半導(dǎo)體放大器雙穩(wěn)的畢業(yè)論文

目錄III目 錄第一章 引言 .11.1 課題研究背景 .11.2 世界各國研究開發(fā)現(xiàn)狀及優(yōu)缺點 .21.3 研究意義 .31.4 主要工作 .4第二章 半導(dǎo)體光放大器相關(guān)理論 .52.1 基本物理模型 .52.1.1 基本結(jié)構(gòu) .52.1.2 PN 結(jié)的光增益 .62.1.3 半導(dǎo)體 PN 結(jié) .62.1.4 雙異質(zhì)結(jié) .72.1.5 端面反射率 .72.2 半導(dǎo)體光放大器的各項參數(shù) .72.2.1 半導(dǎo)體內(nèi)光與載流子的相互作用 .82.2.2 自發(fā)復(fù)合速率與載流子壽命 .92.2.3 線寬增強因子 .102.2.4 光功率限制因子 .102.2.5 腔內(nèi)平均光子濃度 .112.2.6 載流子速率方程 .122.2.7 半導(dǎo)體內(nèi)的載流子感應(yīng)折射率變化 .122.3 FPSOA 的增益 .132.4 小結(jié) .14第三章 光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)相關(guān)理論 .153.1 雙穩(wěn)態(tài)簡介 .153.2 光雙穩(wěn)器件 .153.3 光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)理論 .163.4 光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)的應(yīng)用 .173.4.1 光開關(guān) .17目錄IV3.4.2 穩(wěn)定光源光強 .183.4.3 波長切換 .19第四章 功率雙穩(wěn)模型的建立 .214.1 理論分析 .214.2 相關(guān)公式推導(dǎo) .224.3 模型建立過程 .254.4 小結(jié) .26第五章 對仿真模型的計算與分析 .285.1 偏置電流的影響 .285.2 初始相位失諧量的影響 .295.3 頂端反射率的影響 .315.4 小結(jié) .33第六章 結(jié)束語 .346.1 本文內(nèi)容 .346.2 下一步學(xué)習(xí)工作方向 .34參考文獻(xiàn) .35致謝 .37外文資料原文 .38外文資料譯文 .41摘要I摘 要光放大器是現(xiàn)今光通信網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵光學(xué)器件。本文主要討論分析了通過設(shè)定平均光強為中間變量、引入載流子速率方程建立法布里珀羅光放大器（FPSOA）功率雙穩(wěn)模型的過程，從理論上給出了偏置電流、相位失諧量、線寬展寬因子、頂端面反射率等參數(shù)對 FPSOA 的跳變點、雙穩(wěn)環(huán)寬，開關(guān)功率等物理特性的影響，并在 matlab 中仿真。FPSOA 具有一些特殊的性質(zhì)，能夠優(yōu)化在光信號處理中的性能，但少有研究，所以研究它的雙穩(wěn)特性具有重要的意義。關(guān)鍵詞：FPSOA ，功率雙穩(wěn)模型，雙穩(wěn)環(huán)寬，跳變點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，通信已經(jīng)成為了人們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?，各種通信新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)和使用者的增多，無疑對通信網(wǎng)容量提出了極大的挑戰(zhàn)。而光通信 2以其高速率、大容量、可透明傳送數(shù)據(jù)等優(yōu)點，從一開始就吸引著人們的目光?，F(xiàn)在光纖技術(shù)已經(jīng)成為全球信息的最主要的承載體，從各國之間的國際光纜到國內(nèi)的長途干線網(wǎng)無處不是光纖技術(shù)的貢獻(xiàn)。人們已共同意識到未來光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有的能力包括：具有能傳輸各種業(yè)務(wù)幾乎無限的帶寬，能透明傳輸數(shù)據(jù)以使通信終端能靈活方便的升級和選擇路由，而光放大器使得上述光網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢的實現(xiàn)成為可能。