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1、华中科技大学 硕士学位论文 双电极量子阱SOA电路模型仿真及驱动控制电路制作 姓名：阎利杰 申请学位级别：硕士 专业：物理电子学 指导教师：黄黎蓉 2010-12-27 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 半导体光放大器(SOA)作为光纤通信领域核心器件之一， 在光纤通信领域得到了 广泛的应用。相比普通 SOA，多电极量子阱 SOA 在增益特性和动态特性方面有望得 到改善，它在光纤通信领域有着极为广泛的应用前景。本文主要工作围绕双电极量 子阱 SOA 展开，在电路模型和实际应用两方面做了以下工作： 在理论模拟方面，本文基
2、于标准载流子方程推导出了量子阱 SOA 的电路模型。 由于电路模型在进行光电子器件模拟方面有着很多优点, 利用电路仿真软件 PSPICE 对双电极量子阱 SOA 静态增益特性和动态增益特性进行了模拟分析，结果显示：在 静态增益特性方面，前电极注入电流越大，增益越容易饱和；后电极注入电流越大， 其增益越不容易饱和；在动态增益特性方面，前一极注入电流对其增益恢复时间影 响较小，而后一极注入电流对其影响较大。 在实验研究方面，针对原多电极 SOA 驱动电路平台存在的问题进行了分析和改 进，并且在改进后的平台上进行了双电极 SOA 实验。实验结果验证了理论模拟的部 分结果。 另外， 作者还完成了 SO
3、A 大电流驱动平台的设计和制作。 该平台可以为 SOA 提供更大的脉冲电流，最大脉冲电流可达到 4.8A，频率达 50kHz，温度控制精度达 0.05。同时利用 ATmega16 单片机为核心的主从控制系统实现了 SOA 的过流和过 温保护。 关键词关键词： 半导体光放大器 双电极 增益 脉冲电流 恒温控制 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Semiconductor optical amplifier (SOA) has been widely applied in the optical communica
4、tion field as a core component of semiconductor optoelectronic device. Compared with common SOA (single-electrode SOA), the gain and dynamic characteristics of the multi-electrode quantum well SOA(QW-SOA) have been greatly improved which enable QW-SOA a very wide range of potential application in op
5、tical fiber communication. This thesis mainly focuses on the theoretical simulation and practical application of the dual-electrode QW-SOA as following: In theoretical simulation, circuit model based on the standard equation of QW-SOA is derived. Since the circuit model has a lot of advantages in th
6、e simulation of optoelectronic devices, static gain and dynamic gain characteristics of QW-SOA have been studied with the established model. The results show that in the static gain characteristics, the larger the front electrode injection current is, the easier the gain saturates; In the dynamic ch
7、aracteristics, the front electrode injection current has very little effect on the SOA gain recovery time, however, the back electrode injection current has a great influence on the gain recovery time. In experiments, multi-electrode SOA driving platform is analyzed and improved. Experimental result
8、s verify partial simulation results. In addition, large current-driven platform is also designed and fabricated. It can provide pulse current with maximum pulse current up to 4.8 ampere, repetition rate up to 50 kHz. The temperature can be controlled with accuracy of 0.05. Besides, the system contro
