（通信与信息系统专业论文）半导体光放大器理论模型及仿真技术研究.pdf

北京交通大学硕士论文 中文摘要 半导体光放大器( s o a ) x 其工作波长范围大、体积小、功耗低、反应速度快、 非线性大和易于集成等优点，在d w d m 网络扮演越来越重要的角色。半导体光放 大器在光通信网中除了用于线路放大器外，还在全光波长转换器、调制器、光开 关等方面的应用具有突出的优势。 对半导体光放大器的数值建模与仿真分析是对其进行分析与设计的基本技术 基础。同实验研究相比，它具有简单、方便、分析设计速度快、成本低廉等优点。 同时，它同实验研究也是相辅相成的，通过仿真分析可以指导实验研究，而实验 结果又可以为仿真分析中所使用的模型与参数的改进提供可靠的依据。 本文对半导体光放大器的基本理论和数值仿真模型进行了较为系统和深入的 研究，主要包括以下几个方面： 1 ，较为系统地论述了半导体光放大器的基本结构和工作原理，在此基础上导出了 基于腔内电磁场随机光场展开的s o a 行波方程和载流子速率方程。 2 ，采用s o a 长度分段和噪声分段的方法建立了一维半导体光放大器静态模型， 并对模型进行数值化，利用f o r t r a n 语言实现s o a 的仿真，详细分析了信 号光、a s e 噪声以及载流子浓度在半导体光放大器长度的分布，研究了各种参 数对半导体光放大器增益，饱和增益，噪声谱的影响。 3 ，建立基于信号和随机噪声光场的半导体光放大器动态模型，并对模型进行数值 化，利用f o r t r a n 语言实现对s o a 器件的仿真，详细分析了半导体光放大 器对时域信号的放大作用，研究了各种参数对半导体光放大器性能的影响。 4 ，利用所建立的半导体光放大器时域动态仿真模型，对交叉增益调制( x g m ) s o a 波长转换技术进行了数值仿真研究与实验研究，并对所得到的理论与实验结果 进行了分析。 关键字：半导体光放大器；静态模型；动态时域模型；材料增益；饱和增益； 噤声谱波长转换，交叉增益调制 英文摘要 a b s t r a c t s 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 s ( s o a s ) a r ep l a y i n gam 0 4 ea n dm o r ei m p o r t a n t r o l ei nd w d mn e t w o r k sf o rh i sn o t a b l ea d v a n t a g e sw h i c hi n c l u d e ：w i d eb a n do f o p e r a t i o nw a v e l e n g t h , s m a l ls i z e , l o wd r i v i n gp o w e r , h i g hs p e o d ，b i gn o n l i n e a r c o e f f i c i e n t , a n dc o n v e n i e n tf o ri n t e g r a t i o n , e s p e c i a l l yi ns e a b a s e df u n c t i o n a lm o d u l e s , s u c ha sw a v e l e n g t hc o n v e r t e r s , o p t i c a ll o g i cd e v i c e s ，a n do p t i c a lg a t e s m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o na l ec r i t i c a lt o o l sf o ra n a l y z i n ga n dd e s i g n i n go fs o a s c o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t s , s i m u l a t i o n i sm o r es i m p l e , c o n v e n i e n t , f a s t , a n d i n e x p e n s i v e i nf a c t s , s i m u l a t i o n sc 日np r o v i d eb a s i cg u i d e l i n e sf o re x p e r i m e n t s , a n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sc a nb eu s e dt ov a l i d a t et h et h e o r e t i c a la n dn u m e r i c a lm o d e lu s e di n t h es i m u l a t i o n s i nt h i st h e s i s , t h et h e o r e t i c a lm o d e la n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n so fs o