全光信号处理.ppt

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1、半导体光放大器及其在全光信号处理技术中的应用张新亮第一部分半导体光放大器及其应用基础半导体光放大器基本概念半导体光放大器理论模型半导体光放大器应用的基本原理（一）半导体光放大器基本概念工作原理特点存在问题及解决方案半导体光放大器原理及性能工作原理与半导体激光器类似：受激辐射不同点：1）LD中激发受激辐射的光子产生于自发辐射，放大的自发辐射；SOA中激发的光子是外界的输入信号，放大光信号；2）LD中端面反射率越高，越容易激射（镀增反膜）；SOA中镀增透膜；SOA特点优点：体积小，便于集成（大规模阵列），增益带宽宽，可适合工作波长范围（

2、1200-1700nm），载流子恢复时间快，动态特性好，便于光信号处理；存在问题：端面剩余反射引起的增益纹波噪声指数（放大的自发辐射噪声）有限的饱和输出功率（增益饱和）偏振相关性解决方案——增益纹波1）直腔的端面反射率需要控制在10－6量级；2）目前普遍采用斜腔＋镀膜FiberinputFiberoutput3)掩埋窗口解决方案－噪声指数粒子数反转参数过剩噪声参数输入端耦合效率噪声指数与输入端耦合效率相关！！！与SOA单片集成模斑变换器实用的技术：锥形光纤（透镜光纤）解决方案---偏振相关性（1）体材料SOA中模场限制因子增益系数偏振相

3、关增益TETM可以做成方形，亚微米级宽有源区应变量子阱SOA解决方案---偏振相关性（2）ValencebandConductionbandTensilewellCompressivewellTMtransitionTEtransitionTEtransitionbarrierbarrierbarrierInPInPe-e-压应变无应变张应变解决方案---偏振相关性（3）张应变量子阱中适当条件偏振不相关lhn-InPwaveguidelayermatchedquantumwelltensilestrainedquantumbarrier

4、p-InPhhConductionbandValenceband需要比较大的应变解决方案—偏振相关性（4）张应变体材料（引入比较小的张应变）Alcatel，锥形有源区，器件纤到纤增益达29dB，偏振相关性小于0.3dB;解决方案---增益线性（1）放大外界光信号与内部激射光对载流子消耗（受激辐射）的竞争解决方案---增益线性（2）LinearOpticalAmplifier(LOA)GenoaCorporation集成的垂直腔激光器对放大器的增益进行钳制State-of-art3dB带宽bandwidth70nm增益GAIN(Fib

5、er-to-fiber)>30dB增益波纹(gainripple)0.1-0.3dB饱和输出功率(saturatedoutputpower)>+17dBm噪声指数（noisefigure）：6~8dB偏振相关性（polarizationdependance）：<1dB其它技术-量子点SOA量子点SOA增益带宽可达300nm，最大输出功率可接近20dBm，噪声指数小于5dB，载流子恢复时间更快（体材料1ns，量子阱400ps，量子点几十ps）；其它技术-光泵浦垂直腔SOA980nm泵浦提供粒子数反转，放大1310nm光信号，但目前

6、增益只有13dB左右，1550nm尚无法实现（二）半导体光放大器理论模型载流子速率方程载流子注入缺陷复合、自发辐射复合、俄歇复合引起载流子消耗放大自发辐射（受激辐射）引起的载流子消耗放大外界输入光信号（受激辐射）引起的载流子消耗动态数值分析模型考虑载流子的沿有源区长度方向分布的不均匀性，将SOA分成M段，每一小段看成一个整体；…………NkR1R2SOA中第K段放大自发辐射噪声及引起载流子消耗的处理等效矩形法方法简单，适用于考虑放大自发辐射引起载流子消耗谱分段法：适用于模拟输出ASE谱，更精确的等效矩形法放大自发辐射的传播增益纹波的处理考

7、虑端面剩余反射的情况下，ASE谱不会是光滑的，而会出现左图所示的调制：与谐振腔的驻波频率相关。谐振腔的纵模间隔光谱分段的宽度考虑的光谱范围载流子寿命有效载流子恢复时间的概念增益色散性和增益谱非对称性边界条件动态方程的解法稳态解的确定－提供解动态方程的初始条件或计算稳态特性1）假设SOA已处于稳定状态，用任意的初始值去试，然后按照一定的迭代逼近法去逐渐逼近稳态值（载流子速率方程等式右边为0）---打靶法；2）按照入射光在SOA中传播的路线，一步步往前计算；最后计算得到前后两次载流子浓度相差小于某一个判据动态解的确定SOA稳态输出光谱蒋中计

8、算结果(三)半导体光放大器应用的基本原理光场传播方程一阶非线性极化（增益的饱和）：增益的调制和折射率的调制三阶非线性极化（载流子密度脉动、载流子加热和光谱烧孔）对应半导体光放大器中的静态非线性效应，与频率失