了反馈机制，利用一 对高反射率的d b r 膜堆形成谐振腔提供深度光反馈。但是谐振腔的应用导致了 耍蜜至道盔堂塑圭塑窒生堂焦监塞笪兰亘 信号增益带宽受限于f p 腔的线宽，因此其增益带宽要远小于t w a 的带宽。第 二，在v c s o a 谐振腔内，光模以一个合适的角度通过有源区，采用环形腔体 结构的v c s o a 出射光为圆形光束，从而克服了边发射半导体放大器对偏振较 敏感、对光纤耦合效率低等缺点。v c s o a 的突出特点是体积小，可以制作光集 成电路口i c ) ，还可以与电子元件混合，制成光电集成电路( o e i c ) ，并能批量生 产，大大降低了生产成本。与e d f a 和f r a 这类的光纤放大器相比，v c s o a 具有更高的增益，并具备超高速调制、二维阵列大容量传输等优点。 小的增益带宽限制了v c s o a 在现实中的应用，人们很早就开始想办法来 改善它的增益带宽特性。但是在这个过程中，由于需要考虑器件各特性之间的 基本平衡，在v c s o a 的信号增益与带宽之间存在着一个矛盾：信号增益随着 d b r 反射率的增大而增加，但是带宽却正好相反，随反射率的增大而被压缩。 所以对于普通单腔结构的v c s o a 而言，增益和增益带宽之间的矛盾似乎难以 调和。为了解决这一矛盾，在1 9 9 5 年，s f “m 和c j c h a i l g - h a s n a i n 提出了 利用基于多有源区构成的耦合腔结构来拓展v c s o a 带宽的新方法【捌，此结构 在获得较高的信号增益的基础上得到了经过改良的增益带宽特性，通过这种方 法可以将v c s o a 的增益带宽提高8 5 5 0 0 ，但此时v c s o a 的工作波长是 9 8 0 n m ，不适合在远程通信中应用。 1 4 波长转换技术简介 波长转换技术是w d m 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【弘3 2 】。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，其中全光波长转换技术是未来全光网 的发展趋势及首选技术。 近年来，已发展了多种全光波长转换技术，其中基于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 长转换技术主要是利用s o a 中交叉增益调制( x g m ) f 3 3 q “交叉相位调制 ( x p m ) 【3 7 9 、四波混频( f w m ) 4 0 刈效应来实现，如图1 2 所示。这些波长转换 机制，实质上都是信号光与有源区内的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。自v c s 0 a 出现以来，由于其克服了传统s o a 对偏振较敏感、与 光纤耦合效率低的缺点，且具有低噪声、低制造成本等优点，将v c s o a 应用 耍壹銮亟太学硕研究生学位论文第5 页 于波长转换是人们一直所关注的问题。 羔鞋#矾而矿l j 。嗣 ( a )( b ) ( c ) 图1 - 2 基于s o a 三种不同效应的波长转换器( a ) x g mo ) x p m ( c ) f w m f i g 1 - 2 w a v e l e n g m c o n v 咖r b 船c d o n n 辨e d i 船彻te 彘c t so f 吐l es o a 同基于s o a 的x g m ( s 0 幢x g m ) 波长转换器工作原理一样，v c s o a x c m 波长转换技术也是利用放大器的增益饱和效应来对被转换光进行调制。