a sw e f e s t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y , w h i c hi n c l u d et h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： l ，t h eb a s i cs u u c t n r 爆a n do p e r a t i n gp r i n c i p l e so fs o a sa r cd e s c r i b e da n d d i s c u 懿辩正a n dat h e o r e t i c a lm o d e l , as e to fu a v e l i n g - w a v er o t ee q u a t i o n s , h a sb e e n d e r i v e df o rs o a sb a s e do nar a n d o me x p a n d i n go ft h eo p t i c a lf i e l d sw i t h i nt h ec a v i t yo f t h ed e v i c e s 。 2 ，a no n e - d i m e n s i o nn u m e r i c a lm o d e lf o r t h ea n a l y z i n go fs e as t a t i c - s t a t e p r o p e r t i e sh a sb e e ne s t a b l i s h e db yd i v i d i n gt h es o a si n t om a n ys u b s e c t i o n sa n d c o n s i d e r i n gt h ef o i l - b a n da s ef i e l d s t h e n , t h eh u m e l i c a lm o d e lw a ss u c c e s s f u l l y i m p l e m e n t e du s i n gf o r t r a nl a n g u a g e t h cd i s t r i b u t i o n so fo p t i c a ls i g n a lf i e l d s a s e f i e l d s , a n d 两e c t e dc a r r i e rd e n s i t ya l o n gt h ec a v i t yo ft h ed e v i c e sa r ec a l c u l a t e da n d a n a l y z e d ，m e a n w h i l e ，t h ee f f e c t so fv a r i o u ss e ap a r a m e t e r so nt h ep r o p e r t i e so ft h e d e v i c e sa r e ：s i m u l a t e da n dc h a r a c t e r i z e du s i n gt h en u m e r i c a lp r o g r a m 3 ，ad e t a i l e df i e l d - b u s e dt i m e - d o m a i nd y n a m i cm o d e lw a sd e v e l o p e db y n u m e r i c a l l ys o l v i n gt h et r a v e l i n g - w a v er a t ee q u a t i o n si n t i m ea n ds p a c ed o m a i n f o r t r a ni sa g a i nu s e da st h ep r o g r a m m i n gl a n g u a g e s i g n a la m p l i f i c a t i o n su s i n g s o a sa r es i m u l a t e da n da n a l y z e du n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n ga n dd e v i c ep a r a m e t e r s n e e f f e c t so fv a r i o u sp a r a m e t e r so nt h es e ap e r f o r m a n c eu n d e rd y n a m i co p e r a t i o n sa r e d i s c u s s e d 4 b a s e d 雌t h et i m e d o m a i nd y n a m i cm o d e ld e v e l o p e di nt h i st h e s i s , s o ab a s e d w a v e l e n g t hc o n v e r s i o nb a s e do nt h ex g