傳統(tǒng)的光信號放大技術(shù)采用光-電-光方法 1，這種結(jié)構(gòu)的光纖通信系統(tǒng)對長距離信號傳輸存在幾個明顯的不足：(1)由于沿途需要設(shè)置很多中繼站并采用很多電子和光電子器件，極大地增加了系統(tǒng)的建設(shè)以及運行和維護(hù)成本。同時也減低了系統(tǒng)的可靠性；(2)由于中繼器中電子電路響應(yīng)速度和帶寬的限制，使得對使用原有系統(tǒng)進(jìn)行高速率信號傳輸受到“電子瓶頸”的影響而變得十分困難；(3)建造多波長中繼器的復(fù)雜性使得利用 DWDM 技術(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模擴(kuò)容升級幾乎不可能實現(xiàn)。如果能夠不經(jīng)過光電和電光轉(zhuǎn)換而直接對衰減了的光信號進(jìn)行放大，則上述闖題均可以迎刃而解，因此對各種光放大技術(shù)的研究對光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展意義十分重大，一直是光纖通信和光電子技術(shù)領(lǐng)域的一個倍受關(guān)注的熱點研究與開發(fā)方向。1.1 課題研究背景半導(dǎo)體光放大器是出現(xiàn)最早的光放大器，它的基本結(jié)構(gòu)類似于無反饋或反饋量不足以引起振蕩的半導(dǎo)體激光器SOA 在正偏壓、強注入電流作用下，有源區(qū)半導(dǎo)體內(nèi)的導(dǎo)帶與價帶間由于非平衡載流子的注入而形成粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)，在入射光作用下通過受激躍遷產(chǎn)生光增益，使輸入光信號得到放大 3。在 60 年代半導(dǎo)體激光二極管尚未成熟，但已在溫度力 77K 下，首先進(jìn)行了GaAs 同質(zhì)結(jié)行波半導(dǎo)體放大器的研究，開創(chuàng)了半導(dǎo)體光放大器研究的先河，確立了半導(dǎo)體光放大器的基本理論。至 1970 年，雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)激光器問世后，又實電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文2現(xiàn)了行波(TW)半導(dǎo)體光放大器的室溫連續(xù)工作。在 1973 年至 1975 年問，開始從光纖通信應(yīng)用要求出發(fā)研究雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)行波(TW)型和法布里珀羅(F-P)型光放大器 4的特性并取得重要進(jìn)展，其中在 1970，zeidle 和 personic 進(jìn)行了最初的SOA 實驗。80 年代初，采用消除反射光的光隔離器和精確的光頻率調(diào)諧技術(shù)，深入研究了 AIGaAs F-P 光放大器 5的增益、帶寬、飽和增益與噪聲特性及其對光纖通信系統(tǒng)性能的影響。同時開始研究半導(dǎo)體放大器的注入錟定現(xiàn)象、機(jī)理、設(shè)計和放大特性。80 年代中期開始研究適用于 1.3m 和 1.5m 波長的 InGaAsP 半導(dǎo)體光放大器。90 年代以前 SOA 的研究主要集中在 SOA 的增益、飽和增益、噪聲、帶寬、飽和輸出功率等主要特性上。90 年代初，低噪聲摻鉺光纖放大器(EDFA)的出現(xiàn)使 SOA 的功率放大功能在光纖線路放大方面的地位受到了極大的挑戰(zhàn)，1.55m 窗口的在線放大功能基本上由 EDFA 完全取代。進(jìn)入 90 年代以后，由于量子阱、超晶格技術(shù)的發(fā)展，特別是應(yīng)變量子阱技術(shù)的日趨成熟，半導(dǎo)體光放大器的研究進(jìn)入了一個新的空間，半導(dǎo)體光放大器的性能得到全面和大幅度的提高，特別是增益的偏振靈敏度、噪聲指數(shù)已明顯降低，已達(dá)到和 EDFA 相比擬的水平，飽和輸出功率、小信號增益也有顯著提高。