当s o a 的输入端注入波长为五的连续波探测光时，并且同时输入波长为 的信号光脉 冲，使得s 0 a 进入深饱和区工作，当输入信号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， 从而使光波丑的幅度受到光波 的调制，在s o a 的输出端，九就承载了原 所 承载的信息，从而实现了波长转换。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。 1 5 本文研究工作 论文的创新点： 本文通过改变v c s o a 有源区顶层d b r 膜堆结构，提出构造无源一有源耦 合腔来拓展v c s o a 增益带宽的新思路【4 3 1 ，并在此模型基础上，仿真模拟了反 射模式下的v c s o a - x g m 波长转换技术m 】 主要采用的研究方法是传输矩阵法。基于v c s o a 的有源区是由不同材料 的势垒、量子阱及分割量子阱堆的有源区基层等分层结构组成考虑，采用与处 理d b r 膜层类似的方法。对有源区各分层结构进行分析，建立其对应的特征矩 亘直至亟盔堂亟研究生学位论文第7 页 2 1 引言第2 章理论基础及建模 目前已经有很多种方法可以用来研究vcsoa，其中最常见的是fabrv-perot 方法( 简称f _ p 法) 和速率方程方法，pr o y 0 等人曾经专门就这两种方法做过讨 论分析14“，证明了这两种方法之间的等价性。在本文中，由于需要改变dbr膜 堆结构，应用上述两种方法进行分析时，其中的各种结构参数都要随之发生变 化，如果继续使用这两种方法的话，分析过程则显得较为繁琐，在本文中，提 出利用传输矩阵方法研究v c s o a 。这是基于v c s o a 有源区与d b r 类似的膜 层结构考虑，采用与处理d b r 相似的方法对缪门骷霉拶。塑薹萤妻葡蓦昔崇曙 f 羹| ；”! 省陋囊掣毫，謦譬凳考菸薹蛰列r _ 耐；f j 篱塑蓦垂皑翁塑薹l 誉誊薹莹弘 那陲耋苗i 崔翟缮羹蠹馨羹帚茜汹i 嚣盔霭羹| 爵 构和耦合腔结构的v c s o a 增益 带宽特性，并对其加以讨论； 第4章在反射模式下，仿真模拟了v c s o a x g m 波长转换技术，并对其 调制速率、消光比特性性能加以分祈； 结论崃吮疚牡难芯磕谌荩岢隽私窈蟮难芯糠较颉 x 亘壹童道盍堂硕研究生学位论文 第8 页 纵眦墨器亲嚣瑚。 浯t ， 玎1 ( 七e t ) = 玎。( 七晶+ 一k 鼠一) = 日。j 、 跳。篡象：鬟盂芝蚴 p z ， 足点l = 七e o + + 七e o 一= 女e 。j 。7 如图2 1 所示，因为用边界条件写出p 分量和s 分量的等式形式是相同的， 不再区分p 分量和s 分量。同时在下边的推导过程中电向分量和磁向分量都是 指它们的切向分量。只要将导纳( 折射率) ；用修正导纳( 有效折射率) 叩；代替，垂 直入射的结果也可应用于倾斜入射的情况。 f ，c o s 日，( 对于p 一偏振波) 叩i = ( 2 3 ) i ，c o s 曰，( 对于s 一偏振波) 我们假定，所有媒质都是非磁性的= 1 ，单层薄膜的两个界面在数学上可 以用一个等效的界面来表示。膜层和基片的组合导纳是y ，由( 2 1 ) ( 2 2 ) 可知： y ( k 坟) = 瓯 ( 2 4 ) 式中日。= 日o + + 日。一，凰= 凰+ + b 一 单膜层的振幅反射系数为： r ：= ( 刁。一y ) ( 坪o + y ) ( 2 5 ) 所以通过确定组合导纳y ，就可以计算单膜层的反射和透射率，下面我们推导 组合导纳y 的表达式。 