m e f f e c ti ns o a sa r es t u d i e dn u m e r i c a l l ya n d e x p e r i m e n t a l l y ，a n dt h er e s u l t sa r ca n a l y z e da n dd i s c u s s e d k e yw o r d s ：s 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 ( s o a ) ；s t a t i cm o d e l ；d y n a m i cm o d e l ； m a t e r i a lg a i n , s a t u r a t i o ng a i n ，a s es p e c t r u m ，w a v ec o n v e r s i o n ，x g m 致谢 本论文的工作是在我的导师陈根祥教授的悉心指导下完成的，陈根祥教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在学习和科研方面， 陈老师经常了解我的学习和科研情况，并给我讲解最新的前沿进展，为我的研究 指明前进的方向，在毕业论文上陈老师也给我了很多的指导和帮助。在生活上， 陈老师经常提醒我注意身体，在我遇到困难的时候，陈老师总是在第一时刻给我 帮助。在此向陈老师表示衷心的谢意。 我所的宁提纲教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此 向他表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，毛向桥博士、吕博博士、卢丹博士、陈明博 士为我的论文提出了很多宝贵的建议并给予了热情的帮助，在此向他们表达我的 盛激之情。同时与我同导师的硕士研究生梁永灵同学和姜宏波同学也为我的论文 给予了很多的帮助，在此向他们表示感谢。 另外要特别感谢我的父亲和母亲，他们的理解和支持使我能够在学校专心完 成我的学业 北京交道大学硕士论文 1 引论 1 1 光放大技术及其对光通信的影响 1 1 1 光放大技术对光纤通信的巨大推动作用 在高度信息化韵今天，通信已经成为了人们日常生活的一部分，各种通信新 业务的出现和使用者的增多，无疑对通信网容量提出了极大的挑战，而光通信以 其高速率、大容量、可透明传送数据等优点p o s ，从一开始就吸引着人们的目光。 现在光纤技术已经成为全球信息的最主要的承载体，从各国之间的国际光缆到国 内的长途干线网无处不是光纤技术的贡献。人们已共同意识到未来光网络应具有 的能力包括：具有能传输各种业务几乎无限的带宽，能透明传输数据以使通信终 端能灵活方便的升级和选择路由而光放大器使得上述光网络优势的实现成为可 能 传统的光信号放大技术采用光电光方法，这种结构的光纤通信系统对长距离 信号传输存在几个明显的不足：( 1 ) 由于沿途需要设置很多中继站并采用很多电子 和光电子器件，极大地增加了系统的建设以及运行和维护成本。同时也减低了系 统的可靠性；( 2 ) 由于中继器中电子电路响应速度和带宽的限制，使得对使用原有 系统进行高速率信号传输受到“电子瓶颈”的影响而变得十分困难；( 3 ) 建造多波长 中继器的复杂性使得利用d w d m 技术对系统进行大规模扩容升级几乎不可能实 现。如果能够不经过光电和电光转换而直接对衰减了的光信号进行放大，则上述 闯题均可以迎刃而解，因此对各种光放大技术的研究对光纤通信系统的发展意义 十分重大，一直是光纤通信和光电子技术领域的一个倍受关注的热点研究与开发 方向。 1 1 1 2 光放大器的主要类型 总的来说光放大器【6 7 】可分成两大类；半导体光放大器( s e m i c o n d u c t o ro p t i c a l a m p l i f i e r ) 和光纤放大器( o p t i c a lf i b c r a m p l i f i e r ) 。光纤放大器又可分为：掺稀土 离子光纤放大器( r a m e a r t h i o n d o p e d f i b e r a m p l i f i e r ) 和非线性光纤放大器。掺 稀土离子光纤放大器的工作原理是受激辐射，而非线性光纤放大器是利用光纤的 非线性效应放大光信号实用化的光纤放大器有掺铒光纤放大器( e d f a ) 和拉曼 光纤放大器( r a m a nf i b c r a m p l i f i e r ) 。下面分别对其进行简单介绍； ( 1 ) 掺饵光纤放大器 掺饵光纤放大器的工作原理是受激辐射，采用掺杂稀土饵离子的光纤作为增 引论 益介质。光信号通过e d f a 的放大过程如下：增益介质在泵浦光的作用下，能量 被储存在激活介质处于激发态的稀土离子中，整个系统处于粒子数反转状态，当 外来信号通过激活介质时，激发态粒子在信号光的作用下产生受激辐射，产生与 原信号光特性相同的光子，使信号光得到放大。 掺铒光纤放大器的主要优点：( a ) 工作波长与单模光纤的最小衰减窗口一致。 ( b ) 耦合效率高，能量转换效率高。( c ) 增益高、噪声指数较低、输出功率大，信道 问串扰很低。