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1、半導(dǎo)體光放大器及其在全光信號(hào)處理技術(shù)中的應(yīng)用張新亮第一部分 半導(dǎo)體光放大器及其應(yīng)用基礎(chǔ)半導(dǎo)體光放大器基本概念半導(dǎo)體光放大器理論模型半導(dǎo)體光放大器應(yīng)用的基本原理（一）半導(dǎo)體光放大器基本概念工作原理特點(diǎn)存在問(wèn)題及解決方案半導(dǎo)體光放大器原理及性能工作原理與半導(dǎo)體激光器類(lèi)似：受激輻射不同點(diǎn)：1）LD中激發(fā)受激輻射的光子產(chǎn)生于自發(fā)輻射， 放大的自發(fā)輻射；SOA中激發(fā)的光子是外界的輸入信號(hào)，放大光信號(hào)；2）LD中端面反射率越高，越容易激射（鍍?cè)龇茨ぃ籗OA中鍍?cè)鐾改?；SOA特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：體積小，便于集成（大規(guī)模陣列），增益帶寬寬，可適合工作波長(zhǎng)范圍（
2、1200-1700nm），載流子恢復(fù)時(shí)間快，動(dòng)態(tài)特性好，便于光信號(hào)處理；存在問(wèn)題：端面剩余反射引起的增益紋波噪聲指數(shù)（放大的自發(fā)輻射噪聲）有限的飽和輸出功率（增益飽和）偏振相關(guān)性解決方案——增益紋波1）直腔的端面反射率需要控制在10－6量級(jí)；2）目前普遍采用斜腔＋鍍膜FiberinputFiberoutput3)掩埋窗口解決方案－噪聲指數(shù)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)參數(shù)過(guò)剩噪聲參數(shù)輸入端耦合效率噪聲指數(shù)與輸入端耦合效率相關(guān)?。?！與SOA單片集成模斑變換器實(shí)用的技術(shù)：錐形光纖（透鏡光纖）解決方案---偏振相關(guān)性（1）體材料SOA中模場(chǎng)限制因子增益系數(shù)偏振相
3、關(guān)增益TETM可以做成方形，亞微米級(jí)寬有源區(qū)應(yīng)變量子阱SOA解決方案---偏振相關(guān)性（2）ValencebandConductionbandTensilewellCompressivewellTMtransitionTEtransitionTEtransitionbarrierbarrierbarrierInPInPe-e-壓應(yīng)變無(wú)應(yīng)變張應(yīng)變解決方案---偏振相關(guān)性（3）張應(yīng)變量子阱中適當(dāng)條件偏振不相關(guān)lhn-InPwaveguidelayermatchedquantumwelltensilestrainedquantumbarrier
4、p-InPhhConductionbandValenceband需要比較大的應(yīng)變解決方案—偏振相關(guān)性（4）張應(yīng)變體材料（引入比較小的張應(yīng)變）Alcatel，錐形有源區(qū)，器件纖到纖增益達(dá)29dB，偏振相關(guān)性小于0.3dB;解決方案---增益線(xiàn)性（1）放大外界光信號(hào)與內(nèi)部激射光對(duì)載流子消耗（受激輻射）的競(jìng)爭(zhēng)解決方案---增益線(xiàn)性（2）LinearOpticalAmplifier(LOA)GenoaCorporation集成的垂直腔激光器對(duì)放大器的增益進(jìn)行鉗制State-of-art?3dB帶寬bandwidth70nm?增益GAIN(Fib
5、er-to-fiber)>30dB?增益波紋(gainripple)0.1-0.3dB?飽和輸出功率(saturatedoutputpower)>+17dBm?噪聲指數(shù)（noisefigure）：6~8dB?偏振相關(guān)性（polarizationdependance）：<1dB其它技術(shù)-量子點(diǎn)SOA量子點(diǎn)SOA增益帶寬可達(dá)300nm，最大輸出功率可接近20dBm，噪聲指數(shù)小于5dB，載流子恢復(fù)時(shí)間更快（體材料1ns，量子阱400ps，量子點(diǎn)幾十ps）；其它技術(shù)-光泵浦垂直腔SOA980nm泵浦提供粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，放大1310nm光信號(hào)，但目前
6、增益只有13dB左右，1550nm尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)（二）半導(dǎo)體光放大器理論模型載流子速率方程載流子注入缺陷復(fù)合、自發(fā)輻射復(fù)合、俄歇復(fù)合引起載流子消耗放大自發(fā)輻射（受激輻射）引起的載流子消耗放大外界輸入光信號(hào)（受激輻射）引起的載流子消耗動(dòng)態(tài)數(shù)值分析模型考慮載流子的沿有源區(qū)長(zhǎng)度方向分布的不均勻性，將SOA分成M段，每一小段看成一個(gè)整體；…………NkR1R2SOA中第K段放大自發(fā)輻射噪聲及引起載流子消耗的處理等效矩形法方法簡(jiǎn)單，適用于考慮放大自發(fā)輻射引起載流子消耗譜分段法：適用于模擬輸出ASE譜，更精確的等效矩形法放大自發(fā)輻射的傳播增益紋波的處理考
7、慮端面剩余反射的情況下，ASE譜不會(huì)是光滑的，而會(huì)出現(xiàn)左圖所示的調(diào)制：與諧振腔的駐波頻率相關(guān)。諧振腔的縱模間隔光譜分段的寬度考慮的光譜范圍載流子壽命有效載流子恢復(fù)時(shí)間的概念增益色散性和增益譜非對(duì)稱(chēng)性邊界條件動(dòng)態(tài)方程的解法穩(wěn)態(tài)解的確定－提供解動(dòng)態(tài)方程的初始條件或計(jì)算穩(wěn)態(tài)特性1）假設(shè)SOA已處于穩(wěn)定狀態(tài)，用任意的初始值去試，然后按照一定的迭代逼近法去逐漸逼近穩(wěn)態(tài)值（載流子速率方程等式右邊為0）---打靶法；2）按照入射光在SOA中傳播的路線(xiàn)，一步步往前計(jì)算；最后計(jì)算得到前后兩次載流子濃度相差小于某一個(gè)判據(jù)動(dòng)態(tài)解的確定SOA穩(wěn)態(tài)輸出光譜蔣中計(jì)
8、算結(jié)果(三)半導(dǎo)體光放大器應(yīng)用的基本原理光場(chǎng)傳播方程一階非線(xiàn)性極化（增益的飽和）：增益的調(diào)制和折射率的調(diào)制三階非線(xiàn)性極化（載流子密度脈動(dòng)、載流子加熱和光譜燒孔）對(duì)應(yīng)半導(dǎo)體光放大器中的靜態(tài)非線(xiàn)性效應(yīng)，與頻率失
