用于全光信號(hào)處理的量子阱半導(dǎo)體光放大器器件特性改善.pdf

1、光通信網(wǎng)絡(luò)取得了快速的發(fā)展，目前傳輸網(wǎng)絡(luò)中的通信容量已經(jīng)達(dá)到了Pb/s量級(jí)，但在交換節(jié)點(diǎn)為了實(shí)現(xiàn)Pb/s量級(jí)的交換容量，傳統(tǒng)的光電光的電域處理方式面臨著越來(lái)越大的功耗壓力和光電轉(zhuǎn)換的速率瓶頸，越來(lái)越難以滿足超高速大容量光通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展要求；而全光信號(hào)處理避免光電光轉(zhuǎn)換過(guò)程，能降低功耗、提高處理速率，為高速光交換技術(shù)提供了新的途徑。
　　全光信號(hào)處理一般是基于器件的非線性效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在各種實(shí)現(xiàn)全光信號(hào)處理器件中，半導(dǎo)體光放大器（SO

2、A）因?yàn)榫哂蟹蔷€性系數(shù)高、體積小、便于集成、非線性效應(yīng)豐富等優(yōu)點(diǎn)，受到持續(xù)的關(guān)注和研究。尤其是量子阱SOA，既能通過(guò)能帶工程實(shí)現(xiàn)非線性效應(yīng)的選擇性調(diào)控，又能利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）方法進(jìn)行大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)，在各種非線性應(yīng)用中被廣泛采用。本文以用于全光信號(hào)處理的量子阱SOA為主要研究對(duì)象，針對(duì)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換、碼型轉(zhuǎn)換和信號(hào)再生等全光信號(hào)處理應(yīng)用，通過(guò)優(yōu)化能帶結(jié)構(gòu)和改善工作條件，選擇性增強(qiáng)不同的非線性效應(yīng)，得到了最佳的應(yīng)用輸出性

3、能。概括全文的研究成果和貢獻(xiàn)，有如下幾個(gè)方面：
　　（1）研究了用于全光信號(hào)處理的量子阱SOA理論模型。首先改進(jìn)了量子阱SOA能帶結(jié)構(gòu)求解算法，在求解精度不變的情況下，求解時(shí)間減少為原來(lái)的1/103，求解內(nèi)存減少為原來(lái)的1/333。其次將量子阱SOA的能帶結(jié)構(gòu)求解和密度矩陣方程結(jié)合起來(lái)，建立了量子阱SOA能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料極化率調(diào)控之間聯(lián)系；進(jìn)行了模塊化編程，實(shí)現(xiàn)了主流Ⅲ-Ⅴ族量子阱材料極化率的計(jì)算。然后面向不同的應(yīng)用場(chǎng)景，將能帶

4、結(jié)構(gòu)求解、極化率計(jì)算和超快動(dòng)態(tài)模型構(gòu)建聯(lián)系起來(lái)，建立了量子阱SOA載流子加熱模型和超快偏振模型。最后詳細(xì)分析了量子阱SOA能帶結(jié)構(gòu)對(duì)材料增益、微分增益、折射率變化、微分折射率變化、線寬增強(qiáng)因子、偏振相關(guān)增益和三階非線性極化率等SOA特征參數(shù)的影響，為用于全光信號(hào)處理量子阱SOA有源區(qū)設(shè)計(jì)提供了很好的參考標(biāo)準(zhǔn)。
　?。?）理論研究了基于交叉增益調(diào)制（XGM）、交叉相位調(diào)制（XPM）、瞬態(tài)交叉相位調(diào)制（T-XPM）和四波混頻（FWM）

5、效應(yīng)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)，分析了存在的關(guān)鍵問(wèn)題，提出了相應(yīng)的改善方案。針對(duì)基于XGM效應(yīng)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，通過(guò)調(diào)控載流子向阱區(qū)的注入過(guò)程可實(shí)現(xiàn)XGM效應(yīng)的增強(qiáng)和載流子恢復(fù)時(shí)間的加快。針對(duì)基于XPM效應(yīng)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，利用量子阱SOA傳輸方向的差異性可實(shí)現(xiàn)慢恢復(fù)過(guò)程的抑制，改善波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換性能。針對(duì)基于T-XPM效應(yīng)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，利用帶凹陷的泵浦光實(shí)現(xiàn)了量子阱SOA中帶內(nèi)過(guò)程和帶間過(guò)程相對(duì)強(qiáng)弱的調(diào)控，在無(wú)濾波器輔助的情況下載流子恢復(fù)時(shí)間只有2.75皮秒，工作速

6、率可達(dá)到640Gb/s。針對(duì)基于FWM效應(yīng)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，優(yōu)化量子阱SOA能帶結(jié)構(gòu)可將三階非線性極化率增強(qiáng)2.3倍。
　?。?）理論和實(shí)驗(yàn)研究了光通信網(wǎng)絡(luò)中不同調(diào)制格式之間的碼型轉(zhuǎn)換。首次實(shí)現(xiàn)了帶有再生和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換功能的40Gb/s非歸零差分相移鍵控（NRZ-DPSK）信號(hào)到歸零開(kāi)關(guān)鍵控（RZ-OOK）信號(hào)的碼型轉(zhuǎn)換；通過(guò)延時(shí)干涉儀（DI）或者失諧帶通濾波器對(duì)歸零差分相移鍵控（RZ-DPSK）、非歸零正交相移鍵控（NRZ-QPSK）和歸

7、零正交相移鍵控（RZ-QPSK）信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)帶有再生和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換功能的RZ-DPSK/NRZ-QPSK/RZ-QPSK到RZ-OOK的碼型轉(zhuǎn)換；更進(jìn)一步優(yōu)化了量子阱SOA有源區(qū)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了非線性效應(yīng)，提高了碼型轉(zhuǎn)換性能和效率。對(duì)于NRZ到RZ的碼型轉(zhuǎn)換，提出了XGM效應(yīng)占主導(dǎo)作用的新方案，實(shí)驗(yàn)證明基于XGM效應(yīng)的碼型轉(zhuǎn)換性能遠(yuǎn)好于之前基于XPM效應(yīng)的方案；最后基于新方案實(shí)現(xiàn)了2×80Gb/s偏振復(fù)用（PDM）NRZ-QPS

8、K到PDM RZ-QPSK碼型轉(zhuǎn)換。
　?。?）理論和實(shí)驗(yàn)研究了基于交叉增益抑制（XGC）效應(yīng)的相位調(diào)制信號(hào)的幅度再生。首次基于XGC實(shí)現(xiàn)了NRZ-DPSK信號(hào)的幅度再生，在1×10-9誤碼處再生了2.77dB；對(duì)實(shí)驗(yàn)中用到的兩個(gè)非線性效應(yīng)和設(shè)計(jì)需求完全不同量子阱SOA，進(jìn)行了非線性效應(yīng)的選擇性調(diào)控，使得每個(gè)SOA都工作在最佳狀態(tài)。進(jìn)一步簡(jiǎn)化了XGC的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了兩路RZ-DPSK信號(hào)的幅度再生和量子阱SOA結(jié)構(gòu)優(yōu)化。最后研究