( d ) 增益特性稳定，e d f a 对温度不敏感，增益与偏振相关性小。 掺铒光纤放大器的主要缺点：( a ) 增益波长范围固定；( b ) 增益带宽不平坦；( c ) 光浪涌问题：采用e d f a 可使输入光功率迅速增大，但由于e d f a 的动态增益变 化较慢，在输入信号能量跳变的瞬间，将产生光浪涌，尤其是当e d f a 级联时， 光浪涌现象更为明显。 ( 2 ) 分布式光纤拉曼放大技术 拉曼光纤放大器是基于受激拉曼散射的光纤放大器，受激拉曼散射( s r s ) 是 光纤中的种非线性现象，当注入光纤介质中的光功率非常高时，高能量( 波长 较短) 的泵浦光散射，将一小部分入射光功率转移到频率比其低的斯托克斯波 ( s t o k e s 波) 上，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为拉曼效应。如果 一个弱信号与一个强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的 拉曼增益带宽内，弱信号光即可以得到放大，这种基于受激拉曼散射机制的光放 大器即称为光纤拉曼放大器( f r a ) 拉曼光纤放大器的优点：( a ) 在任何类型光纤上都有增益，增益波长由泵浦 波长决定：( b ) 放大器结构较简单，并可抑制非线性效应；( c ) 宽带范围( 3 0 h m ) 内增益平坦( - 1d b ) ，同时选择更多泵浦波长还可增加带宽和增益平坦度；( d ) 对 光信号提供分布式放大。 拉曼光纤放大器的不足之处在于：( a ) 泵浦的光子效率较低，需要高功率泵 浦；( b ) 强烈的偏振相关增益，现场光纤的增益特性不一致；( c ) 由于分布式拉 曼放大器的增益介质是传输光纤自身，首先光纤的性能对增益有较大影响，光纤 如果质量较差，特别是靠近拉曼光纤放大器端质量较差比如有大的损耗点或者有 较大的反射系数，将严重影响系统性能，甚至造成线路烧毁。 ( 3 ) 半导体光放大器 半导体光放大器是出现最早的光放大器，它的基本结构类似于无反馈或反馈量 不足以引起振荡的半导体激光器s o a 在正偏压、强注入电流作用下，有源区半 导体内的导带与价带间由于非平衡载流子的注入而形成粒子数分布反转，在入射 光作用下通过受激跃迁产生光增益，使输入光信号得到放大。 半导体光放大器的主要优点：( a ) 工作波长范围大。基于l n g a a s p i n p 材料系 北京交通大学硕士论文 的s o a 能够覆盖全部的光纤低损耗窗口。( b ) 体积小、结构简单、功耗低、反应 速度快；( c ) 可与其它有源和无源光电子器件进行混合或单片集成。 半导体光放大器存在的主要缺点：( a ) 不同波长通道间存在较强的交叉增益调 制与非线性相互作用；( b ) 为消除s o a 端面反射所形成的f a b r y - p e r o t 效应，需要 在端面上镀抗反射膜，增加了工艺难度和制作成本。c o ) 在与光纤进行耦合时， 芯片两端与光纤的耦合损耗均在3 d b 以上；( d ) s o a 输入端与光纤的耦合损耗将 直接表现为放大器噪声因子的增加，造成s o a 噪声特性的劣化。 1 1 3 各种光放大技术的比较 从上面可以看出各种光放大器都有不同的优缺点，他们的应用范围也不一样， e d f a 和拉曼光纤放大器主要应用于光信号的在线放大，比如长途干线网的中继在 线放大，同时拉曼光纤放大器的放大波长范围很大，利用e d f a + f r a 技术可以构 成宽带光纤在线放大器半导体光放大器现在主要利用其非线性大的优点，用予 波长变换，光开关和光逻辑器件等方面1 1 】，同时短距离的中继放大也可采用半导 体光放大器表1 1 列出了光纤放大器和半导体光放大器的一些主要参数指标。 表1 1o f a 与s o a 的主要参数 1 2 $ 0 a 技术的发展及其在光通信中的应用 1 2 18 0 技术的发展 半导体光放大器是伴随半导体激光器的发明而提出来的。在6 0 年代半导体激 g l 论 光二极管尚未成熟，但已在温度力k 下，首先进行了g a a s 同质结行波半导体放大 器的研究，开创了半导体光放大器研究的先河，确立了半导体光放大器的基本理 论。至1 9 7 眸，双异质结结构激光器问世后，又实现了行波( 1 w ) 半导体光放大 器的室温连续工作。在1 9 7 3 年至1 9 7 5 年问，开始从光纤通信应用要求出发研究 双异质结结构行波( 1 w ) 型和法布里珀罗( f p ) 型光放大器的特性并取得重要 进展，其q b l 9 7 3 年z d d l e 和p c 揩删d 进行了最初的s o a 实验i s - 9 ，8 0 年代初，采用 消除反射光的光隔离器和精确的光频率调谐技术，深入研究了a i g a a sf p 光放大 器的增益、带宽、饱和增益与噪声特性及其对光纤通信系统性能的影响。同时开 始研究半导体放大器的注入锬定现象、机理、设计和放大特性。8 0 年代中期开始 研究适用于1 3 a m 和1 5 p m 波长的i n c m a s p 半导体光放大器【1 0 】。 年代以前s o a 的研究主要集中在s o a 的增益、饱和增益、噪声、带宽、 饱和输出功率等主要特性上。