d 2 目手， 一jb 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图2 一l 单层浮膜的等效界血 f 嘻2 一le q u i v a l e n ti n t e r f h c eo fr r l a n o l a y e ff i l m 在界面1 ，应用e 和h 的切向分量在界面两侧连续的边界条件，写出： 凰2 凰+ + e o 一= e n + + 曩，一l( 2 6 ) 后鼠= 七e ，+ + e 。一j 日。= 日。+ + 日。一= 日l i + + 日l i lf 2 7 ) 日o = 叩l ( 七e 1 1 + 一七占l i 一)j 对于另一界面2 上具有相同坐标的点，只要改变波的位相因子，就可确定 它们在同一瞬间的状况。正向行进波的位相因子应乘以e ”，而负向行进波的位 相因子应乘以e “，其中 五= 车1 d 。c o s 岛 ( 2 - 8 ) l 即e ：+ = e 。+ 8 一嗡蜀：一= 与，一8 晒，所以可以得到： k e o ；( 七e 1 2 + ) e 4 + ( k 蜀2 一) p 一峨 ( 2 - 9 ) 矗- o = ( 七e 1 2 + ) ，7 1 8 峨一( 七e 1 2 一) 叩i p “6 用矩阵形式可以将( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 写成： 嗍= 嘉亲聪翔 在基片中没有负向行进的波，于是在界面2 应用边界条件可以写出： 墨2 + + 占1 2 = e 2 ，k x e t 2 + + 七e 1 2 = k e 2 日1 2 + + 日1 2 一= 日2 ，7 7 i ( k e 1 2 一七f 1 2 一) 2 日2 即k 屿：+ = 丢( ：) + 击日2 k 地f2 圭( 舨蚴一去日： 写成矩阵形式为： 聊 心m 陋 p p q 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 将上式代入( 2 1 1 ) ，可得 l 2 1 2 1 陋鼠 e 蝇e 1 “非 l 凰j 2 k 屿鸭e 呐扯 1 2 ( 2 1 4 ) ( 2 一1 5 ) 2 f 盖。豢弦l f ，7 ls i i l 5 lc o s j l 2 o 因为e 和h 的切向分量在界面两边是连续的，而且由于在基片中仅有一正 向行进的波，所以上式就把入射界面的e 和h 的切向分量与透过最后界面的e 和h 的切向分量联系起来，又因为。= y ( k 矗) ，日2 = 叩2 ( k e ：) 于是方程( 2 1 5 ) 可以写成： 印圳鑫舞脚：， p 峋 州；：羞瑚 音8 i n 蠡j 称为薄膜的特征矩阵， c o s 瓯j ( 2 - 1 7 ) 它包含了计算膜层光学特性的 全部有用参数l 、d 1 、b ；矩阵圈定义为基片和薄膜组合的特征矩阵。显 然，有y = c b 。 对于多层介质薄膜的反射率，在界面1 和2 应用界面条件，可以得到； 1l，j e 2 h k l 1j 上砜l 抑 f 2 h k 、卜oiii， 土砜铆 j 占 n 幽 c n ，l 阵矩 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 黼七：繁忙 p 隆h 盖卺雎3 陋柳 陋吼盎嚣暖1 陋z 经过连续的线性变换，最后可得矩阵方程式： 阱剀隐 p z - ， 同样，膜系的特征矩阵为： 舯k 墨嚣m p 2 2 ， = 等川d 严s q ( 2 - 2 3 ) 折射角色由折射定律所确定。 矩阵i c 0 8 q 亩甄n t | 称为第，层膜的特征矩阵，特征矩阵的物理意义是： i f 叩，s i l l qc o s d ，j 它将光波的整个场的电场强度和磁场强度的切向分量从膜层的一端传递到另外 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 州肼麓燮篓酗l 嚣戮差蕈 黧w q 需嚣嚣霪蠢萋鬣需书侮辱研暂爨嘲港澌零? 