光學(xué)雙穩(wěn)態(tài) 6是指光學(xué)系統(tǒng)中在一定的輸入范圍內(nèi)對給定的輸入存在著兩種可能的輸出狀態(tài)的現(xiàn)象.值得注意的是,這兩種狀態(tài)必須可以互相轉(zhuǎn)換.以光強狀態(tài)為例,具有光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)的系統(tǒng),其輸出光強和輸入光強的關(guān)系呈現(xiàn)滯后回線.光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)的必要條件是系統(tǒng)同時具有光學(xué)非線性和反饋機(jī)制兩個因素.反饋的作用是重要的:兩個輸出狀態(tài)的穩(wěn)定性是由系統(tǒng)的負(fù)反饋決定而兩個輸出間的快速轉(zhuǎn)換則起因于系統(tǒng)的正反饋.具有光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)的光學(xué)器件稱之為光雙穩(wěn)器件.非線性法布里一拍羅標(biāo)準(zhǔn)具是典型的光雙穩(wěn)器件.這種器件由非線性光學(xué)材料和反饋光腔構(gòu)成.在強光的作用下,介質(zhì)的非線性參數(shù)(非線性吸收系數(shù)或非線性折射率)發(fā)生變化,從而引起透射光強發(fā)生變化.光強的變化進(jìn)一步引起非線性參數(shù)的變化.在光腔的反饋作用下,這種變化形成正反饋過程,因而產(chǎn)生光學(xué)雙穩(wěn)態(tài).1.2 世界各國研究開發(fā)現(xiàn)狀和優(yōu)缺點在歐洲，在歐共體的 ESPRIT 和 RACE 計劃基金支持下，許多歐洲大公司正在從事 SOA 研究和開發(fā)，其工作中心主要集中于電信應(yīng)用的 SOA 器件和子系統(tǒng)，最具實力的公司是 Uniphase 和 Philips，他們主要進(jìn)行 SOA 器件和子系統(tǒng)的第一章 引言3生產(chǎn)嘗試。其它公司，如 Siemens、Optpspeed、Kamelian 也啟動對 SOA 開發(fā)。在北美，SOA 開發(fā)主要由美國防御先進(jìn)的規(guī)劃機(jī)構(gòu)支持，最終使用主要瞄準(zhǔn)在與防御相關(guān)的纖維光學(xué)線路、衛(wèi)星光波通信和光計算機(jī)。Lucent 技術(shù) Bell 實驗室繼續(xù)領(lǐng)導(dǎo) SOA 的研究和開發(fā)工作。最近幾年內(nèi)，一些新的北美公司 (如Genoa、Agility 和 Axon)也開始從事 SOA 器件和子系統(tǒng)開發(fā)。日本的 SOA 開發(fā)工作主要瞄準(zhǔn)實用化商用產(chǎn)品開發(fā)，以 NEC、Mitsubishi 和 NTT 為代表的公司致力于分組交換的 SOA 產(chǎn)品，據(jù)報道已開發(fā)出30dB 增益和 6dB 噪聲值的 SOA 器件。最近又提出一種新的光放大器的理論：LOA。LOA 是在有源區(qū)的上下面之間設(shè)有反射層，在激光器發(fā)生振蕩時，增益與反射鏡的反射率之積為 1，也就是說當(dāng)激光器的反射率一定時，其增益也保持一定。2003 年 NEC 公司采用了 Genoa公司的第二代線性光放大器芯片，以及 EML 芯片和調(diào)制驅(qū)動芯片，推出了傳輸距離達(dá) 80km、10Gbps 光轉(zhuǎn)發(fā)器。2003 年 4 月美國 Finisar 公司并購了 Genoa 并成功推出了 LOA 的商品G111，它不但可以提供可靠增益(8nm 帶寬增益平坦度 7為 0.5，整個帶寬增益平坦度為 1.0)，并在 40Gbps 的 DWDM 系統(tǒng)中極好地抑制了串?dāng)_。這種 LOA 的參數(shù)：帶寬 15301565nm，增益 17dB，輸出10dBm，工作電流 200300mA。半導(dǎo)體光放大器的主要優(yōu)點：(a)工作波長范圍大?；?InGaAsP/In 材料系的 SOA 能夠覆蓋全部的光纖低損耗窗口。(b) 體積小、結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、反應(yīng)速度快；(c)可與其它有源和無源光電子器件進(jìn)行混合或單片集成。