9 0 年代初，低噪声掺铒光纤放大器( e d f a ) 的出现 使s o a 的功率放大功能在光纤线路放大方面的地位受到了极大的挑战，1 5 5 u m 窗 口的在线放大功能基本上由e d f a 完全取代。 进入9 0 年代以后，由于量子阱、超晶格技术的发展，特别是应变量子阱技术 的日趋成熟，半导体光放大器的研究进入了一个新的空闯0 0 - 1 2 1 ，半导体光放大 器的性能得到全面和大幅度的提高，特别是增益的偏振灵敏度、噪声指数已明显 降低1 1 3 1 ，已达到和e d f a 相比拟的水平，饱和输出功率、小信号增益也有显著提 高。 1 2 2 作为线路放大器的s 姒 ( 1 ) 前置放大器 为了改善光接收机的信噪比，系统需要在光接收机前使用前置放大器，光接 收机一般采用结合场效应管的p i n 或a p d 光探测，试验表明p i n 光探测器如能与 一个在4 0 0 0 g h z 带宽下提供2 0 d b 增益的光前置放大器相连性能会有很大的提高。 采用s o a 作为前置放大器的光接收机如图所示。在图示的应用中，与放大器输入 端的高效连接是极为重要的，同时接收机还需要一个滤波器滤除宽带放大器的噪 声。 图1 - 1 采用s o a 的光接收机结构图 - 4 一 北京交通大学硕士论文 r 2 ) 线性中继器 在光传输系统中主要的问题是色散和损耗。但是在局域网或短距离的城域网 中，光纤色散就显褥不重要了，同时由于众多的用户接入，补偿用户的损耗成为 主要问题，此时就不需要复杂的再生中继器，使用线性光放大器就可以补偿系统 的损耗，但由于e d f a 设备复杂，价格比较昂贵，面半导体光放大器结构筒单且易 于同其他器件集成，是线性中继器较为理想的候选器件 ( 3 ) 功率提升放大器 功率提升放大器是放置在光发射端 6 】。功率放大器可以用来补偿类似于强部 l i n b 0 3 调制器、波分或时分复用器以及功率分流器等光设备的损耗。b t r l 已经试 验了功率放大器在相干传输系统中的使用；a t & t 贝尔实验室也完成了一个功率放 大器用于8 g b s 光时分复用系统的实验。b e l lc o r e 的研究人员已经用功率放大器 来补偿分路视频发送系统的分流损耗。s o a 功率放大器的主要限制因素来自饱和输 出功率和增益饱和特性。 1 2 3 基于s 0 的光功能模块 ( 1 ) s o a 在波长转换中的应用 全光波长变换技术是波长路由全光通信网中的关键技术之一。采用s o a 的波长 转换技术利用的是s o a 的增益饱和和非线性特性。与早期的光电波长变换器相比， 使用全光波长变换器可以增加波长路由的灵活性，同时有可能节省成本s o a g ； 现波长变换的方案【1 4 1 6 】主要有：基于s o a 的交叉增益调制特性实现的波长变换、 基于s o a 交叉相位调制特性实现的波长变换、基于光控激光器型的全光波长变换、 基于饱和吸收的半导体激光器型波长变换等。这些波长变换均有各自的优点。但 它的缺点是比特率或调制格式不透明，只有超高速的波混合技术才能对比特率和 调制格式完全透明。因此，人们又开始了更加广泛的研究工作。主要有基于单模 光纤中四波混频( m v m ) 效应的全光波长变换、基于半导体激光器中的f w m 的全 光波长变换、基于s o a 中f w m 的全光波长变换等，其中只有s o a 允许使用可调的 泵浦光源和任意的波长映射，从而备受人们关注。 ( 2 ) s o a 在光开关中的应用 s o a 作为光开关的主要优点在于它的高速开关能力、对本征损耗补偿( 因为自 身光放大k 高可靠性、较高集成潜力和紧凑尺寸等。通过将s o a 与平面光波回路 集成所构成的空间光开关矩阵可以获得5 0d b 以上的消光比，并且利用它可以抑制 串音。这一点是以往波导光路型光开关所做不到的。有人提出一种基于半导体光 放大器( s o a ) 的双端口全光光开关【1 7 】，这种光开关具有类似于非线性光学环路镜 ( n o l o ) 和t 比特光学非对称解复用器f f o a d ) 的结构，由于它是基于s o a 的，所 引论 以它结构紧凑，易于集成，而且只需要很小的控制光功率( 几个m w ) 。目前，将多 路波长与s o a 空间开关组合在一起，实现大规模光交叉连接矩阵也是波长路由全 光通信网的重要研究内容之一 1 3 对s o w 进行数值仿真的必要性与研究意义 1 3 1 对s o w 进行数值仿真研究的必要性 由于半导体内光与载流子相互作用本身的复杂性，使得对半导体光放大器进行 解析研究几乎是不可能实现的，最多只能针对某些特殊情况得到一些半解析的近 似结果因此，对半导体光放大器的数值建模与仿真分析是对其进行分析与设计 的基本技术基础。同实验研究相比，它具有简单、方便，分析设计速度快、成本 低廉等优点同时，它同实验研究也是相辅相成的，通过仿真分析可以指导实验 研究，而实验结果又可以为仿真分析中所使用的模型与参数的改进提供可靠的依 据。 半导体光放大器的主要特性包括：增益特性、噪声指数，饱和输出功率等， 对半导体光放大器的仿真就是要分析这些器件特性随s o a 的各种材料和结构等内 部参数以及输入信号及偏置电流等外部参数的变化情况，以及各种基于s o a 的系 统或模块的静态和动态特性预测，从而为设计和优化针对不同应用的半导体光放 大器奠定基础。 