洒鲥 最蠢巍蠢瞄牮罐，娥斟射。 刁袋囊霆i 哇尊霎髻i 蠢? 曩乓、 冀、薹畜l 制氅鋈蠹藿耻潮抬狮孵蓁麓蓉，叫棼西即裁蒯管强乍丽j 釜埔嘏列鲳烈驰譬警黧。 照瑞黜螋粪爵；嚣醑留徐荔嚣薹磁趔峨聪地0 憾剧嗵堑引疑；强地媸跚 鞭魏觉 割越剐匿鳓型：掣益 带宽较窄，并且，此时的 增益带宽是在有源区两侧d b r 膜堆的反射率较低的情况下得到的。在图3 3 中 反映了放大器带宽、增益随有源区顶层d b r 膜堆周期 丸的变化情况，同时保 持底层d b r 膜堆周期 亘壹变追查堂砸土研究生学位论文 第16 页 由于有源区采用了m q w 结构，使得注 入载流子被限制在一个很小的区域内， 因此v c s o a 的内微分效应与非量子阱 类放大器相比要大得多，达 2 0 1 0 - 1 6 c m 2 ；同时，两端d b r 可以提 供高达9 9 的反谚! 变族蔼灞簿博岗 噩淫薹桀齐冀麓 薛0 蛙鼢荫 野鞭一 荔! 一i 掳。里攀卷鞫爱费强耍涩峪溻 i 毳# ；”j 鳃拍m 锄羽菊 ( 1 2 n ) r e z 。)( 2 - 3 3 ) 它表示因激励而引起的介质复折射率实部变化。 在有源区内，当注入载流子浓度变化不大时，抽与载流子浓度近似成正比， 引入介质复折射率实部随载流子浓度变化的比例系数6 ，得到4 8 】： n = 6 ( 2 3 4 ) 在有源区内，折射率的虚部变化和增益或损耗系数有关4 7 ： g =一( 七o n ) i m 切。( 2 3 5 ) 口=仃n 嬲o ( 2 3 6 ) 由此可知，耳表示因激励而引起的功率增益系数，口表示介质的内部损耗， 它与介质材料和波长有关。 根据以上推导，最终可得到激励效应下有源区筇的一般表达式： 鬲=( h + 一) + f ( 一g + 口) 2 七o = ( 以+ 6 ) + f ( 一g + 口) 2 i o ( 2 3 7 ) 由于构成v c s o a 的各膜层介质折射率的大小或膜层厚度的差异，v c s o a 参考模型需要建立的特征矩阵共六个，即高低折射率不同的介质交替生成d b r 膜层的特征矩阵，两个膜层厚度不同的有源区基层特征矩阵，以及有源区量子 阱层和势垒层的特征矩阵。 建立v c s o a 薄膜特征矩阵，首先确定各个膜层在载流子注入或有损耗的 情况下所对应的介质复折射率石。 根据文酬6 1 ，增益系数为： 删- g o m 囊瓷) ( 2 - 3 8 ) 为注入载流子浓度， 0 为透明载流子浓度，9 0 与m 分别为增益拟合参量和 载流子拟合参量。 将(孔于甯凑凵渎手担 x 耍塑窑堂盔堂塑主塑窒圭堂焦鲨塞蔓! ! 夏 图3 3 单腔结构的1 3 1 脚v c s o a 的反射增益 f i g 3 3 t h er e n e c t i o n g a i l lo f m es i m p t ec a v i t y v c s o aa t1 | 3 1 肛l 在图3 ，3 中我们可以看到，随着顶层d b r 膜堆周期数的增加( 顶层反射率随之增 加) ，在相同信号增益值的情况下，获得的3 d b 带宽被压缩，这与实验结果相 致。较低的顶层d b r 反射率对获得大的增益带宽有利，但是如果要同时得到合 适的信号增益，就需要更高的工作条件，也就是需要更高的单程增益。而在实 际应用中由于要受到结构、材料以及工作条件等的制约，所能达到的单程增益 也要受到限制，单纯依靠通过调整结构参数来优化带宽的程度是有限的。 3 。4 耦合腔v c s 0 a 增益带宽特性 3 4 1 双腔及三腔v g s o a 的增益曲线 文献 2 明曾经提出一种耦合腔结构来拓展v c s 0 a 的带宽，与普通v c s 0 a 的区别在于有源区的结构，其采用了三有源区互相耦台。