硅基拉曼放大器泵浦方式的研究

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1、摘要光纤通信作为20世纪人类社会的重大发明之一，把信息的传输速度和容量都提高到了前所未有的高度，满足了人们对于信息的爆炸性增长的需求。但是光通信网络的高造价成本却限制了其进一步的发展及广泛应用，低成本的光器件成为下一代光通信系统的必然选择。其中硅材料储量丰富、价格低廉并且以其为基础发展了非常成熟的CMOS集成器件制造工艺技术，很容易实现器件的高成品率和集成化，所以光器件的硅基化成为了未来光通信网络蓬勃发展的必然途径。尤其是作为有源器件的硅基光放大器和激光器的研制具有重要的价值。在光纤中普遍应用于光放大和激光辐射的拉曼散射效应

2、成为了在硅波导中实现光放大的有效途径，硅基拉曼放大器是近年来硅基光器件研究领域的重要课题。本论文从理论方面对硅基拉曼放大器进行了系统的研究，通过放大器的泵浦光功率、硅波导长度以及泵浦方式的分析；对放大器的增益和噪声特性进行了优化，实现了放大器的增益增强。主要内容包括以下几个方面：1．单向泵浦硅基拉曼放大器的理论研究。从受激拉曼散射的基本理论出发，建立了单向泵浦硅基拉曼放大器的理论模型。通过硅波导中泵浦光和信号光的耦合微分方程组的解析分析，提出了一种简单直观的放大器增益的理论分析方法，定义了有效增益系数，得到了自由载流子寿命的

3、阈值和硅波导中泵浦光功率的取值条件，并根据量子噪声理论推导了放大器的噪声。通过龙哥库塔法，MATLAB编程对放大器的增益和噪声特性进行了数值模拟。系统分析了自由载流子寿命、泵浦光功率、硅波导长度等参量对于放大器增益和噪声的影响。根据数值模拟结果对放大器的各关键参数进行了优化设计，大幅提高了放大器的增益，优化了放大器性能指标。其中当自由载流子寿命为1ns，泵浦光功率采用5000mW，通过对硅波导长度的优化可以使放大器增益提高4．2dB；当自由载流子寿命为1ns，硅波导长度为5cm，通过对于泵浦光功率的优化选择可以使放大器增益提

4、高2．5dB。2．双向泵浦硅基拉曼放大器的理论研究。摘要通过引入双向泵浦结构下泵浦光和信号光在硅波导中的传输演化方程，建立了双向泵浦硅基拉曼放大器的理论模型。并数值模拟了双向泵浦方式下硅波导中的泵浦光功率分布，指出双向泵浦可以有效的优化硅波导中的泵浦光功率分布，减小硅波导中的损耗，提高放大器的增益。定义了最优化的泵浦功率分配比，通过MATLAB编程对双向泵浦硅基拉曼放大器进行了数值计算，系统分析了自由载流子寿命、硅波导长度等参量对最佳泵浦功率分配比的影响，实现了泵浦结构的最优化设计。根据分析结果，通过采用最优化的泵浦结构进行

5、泵浦，可以有效地增大放大器的增益，优化其性能。其中当自由载流子寿命为1rIs，总泵浦光功率5000mW，双向泵浦增益为16．5dB，比单向泵浦提高了5．5dB；当自由载流子寿命为2ns，总泵浦光功率为5000mW，双向泵浦增益为9dB，相对于单向泵浦提高了4．5dB。通过以上的计算结果，有效的提高了放大器的增益，优化了放大器的性能，为增益增强型硅基拉曼放大器的研制奠定了基础。关键词：拉曼散射、硅基放大器、泵浦方式、增益增强、硅基光子学ⅡAbstractAsthe20thcenturyhumansociety'ssignifi

6、cantinventions，opticalfibercommunicationhasimprovedthespeedandcapacityoftheinformationtransmissiontounprecedentedlevels，satisfyingthepeople’Sdemandfortheexplosivegrowthoftheinformation．However,thehighcostofopticalnetworklimitsitsfurtherdevelopmentandextensiveapplic

7、ation,SOlow—costopticaldevicesbecomethenextgeneration’Sinevitablechoiceofopticalcommunicationsystem．Siliconisabundant,low．costandverymatureCMOSintegrateddevicemanufacturingtechnologyhasbeendevelopedbasedonit,itiseasytOachievehi．ghyieldandintegrationofthedevice,SOsi

8、licon-basedopticaldevicesbecomethenecessarywayforthevigorousdevelopmentoftheo埘calnetworkinthefuture．Especiallyastheactivecomponents，silicon-based