半導(dǎo)體光放大器存在的主要缺點：(a)不同波長通道間存在較強的交叉增益調(diào)制與非線性相互作用；(b)為消除SOA 端面反射所形成的 Fabry-Perot 效應(yīng)，需要在端面上鍍抗反射膜，增加了工藝難度和制作成本。（C)在與光纖進(jìn)行耦合時，芯片兩端與光纖的耦合損耗均在3dB 以上； (d)SOA 輸入端與光纖的耦合損耗將直接表現(xiàn)為放大器噪聲因子的增加，造成 SOA 噪聲特性的劣化。1.3 研究意義利用法布里一珀羅半導(dǎo)體光放大器的信號處理功能，能大大優(yōu)化它的性能。所以分析 FPSOA 的雙穩(wěn)特性具有十分重要的意義。另外，對半導(dǎo)體光放大器的電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文4數(shù)值建模與仿真分析是對其進(jìn)行分析與設(shè)計的基本技術(shù)基礎(chǔ)。同實驗研究相比，它具有簡單、方便、分析設(shè)計速度快、成本低廉等優(yōu)點。同時，它同實驗研究也是相輔相成的，通過仿真分析可以指導(dǎo)實驗研究，而實驗結(jié)果又可以為仿真分析中所使用的模型與參數(shù)的改進(jìn)提供可靠的依據(jù)。1.4 主要工作本論文的主要研究內(nèi)容是研究和分析半導(dǎo)體的雙穩(wěn)態(tài)，根據(jù)邊界條件以及 F-P 腔的標(biāo)準(zhǔn)理論得到腔內(nèi)平均光子數(shù)與輸入信號光功率之間的關(guān)系，結(jié)合載流子密度的速率方程，并考慮到半導(dǎo)體光放大器有源腔有效折射率和載流子濃度之間的關(guān)系來分析半導(dǎo)體光放大器的功率雙穩(wěn)特性 8。通過建立出理論模型，來確定產(chǎn)生雙穩(wěn)態(tài)的必要條件，并且尋找控制雙穩(wěn)環(huán)寬度的途徑。第二章 半導(dǎo)體光放大器相關(guān)理論5第二章 半導(dǎo)體光放大器相關(guān)理論2.1 基本物理模型2.1.1 基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光放大器是出現(xiàn)最早的光放大器，它類似于一個無反饋或反饋量不足以引起激射的半導(dǎo)體激光器，其基本結(jié)構(gòu)是一個半導(dǎo)體 PN 結(jié)，SOA 在正偏壓、強注入電流作用下，有源區(qū)半導(dǎo)體內(nèi)的導(dǎo)帶與價帶間由于非平衡載流子的注入而形成粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)，在入射光作用下通過受激躍遷產(chǎn)生光增益，使輸入光信號得到放大。SOA 兩端施以抗反射涂層，以減小半導(dǎo)體材料與空氣分界面上的菲涅爾反射。半導(dǎo)體光放大器還包括了數(shù)個外延生長的材料層，其中最主要的是有源層，有源層內(nèi)的載流子是由加在半導(dǎo)體 PN 結(jié)上的正向偏置電流注入的。在采用雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體光放大器中，有源層周圍是具有較低折射率的寬帶隙材料，而有源層的半導(dǎo)體材料通常具有較高的折射率和較窄的帶隙，從而對注入載流子和光場形成有效的限制，使器件的注入效率和受激輻射效率大大提高。半導(dǎo)體光放大器現(xiàn)在主要利用其非線性大的優(yōu)點，用予波長變換，光開關(guān)和光邏輯器件等方面，同時短距離的中繼放大也可采用半導(dǎo)體光放大器圖 2-1 半導(dǎo)體光放大器結(jié)構(gòu)示意圖通常光半導(dǎo)體放大器分為兩大類：一種是將普通半導(dǎo)體激光器用作光放大器，稱為法布里-珀羅(F-P)半導(dǎo)體激光放大器，另一種是在 F-P 激光器的兩個端面上電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文6涂上抗反射膜，以獲得寬頻、低噪的高輸出特性。由于這種放大器是在光行進(jìn)過程中對光進(jìn)行放大的，故被稱為行波式光放大器。圖 3-1 給出了 SOA 的基本結(jié)構(gòu)。但是我們必須考慮在法布里珀羅腔體界面上的多次反射。這就是 F-P 光放大器。入射光從左端面進(jìn)入，通過具有增益的有源層介質(zhì)之后到達(dá)右端面，部分從端面反射，大部分從端面出射。反射光反向通過有源層至左端面，又經(jīng)過一次放大，部分從左端面出射，其余部分又從