据其数值仿真结果， 在信号增益4 d b 时，得到了4 6 嗽的半带宽。但这种耦合腔结构的v c s o a 存 在一些不足和局限。首先，该v c s o a 的工作波长为9 8 0 啪，不满足现代长途 光纤通信系统的长波长要求。其次，该v c s o a 的结构较复杂，比之酱通结构 的单腔v c s o a ，制造成本较高，对制造工艺也相应提出了更高的要求。 一n士o=专卫c*缸譬ld三 亘壹窒道太学i 理研究生学位论文第2 0 页 为了拓展v c s o a 带宽且不增加过多复杂性，本文提出了一种新型无源有 源耦合腔结构【4 3 】。此结构是通过改变顶层的d b r 膜堆结构，构造无源腔与原有 源腔相耦合。其中构成的双腔结构模型的微腔结构如式3 2 所示： 日( l h ) ( l h ) ( 址) 日( l h ) ( l h ) 有源区( 胍) ( m ) ( 眦) h( 3 2 ) 、- - - - - - - - - - - - 、，1 - _ - _ _ _ _ - - 一 ， 中间的两个l 层为间隔层，它与其两侧的d b r 膜堆构成了一个无源腔。有源区 与其两侧的d b r 膜堆构成了一个有源腔，并与前面的无源腔相耦合形成耦合 腔。在双腔结构中一共有三个d b r 反射膜堆，其周期数分别为m ：、m ：、肘i 。 本文应用传输矩阵法对双腔结构的v c s o a 增益带宽特性进行了分析。在 建立双腔结构v c s o a 的传输矩阵模型时，相对单腔结构而言，在其模型基础 上增加上了一个d b r 反射膜堆和一个间隔层的特征矩阵。在反射模式下，当 心= 5 、m ；= 1 6 、m ：= 1 5 时，得到的双腔结构增益特性曲线如图3 4 所示。 数值仿真模拟中应用的各参数数值与单腔结构相同。 w a 帕i e n g l h 【n m l 图3 4 双腔结构的1 3 l m n v c s o a 的反射增益 f i g 3 - 4t h ef c n e c t i o ng a i l lo f m e 押oc 州h e sv c s o a a t1 3 1 弘m 在图3 4 中，当内部载流子浓度= 1 9 1 0 ”c 研4 时，双腔v c s o a 反射增益为 1 0 2 d b ，3d b 带宽为2 5 n m 。可见，在信号增益水平相当的情况下( 均为1 0 d b 左 右) ，双腔结构的v c s o a 的带宽水平较之单腔结构的v c s o a 有了明显的改善， 亘宣銮道盍兰盟盟究生学位论文 第2 1 页 提高了约1 7 0 以上。并且获得增益谱形状接近理想矩形，具各陡峭的边缘，波 长截止特性良好。 在构造双腔结构v c s o a 的同时，本文继而构建了三腔结构v c s 0 a ，并对 其增益带宽特性进行模拟仿真分析。三腔结构模型的微腔结构如式3 3 所示： 曰( 功( l 回( 竭日邱( 雎f ) ( 竭嘲( 删) 有源匾( 日( 3 - 3 ) r 一1 广广1 _m tm 1m 1越 结构与双腔结构类似，在双腔结构的基础上继续增加了一个间隔层和个d b r 膜堆结构。在三腔结构中一共有四个d b r 反射膜，其周期数分别为膨：、吖；、 “、 m ：。 三腔结构的模型建立过程也与双腔结构类似，只需要在双腔结构模型的基础 上继续增加一个间隔层和一个d b r 膜堆的特征矩阵即可。当m ：= 2 、m ：= 1 3 、 m ：= 1 6 、肘：= 1 7 时，其在反射模式下的增益特性曲线如图3 5 所示。 