1 3 2 , s o w 静态特性仿真的意义 $ o a 的静态特性是指在直流偏置情况下，无输入信号或输入光为直流连续波 时$ o a 的放大白发辐射( a s e ) 输出谱、器件增益谱和增益饱和、噪声因子以及 空间烧孔等特性。 对半导体进行分析和设计必须要了解各种参数对s o a 的影响，比如材料参数： s o a 腔内散射损耗、增益特性、非辐射复合系数等，器件特性如：半导体光放大 器有源区波导的形状、端面反射率等，是如何影响半导体光放大器工作特性的。 这些特性通过半导体光放大器的静态模型都可以很方便的得到，有时候由于条件 的限制不方便对s o a 的一些参数迸行实验研究，比如要研究s o a 的非均匀电流 注入对增益的影响，实验就非常麻烦，同时利用静态模型还可以得到一些在实验 室中很难得到的参数比如载流子在s o a 长度上的分布( 空间烧孔效应) ，利用静 态模型就可以非常方面得到。通过静态模型的仿真设计出不同饱和功率的半导体 光放大器，还可以优化s o a 的尺寸，来获得最大的增益和噪声指数，这些都是很 - 6 北京交通大学硕士论文 有现实意义的。 与s o a 的动态模型与仿真技术相比，s o a 的静态特性仿真具有模型简单、仿 真效率高等优点，但在某些情况下可能存在计算不能收敛的问题。 1 3 3s 0 动态特性仿真的意义 在实际应用中，s o a 的静态模型存在明显的局限性。半导体光放大器的静态 模型不能实时的反映时域变化信号的输出结果，而实际应用中输入半导体光放大 器中的信号都是变化的。建立s o a 的动态仿真模型对于真实的反映输入光信号经 s o a 放大过程中以及放大后的时域特性是十分必要的。同时，对于半导体光放大 器作为功能模块的应用，比如光开光，波长转换和调制器等的仿真，只有动态模 型才能完成。 与s o a 的静态模型相比。动态模型具有更加广泛的适用性，且在任何情况下 均无条件收敛，但计算速度较慢。 1 4 本文的工作 本文对半导体光放大器的基本理论和数值仿真模型进行了较为系统和深入的 研究，主要包括以下几个方面： 1 ，较为系统地论述了半导体光放大器的基本结构和工作原理，在此基础上导出了 基于腔内电磁场随机光场展开的s o a 行波方程和载流子速率方程。 2 ，基于s o a 长度分段和噪声分段的方法建立了一维半导体光放大器静态模型， 并对模型进行数值化，利用f o r t r a n 语言实现s o a 的仿真，详细分析了信 号光、a s e 噪声以及载流子浓度在半导体光放大器长度的分布，研究了各种参 数对半导体光放大器增益，饱和增益，噪声谱，噪声指数的影响。 3 ，建立基于信号和随机噪声光场的半导体光放大器动态模型，并对模型进行数值 化，利用f o r t r a n 语言实现对s o a 器件的仿真，详细分析了半导体光放大 器对时域信号的放大作用，研究了各种参数对半导体光放大器性能的影响。 4 ，利用所建立的半导体光放大器时域动态仿真模型，对交叉增益调镯 ( x g m ) s o a 波长转换技术进行了数值仿真研究与实验研究，并对所得到的理论与实验结果 进行了分析。 半导体光放大器的基本理论模型 2 半导体光放大器的基本理论模型 半导体光放大器是利用半导体p n 结的光电子学特性，通过正向偏置电流的作 用，产生非平衡载流子，使半导体材料处于粒子数反转分布状态，从而使信号光 因受激辐射得到放大。因此研究半导体光放大器，首先需要熟悉半导体材料特性 和光电相互作用的物理机理。本章简要介绍了半导体的基本结构和原理，以及半 导体材料的光增益和自发辐射理论，在此基础上，针对半导体光放大器的宽谱特 性，应用频域分割的方法建立了基于随机光场展开的s o a 行波速率方程模型。最 后给出了半导体光放大器特性的一些近似的解析结果。 2 1s 0 的基本原理与结构 图2 - 1 1 给出了一个简单的半导体光放大器的结构示意图。事实上，半导体光 放大器类似于一个无反馈或反馈量不足以引起激射的半导体激光器，其基本结构 是一个半导体p n 结。s o a 两端施以抗反射涂层，以减小半导体材料与空气分界 面上的菲涅尔反射。半导体光放大器还包括了数个外延生长的材料层，其中最主 要的是有源层，有源层内的载流子是由加在半导体p n 结上的正向偏置电流注入 的在采用双异质结构的半导体光放大器中，有源层周围是具有较低折射率的宽 带隙材料，而有源层的半导体材料通常具有较高的折射率和较窄的带隙，从而对 注入载流子和光场形成有效的限制，使器件的注入效率和受激辐射效率大大提高。 注入电滚 有识层( 增益g ， 图2 1 1 半导体光放大器结构示意图 2 1 1 半导体州结 p - n 结是由p 型半导体和n 型半导体结合在一起构成的，如图2 - 1 - 2 ( a ) 所示。 由于p 型半导体内具有很高的空穴浓度，而n 型半导体内则具有很高的电子浓度， 茎 北京交通大学硕士论文 当两者结合在一起构成p - n 结时，它们之间存在很大的载流子浓度差，使得p 型 半导体内的空穴向n 区扩散，而n 型半导体内的电子向p 区扩散。这种扩散运动 使得p 区一侧由于缺少了空穴而形成一个带负电荷的区域，n 区一侧由于缺少了 电子而形成一个带正电荷的区域，从而在这部分空间电荷区形成一个由n 区指向 p 区的内建电场。