9、l circuit based on ATmega16 can provide over-current and over-temperature protection. Key words: Semiconductor optical amplifier Dual-electrode Gain Pulse current drive Constant temperature control 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出
10、贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科 技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 (请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 本论文属于 华 中
11、科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论 绪论 1.1 引言 引言 光纤通信技术的发展速度远远超过当初人们的预料，光纤已经成为通信网的重 要传输媒介1。半导体光放大器(SOA)因具有高增益、相对低的泵浦功率、小尺寸、 潜在低价格、宽增益带宽、短响应时间、易与激光二极管、光探测器等有源和无源 器件集成等优点， 因此它将成为光纤通信领域中的关键器件之一2-5。 在 1.3m 波段， 目前还未有合适的光纤放大器，通常所用的掺铒光纤放大器(EDFA)工作波段在 1.55m，因此 1.3m 的 SOA 可以弥补光纤放大器在此波段的空白6-9。此外
12、，在越 来越受到业界关注的、 市场潜力巨大的光纤到户(FTTH)接入网中， 1.3m 波段的SOA 具有非常广泛的应用市场。特别是在电信网、因特网、电视网“三网合一”的 FTTH 中，由于国家技术标准规定驻地网接入的视频光信号波长采用 1310nm，因此迫切需 要这个波段的 SOA10-14。 目前， 市场上通用的 SOA 采用体材料或者量子阱(QW)作为有源区， 即所谓的体 材料 SOA 和 QW SOA。它们在不同程度上存在饱和输出功率较低、增益恢复时间较 长、线宽加强因子较大的问题，因而对 Gbit/s 调制速率的光信号放大时会出现码型 效应，导致输出光信号的波形畸变15-17。此外在对
13、多个信道放大或者信号处理的时 候，会出现串扰，而采用多电极 SOA 能够更好地改善上述问题。 近些年来，很多研究已经表明多电极 SOA 具有很高的应用潜力。例如，它可以 改善小信号调制带宽，控制频率啁啾，增加饱和输出功率，提高增益恢复速率和增 大交叉相位调制带宽等等18-23。双电极 SOA 作为最简单的多电极 SOA，对其特性的 模拟与驱动平台制作具有重要的实际意义。图 1-1 为双电极 SOA 的结构示意图，N 型电极为两个电极公共的负极，两个 P 型电极作为独立的正极，两个 P 型正电极之 间采用电绝缘隔离，把 SOA 沿腔长方向分为长度为 L1、L2 两节。通过对每小节注 入电流、腔长
14、等参数的调节，可以使双电极 SOA 具有不同的性能，以适应于不同应 用场合对 SOA 性能的不同要求。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 图 1-1 双电极 SOA 的结构示意图 1.2 双电极 双电极 SOA 相关背景相关背景 图 1-2 三电极可调谐 DBR 激光器 在光纤通信领域，为了使波长可以调谐，多电极首先应用于分布式反馈激光器 当中，一般激光器的波长调谐主要通过热调谐和电调谐两种方法。相比热调谐，电 调谐相对比较容易， 而且这种调谐方式的速度极快， 可以达到纳秒量级。 普通 DFB(单 电极)激光器由于频率交叉所导致的
15、热效应以及载流子注入引起有源区的反射率变化 等效应，这些效应使普通 DFB 激光器的性能大大降低。而采用多电极 DFB 激光器 可以通过调节各电极的注入电流比而消除上述效应，从而使激光器的性能大大的提 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 高，图 1-2 为具有三电极结构的 DFB 激光器，包括有源区、相移区和布拉格反射区 三部分，通过适当地调节三电极的电流注入比，可以使波长调谐范围达到 8nm24-25。 而对于多电极 SOA 的研究二十世纪九十年代，在这一期间大部分都集中在体材 料多电极 SOA 上， P. E. Barnsley
16、 和 P. J. Fiddyment 研究并实现了采用多电极 SOA 实 现了 1.33m 到 1.55m 的波长转换，其数据转换速率可以达到 400Mbit/s23；R. M. Fortenberry，A. J. Lowery 和 R. S. Tucker 等通过采用多电极的结构来提高在线探测 灵敏度，灵敏度比普通(单电极)SOA 提高将近 16 个 dB26。同样是采用双电极的结 构，通过调控后电极的注入电流，可使双电极的输出端工作在吸收区，此时 SOA 作 为光纤通信信道中的下行节点；通过调控的方式还可以使前电极作为调制器，这样 的 SOA 被称作 AMD-SOA。G. Giuliani、 P. Cinguino 等报道了一种双电极结构的 AMD-SOA, 在速率 622Mb/s 实现下灵敏度达到-19.5 dBm22。 近期在体材料方面，一种双电极 SOA 被用来减少波长转换过程中的码型效应， 通过合理选择电流注入比以及长度比，可以显著减少码型效应