w a 帕l e “g t h i n m l m ? = 2 、垅= 1 2 、；= 1 6 、m ：= 1 7 图3 5 三腔结构的1 3 1 舯v c s q a 的反射增益曲线 f i g 3 51 1 l er e n e c d o ng a i l lo f 也e l r e ec 砌i e sv c s o a a t1 3 1 肛 当内部载流子浓度= 1 9 x l0 1 8 册4 时，三腔v c s o a 在反射模式下的信号增益为 1 0 d b ，3d b 带宽为2 8 姗。可以看出，三腔结构有与双腔结构近乎相同的带宽性 能，只是略好一些，得到的增益谱曲线的更加接近于理想的矩形。但是在结构组 亘壹童道大学硕士研究生学位论文第2 2 页 成上，三腔结构要比双腔结构要稍微复杂一些。 这里所形成的无源腔，从薄膜光学的角度可以看做成个单半波滤光片 矧， 其基本结构是反射膜i 间隔层l 反射膜。为了得到较平坦的增益特性，可以通过 调节间隔层两侧的反射膜结构，调整增益的平坦度。 通过耦合腔结构可以改善增益带宽特性，本文认为是由于多半波滤光片对透 射波长的选择特性。由于间隔层两侧的反射率的差异，导致滤光片的透射率曲线 是一个有陡峭边缘并包含两个紧靠在一起的透射峰的通带，在两峰之间只有一个 浅下凹，这与我们得到的增益特性曲线的形状十分吻合 4 6 1 。 在上述两种结构的调整过程中发现，几个反射膜的周期数对增益曲线的影响 不尽相同。其中m ；和m ：的作用类似，数值越高，信号增益越高，带宽也越宽， 但当其数值超过一定值时，对信号增益和带宽几乎没有影响，原因是此时在有源 区这一侧的反射率已经足够高，它们对增益谱的形状基本上没有影响。剩下的 m ：、m ：之间以及肼：、m ：、m ；之间在调攘过程中需要相互间满足一定的反射 率要求，通过改变多腔之间的耦合程度来影响增益和带宽特性。 而图3 6 反映了d b r 反射膜堆周期数m j 、m ：的大小对双腔结构的增益带 宽特性的影响，其中m ：= 1 5 ，载流子浓度= 1 9 1 0 1 8 硎。始终保持不变。 图3 6 双腔结构的增益带宽积随m i 、肘：的变化情况 f i 9 3 6t h eg a i nt i l n e sm e b a n d 鲥d mp r o d u c to f t h e 柳o c a “d e sv a r i e sw i t l l ：a n d m ： 一n工啦善弓pu*i兰妄_o 亘寅童堕六鲎砸研究生学位论文第2 3 页 当m ：- 5 时，如果m ： 1 6 ，此时双腔结构的 阈值载流子浓度将低于我们所给定的载流子浓度，从而产生激射。同样，当 m ：_ 6 ，7 ，8 时，m ：的大小也需要满足一定的要求，以防止特性过坏和激射的产生。 总的说来，要得到合适的增益带宽特性，m 与m ：之间需要满足定的要求。 3 4 2 峰值增益与增益带宽积分析 况。 图3 7 是三种结构的峰值增益随工作条件( 注入载流子浓度) 改变的变化情 图3 7 三种腔结构的峰值增益随工作条件变化情况 f i g 3 7t h ep e a kg 出o f 雠岫e 1 ( i d so f 血es t n l c t u r ea td i 惭e mw o r kc o n d i h o n s 由图3 7 中可以看出，单腔结构受工作条件的影响程度比双腔和三腔结构要大 些，峰值增益会随着工作条件的改变较快的增加或者降低，耦合腔结构的变 化相对而言则要缓慢一些。在双腔和三腔结构之间相比较而言，受工作条件的 影响程度相差不大。这也说明，耦合腔结构下的v c s 0 a 增益特性要更加稳定。 在相同工作条件下，耦合腔结构的v c s o a 同单腔结构v c s o a 一样，在 腔结构的调整过程中，带宽通常随着峰值增益的增加而被压缩。为了比较客观 的比较耦合腔与单腔的增益带宽特性，本文引入了增益带宽积的概念。