这一电场使得p 区的电子向n 区漂移，n 区的空穴向p 区漂移， 具有阻止载流子进一步扩散的作用。随着扩散运动的进行，内建电场逐步加强， 最终扩散运动和漂移运动将达到平衡。这时，空间电荷区具有一定的宽度，内建 电场也不再进一步加强而达到一定的值。 内建电场 陪 + +型 +半导体 + 耗尽区 上 基 i 越 一誊导体 半导体 r ， g o g g g g g g 卜l 结啦) 卜i 结形成前p 区和i 区能督圉c c 一i 结蹙带田 图2 - 1 - 2p - n 结及其能带图 根据p 型半导体和n 型半导体的费米能级位置可以得到p n 结的势垒高度为： e ：一e ： 。芋( 2 - 1 - 1 ) 由于扩散和漂移运动的结果，使得p n 结空间电荷区内的载流子浓度极低，因 此也称为耗尽层。耗尽层的宽度取决于半导体材料的掺杂浓度，掺杂浓度越高， 形成足够的内建电场所需的耗尽层也越窄。 2 1 2 载流子注入与刚结的光增益 如果p - n 结两端加正向偏压v ，则p - n 结势垒将在外电场的作用下降低为 ( v d v ) ，即外电场削弱了内建电场对载流子扩散运动的阻挡作用。这时，在p - n 结内原来靠载流子扩散所建立起来的平衡被外电场作用下注入的非平衡载流子所 破环，使得p 区和n 区的费米能级重新发生分离，形成准费米能级，且满足： 半导体光放大器的基本理论模型 e 芦一层；e v ( 2 1 2 ) 注入到耗尽层的非平衡载流子将通过自发辐射复合产生电致发光。当外加电压 满足： e v e 芦- e ；) e g ( 2 - 1 3 ) 时，在外电场作用下，注入耗尽区内的电子和空穴通过辐射复合而产生光子的速 率将大于材料对光予的吸收速率，从而在半导体内产生增益。 2 1 3 双异质结 半导体同质结器件制作较为简单，但有两个主要的缺点，首先注入的非平衡载 流予弥散在较宽的范围内，不能有效的限制在有源区，其次，由于p n 结是同种 材科组成，不利于形成波导效应。这种载流子与光场在空间的弥散非常不利于两 者的捃互作用，其效率也很低。采用半导体异质结可以克服上述同质结的不足 异质结由具有不同带隙的半导体材料组成，可以分成同型异质结和异型异质结 1 1 8 1 。半导体异质结器件一般采用双异质结，通常包括一个同性异质结和异型异质 结其平衡情况下和加正向偏置的能带结构如图2 - 1 3 所示。由图可以看出，异质 结势垒对注入的非平衡载流予形成了良好的限制。 图2 - 1 - 3p - n 结双异质结能带图，( a 平衡状态能带图；正向偏置状态能带图 由于有源区的半导体材料通常具有较高的折射率，因此图中所示的双异质结还 将同时形成波导提供对光场的限制作用，使光场和注入非平衡载流子同时被限制 在有源区内，极大地提高了器件的注入效率和受激辐射效率。 2 1 4 端面反射率 由于半导体材料与空气问折射率差的存在，根据菲涅尔反射定律，在半导体 光放大器的端面上将存在反射。反射光对光信号的增益和整个光通信系统具有不 利的影响，因此必须要减少端面的反射率。目前所采用的几种降低端西反射率的 j e 京交通大学硕士论文 技术如图2 1 1 4 所示。最常用的是在半导体光放大器的两个端面上施加高质量的抗 反射涂覆层如图2 - i - 4 ( a ) ，除此，还有如图2 - 4 ( b ) 所示的采用倾斜波导层( 即倾斜 端面) 的方法以及图2 - i - 4 ( c ) 采用的窗结构技术。 抗反射涂疆屡 彻 亩口区域 图二1 - 4 半导体光放大器的端面反射控制 2 2 半导体材料的光增益与自发辐射特性 2 2 1 半导体内光与载流子的相互作用 半导体材料中能带之间的电子辐射跃迁和简单的二能级材料系统中的电子在 分离的上下能级之问的辐射跃迁十分相似。电子与光予之问均存在自发辐射、受 激吸收和受激辐射三种基本的相互作用过程如图2 - 2 1 所示。 曲【w p 7 图2 - 2 - 1 光与载流子相互作用，( a ) 自发辐射，秭受激辐射，( c ) 受激吸收 ( 1 ) 自发辐射 根据费米统计的一般原理，电子总是以较大的几率占据能量较低的状态，导带 电子主要处于导带底部，而价带空穴则主要处于价带顶部。同时，处于导带底的 电子可以自发地返回到价带与价带顶的空穴复合，同时将多余的能量以光子的形 式放出，如图2 - 2 1 0 ) 所示。 ( 2 ) 受激辐射 当外场中的电子能量大于半导体的禁带宽度时，该光子可以使处于导带的电 半导体光放大器的基本理论模型 予跃迁到价带，与价带的空穴复合，同时释放出一个与入射光子相同的光子如图 2 - 2 - 1 ( b ) 所示。 ( 3 ) 受激吸收和光生载流予 在外部辐射场的激励下，处于价带中的电子可以通过吸收一个光子的能量而 跃迁蓟导带，产生电子一空穴对，图2 2 1 ( c ) 是半导体内通过受激吸收产生光生载流 子的过程。 此外，半导体内电子发生辐射跃迁需要满足以下两个基本条件：一是，电子在 能带问的辐射跃迁需要满足能量守恒和动量守恒条件；二是，在发生辐射跃迁的 始末态之间，始态上必须存在电子，同时相应的末态上必须存在空穴。 由于半导体内载流予可以通过自由扩散或漂移运动进行转移，根据半导体材料 的这一特性可以通过简单的直接电流注入对半导体光放大器迸行泵浦。