程序简介考虑端面反射和放大自发辐射（ase）的soa稳态

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1、程序简介：考虑端面反射和放大自发辐射(ASE)的SOA稳态及动态模型文件（函数）函数描述main_entry主函数，由此函数开始运行parameter参数文件，改变的参数需要进入该文件进行修改steadySOA静态模型函数，能输出ASE谱分布和仿真纵模dynamicSOA动态模型函数，分析信号光注入SOA的输出和探测光输出gain_linear增益系数函数get_gain_rsp_spectrum获得ASE的增益系数和自发辐射谱的函数pulse_generator产生一列脉冲信号设计思想：增益系数

2、(1/m)自发辐射速率（）图1载流子浓度为时的增益系数和自发辐射速率谱分布基本理论方程Agrawal(1989)提出的描述受激辐射复合引起载流子(电子空穴对的统称，下同)消耗而导致增益饱和速率方程已在半导体器件研究中应用的相当广泛，下面直接给出(1)式中，I表示泵浦电流，为电流注入效率，e电子电量，V为半导体材料有源区的体积，模场限制因子，光在有源区内的群速度，为第i束光的光子密度，非受激辐射复合消耗载流子的速率为(2)其中、、分别为线性非辐射复合系数，自发辐射复合系数和俄歇复合系数。载流子寿命可

3、近似有上式表示(3)若有外部信号光注入半导体光放大器，那么这束光就在有源区内部产生受激作用。产生放大还是吸收的作用取决与信号光的波长和半导体光放大器的增益带。其传输方程为(4)其中z为沿有源区长度方向，表示有源区内部损耗。而对于自发辐射噪声的传输，一方面已产生的ASE噪声沿有源区传输会发生受激放大，同时也会加入新产生的自发辐射光子，其传输方程为(5)其中是自发辐射谱的有效耦合系数，将在后面的模型中进行具体分析。ASE噪声处理这里建立的高速动态模型考虑光子密度和载流子浓度沿有源区长度方向的分布、增益

4、谱色散、端面发射率和自发辐射谱等因素，其中自发辐射的处理是最复杂的，因此这里进行单独分析。图2自发辐射谱分段示意图由于有源区内部任何能级的载流子都可能自发辐射，所以发射的光将是一个覆盖器件增益带和吸收带的宽谱(见图1)。而且器件的增益是波长相关的，因此不同自发辐射的波长经历的增益也不相同。为了较为准确的分析这种情况，比较有效的方法就是对自发辐射谱进行离散化，即在曲线上采样，如图2。设取样间隔为，那么数值模拟的处理就是将内的所有辐射的光子数等效为单个频率处的光子数，这样式5中的可表示如下(6)只要取

5、得足够小，可以很好的近似整个ASE谱。值得注意的是，正是因为自发辐射的非相干性，各个离散波长在传输过程不会发生干涉作用，因此可以将每个离散的波长视为单波长的信号光独立分析。这是一个很重要的前提，后面的数值模拟都要基于这个思想。由于该模型考虑了ASE沿SOA长度方向的分布，所以还需对器件长度进行分段，这与上面提到的谱分段的效果是类似的。假设沿有源区长度分M段，在光频域内取Q个频率，则SOA内部ASE的分布可表示为一个二维矩阵：(7)其中表示第i个频率在第j分段中正反方向(设定正向为从左往右，反向为从

6、右往左，后同)传输的光子浓度。光子沿正反方向传输是由于两个原因：1、自发辐射的光出射时方向是随机的，沿各个方向传输的光都有，但只有沿有源区长度的那部分才有机会进行传输放大，这可以有正反两个方向；2、模型考虑了端面反射率，端面反射的作用也使得正反两个方向都存在光的传输。对于一个FP腔，腔内介质折射率，腔长L，则产生的纵模间隔，其中c为真空光速。鉴于纵模纹波的模拟考虑，频率取样间隔设为纵模频率间隔的一半：。由于端面反射率的存在，器件两个端面构成一个F-P腔，这将在有源区介质中产生纵模振荡。但是在光的动

7、态传输过程中考虑谐振频率和非谐振频率的增益系数差异是很困难的(需要涉及到多光束干涉)。由于该模型并不关心纵模振荡的建立、维持和选模的过程，而集中在总体ASE噪声对载流子浓度的调制影响上，YannBoucher和AmmarSharaiha(2000)对ASE噪声谱的特性做了较为详细的分析。所以这里只对静态输出光谱进行近似的纵模模拟，这在端面反射率不是很高的情况下是合理的[5]。在稳态情况下，SOA的输入信号(功率持续)和ASE噪声都会有稳定的输出。对ASE的稳态输出进行分析，在端面反射存在的情况下，

8、静态增益可表示为[2]：(8)其中表示在不考虑端面反射率时的单程增益。对于谐振和非谐振频率，SOA表现出来的增益大小取决于的值。将各个频率的稳态输出乘以上式分母的相应因子，谐振频率因子为，非谐振频率因子为，在<1的情况下可近似模拟输出的噪声谱。模型算法描述SOA器件对动态信号的响应主要围绕微分方程(1)、(4)和(5)的求解，但需要结合器件的具体分析。该模型主要涉及如下几个方面：(a)(b)图3SOA分段模型演示1)空间分段和时间分段为了能够较准确地得到光子密度和载流子浓度沿有源区