图3 8 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 是在相同工作条件下( 相同注入载流子浓度) 单腔、双腔和三腔的峰值增益带宽积 的对比情况。 c ur t 8 n td e n s i i y 【c m 。3 】 x1 0 8 图3 8 在不同工作条件下三种结构的增益带宽积的比较 f 培3 8m ec o 呷撕s o no f 岫g a i n 慨sm eb 捌d mp r o “c ti l ld i 羝m tc o n d i t i o mo f 吐l em r e es 缸1 c t i 】r e s 三种结构所对应的参数和前面相同。从图3 8 中我们可以清楚的看到，耦合腔 结构的的带宽较之单腔结构有了明显的改善。其中双腔和三腔结构的带宽特性 相差不大。 3 4 3 单程增益的影晌 另外必须提到的是，单程增益g 在v c s o a 带宽特性比较中是一个很重要 的参数，其对v c s o a 的带宽特性影响很大。在上述两种耦合腔结构中，在注 入载流子浓度= 1 9 1 0 ”硎4 时，单程增益g = 1 0 3 ，数值较小，如果提高注 入载流子浓度至= 3 8 3 1 0 “c m 一，单程增益g 。将提高到g 。= 1 0 7 ，和文献1 6 】 中的水平相当。此时，如图7 所示，在8 d b 以上的增益水平下，可以将带宽进 一步扩展到7 啦以上，增益带宽积可以达到1 l o o o ( d b g h z ) 以上，较文献【q 中 3 n m 的带宽水平有了很大提高。与此同时，降低了有源区一侧的反射率，此时 的m ：= 4 、吖j 1 2 、m 0 1 7 ；吖：= 2 、m 1 1 、m 1 2 、m 。= 1 7 。 亘壹窒逼大学硕士研究生学位论文 第2 5 页 w a v e i e n 啦h i n m 】 圈7g = 1 0 7 时的耦合腔带宽特性 f i 9 7 龇b 舳捌d 血c h 哪c t e r s o f 龇c o u p l e d c a v i 矗e s w h e ne = 1 0 7 但是受到v c s o a 结构特点限制，v c s o a 单程增益g 。不会太高，所以依靠提 高单程增益g 。来改善放大器的增益带宽特性，在目前看来改善程度也是有限 的，如果将来能够采用新型材料，大幅度提高v c s o a 的单程增益，v c s o a 的 增益带宽特性也将得到进一步的改善，对于v c s o a 在各个方面的应用都大有 裨益。 3 5 小结 本章首先对单腔结构v c s o a 的增益特性进行了简单的分析和概括，得到 的结果与实验结论相符合，验证了数值分析模型的正确性。在此基础上，通过 改变普通单腔结构v c s o a 顶层d b r 膜堆结构，构建无源腔与原有源腔相耦含， 利用该无源有源耦合腔结构以拓展v c s o a 带宽。本文在单腔结构v c s o a 数 值分析模型的基础上，建立了耦合腔结构v c s 0 a 的数值分析模型。基于该模 型，对双腔结构和三腔结构的v c s o a 的增益特性进行了仿真模拟和数值分析。 通过对双腔结构和三腔结构v c s o 慷的增益特性的分析，将其结果与单腔 结构v c s o a 进行比较发现，耦合腔结构v c s o a 带宽特性较单腔结构而言， 改善效果明显，其中双腔结构的结果较之提高了1 7 0 以上，且得到的增益谱曲 亘壹窒逼大学硕士研究生学位论文 第2 5 页 w a v e i e n 啦h i n m 】 圈7g = 1 0 7 时的耦合腔带宽特性 f i 9 7 龇b 舳捌d 血c h 哪c t e r s o f 龇c o u p l e d c a v i 矗e s w h e ne = 1