一方面， 外部的正向偏置电压使耗尽区的p - n 结势垒降低；另一方面由偏置电流注入的非 平衡载流子将通过扩散运动进入耗尽区( 有源区) ，从而在有源区内形成粒子数反 转分布，从两利于实现对光信号的放大。 2 2 2 半导体材科的增益与自发辐射谱 半导体光放大器的有源层是由直接带隙材料制作的，在这种结构中导带( c b ) 最底点与价带( ) 最高点具有相同的动量矢量七值仅有光子参与的带间跃迁 要求电子的始末态具有相同的七值( 七选择定则) 。所以在直接带隙材料中，从导 带到价带的带问跃迁更容易，因此直接带踩材料具有更好的光电性质。在偏置状 态下导带中的电子占据能量为占的状态的几率正符合费米统计【1 1 ： 胛卜习甬 弘m 1 + e x p l 二l 其中e 丘为导带的准费米能级，i 为b o l t z m a n n 常数，t 为绝对温度。同样，价带 中的空穴占据能量为的状态的几率符合费米统计： 胴。1 硼。习羁 p 2 q 其中为价带的准费米能级。在抛物线型半导体中，可得导带电子态密度为： 俳) 一专( 等) 3 艋压 ( 2 - 2 3 ) 北京交通大学硕士论文 n l 刍( 玎k l + e x 卫p ( e - e 扣) k t 趣 陋4 ) p 。专( 等门：磊环新 p 搁 车= 然鬻 。 铲卜s 眇脚撕哗+ 咧； 玎 一 ( 筹厂2 ( 筹) ，2 砷 训- 垡炉 卿o ) 毛却加母等等( 2 - 2 - 1 1 ) 半导体光放大器的基本理论模型 疋巾吲击邑i 竹吲去( 2 - 2 - 1 2 ) 茗e ( 2 - 2 - 1 2 ) 中，只考虑了重空穴，因为重空穴具有更大的有效质量。为t 将( 2 - 2 - 1 0 ) 应用到半导体材料，将n 2 一1 用从导带能态e 到价带能态毛的净跃迁速率代替， 从导带瓦到价带毛在频率间隔西吒的跃迁速率为： 珊呻糟- 岛( - ，o o ( e ) 【1 一 ( 毛) 】饥( 2 - 2 - 1 3 ) 几( v 0 ) 为跃迁频率处导带与价带问的约化态密度，在抛物型的半导体中，其表达 式为： 删- 击( 抵) 3 ，2 再 - 同样，瓦一e 的跃迁速率为： 枷；一几( ) ( 瓦) 1 一正( e ) 】饥 ( 2 2 - 1 5 ) 由此得到瓦一毛的净跃迁速率为： d ( 2 一1 ) 蛾。一蛾。一岛瓴) 【正佤) 一瓴) 】砜 ( 2 2 - 1 6 ) 将( 2 - 2 - 1 6 ) 代入( 2 2 - 1 0 ) ，并用出代换g ，对应跃迁频率闻隔机的增益系数为： d g - 8 ：t n ：v ：f ( p ) p ) 【正喊) 一无皈) 】机 ( 2 2 - 1 7 ) 为了能够得到整个增益系数，在整个跃迁频率上对上式进行积分得： ) 。筘! 小) p 饥) 【丘瓴) 一无佤) 】饥 ( 2 - 2 - 1 8 ) 线型函数f o ) 可取为洛伦兹分布： f 。环i a 而v 丽 p 2 - 1 9 ) 缸为跃迁的线宽因子，可表示为： a v 1 ( 2 2 2 0 ) 其中气为带内驰豫时间，对于通常的化合物半导体材料其值约为1 2 p s a 在忽 略能级展宽的情况下，f o ) 可以用6 扣一) 代替，( 2 - 2 1 8 ) 成为： 删一捌【意筠卜h 刚序呦， 在( 2 - 2 _ 2 1 ) 中的4 ，用z 。的倒数代替了，f 脚为载流子的自发辐射寿命a 北京交通大学硕士论文 经过同样的分析可以得烈从导带到价带韵自发辐射( v ) 的表达式为： - 商舞1 焉j 3 2 1 - 删】再锄 2 2 ，3 自发复合速率与载流子寿命 在没有外场作用的情况下，半导体内的非平衡载流子可以通过自发复合向平衡 态过度。半导体内的自发复合过程主要包括自发辐射、a u g e r 复合和s r h 复合【1 】。 一次自发辐射过程是一个导带电子与一个价带空穴复合而发出光子的过程，因 此自发辐射速率与材料中的导带电子浓度及价带空穴浓度成正比： r 嘲一b 嘲n p ( 2 - 2 - 2 3 ) 其中为比例系数。由于有源区半导体材料一般为非故意掺杂的本征型半导体， 有n 8 p ，因此； 矿2 - 2 - 聊 同时自发辐射速率墨。也可以用载流子自发辐射寿命f o 表示为： 蛩- n | t t t ( 2 - 2 - 2 5 ) a u g e r 复合是一对电子一空穴对复合后产生的能量和动量使另一个载流子跃 迁至0 更高能态的过程，属非辐射复合。这个过程涉及到两个电子和一个空穴或者 一个电子与两个空穴考虑到有源区内n m p 的情况，a u g e r 复合速率可表示为； 。矿( 2 - 2 - 2 6 ) 其中c k 为a u g e r 复合系数，它的典型值为o 2 2 + 1 0 4 1 m 6 s - 另外一种非辐射复合过程是在声子的参与下载流子被处于禁带中的半导体材 料缺陷态和表面态所俘获的过程。这种过程一般不能满足动量守衡条件，过程中 将伴随声子的吸收或发射。由于过程中只涉及一个电子或一个空穴，考虑到有源 区内n a p 的情况，复合速率可表示为： 毽娜m 以( 2 - 2 研 所有总的自反复合的载流子速率为： r a m 媳聪+ 穴o + j k 哪。= 一耋胛弗+ b r 耐n 2 + c 乙皤，1 3( 2 2 2 8 ) 上述载流子的