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1、目 录第一章 引言11.1 课题研究背景11.2 世界各国研究开发现状及优缺点21.3 研究意义31.4 主要工作4第二章 半导体光放大器相关理论52.1 基本物理模型52.1.1 基本结构52.1.2 PN结的光增益62.1.3 半导体PN结62.1.4 双异质结72.1.5 端面反射率72.2 半导体光放大器的各项参数72.2.1 半导体内光与载流子的相互作用82.2.2 自发复合速率与载流子寿命92.2.3 线宽增强因子102.2.4 光功率限制因子102.2.5 腔内平均光子浓度112.2.6 载流子速率方程122.2.7 半导体内的载流子感应折射率变化122.3 FPSOA的增益13
2、2.4 小结14第三章 光学双稳态相关理论153.1 双稳态简介153.2 光双稳器件153.3 光学双稳态理论163.4 光学双稳态的应用173.4.1 光开关173.4.2 稳定光源光强183.4.3 波长切换19第四章 功率双稳模型的建立214.1 理论分析214.2 相关公式推导224.3 模型建立过程254.4 小结26第五章 对仿真模型的计算与分析285.1 偏置电流的影响285.2 初始相位失谐量的影响295.3 顶端反射率的影响315.4小结33第六章 结束语346.1 本文内容346.2 下一步学习工作方向34参考文献35致谢37外文资料原文38外文资料译文41V摘要摘 要光
3、放大器是现今光通信网络中的关键光学器件。本文主要讨论分析了通过设定平均光强为中间变量、引入载流子速率方程建立法布里珀罗光放大器（FPSOA）功率双稳模型的过程，从理论上给出了偏置电流、相位失谐量、线宽展宽因子、顶端面反射率等参数对FPSOA的跳变点、双稳环宽，开关功率等物理特性的影响，并在matlab中仿真。FPSOA具有一些特殊的性质，能够优化在光信号处理中的性能，但少有研究，所以研究它的双稳特性具有重要的意义。关键词：FPSOA，功率双稳模型，双稳环宽，跳变点IABSTRACTAbstractOptical amplifier is the key optp-electric device
4、 in modern optical communications.This article focuses on analyses by setting the average light as the middle variable, adding the rate equation of carrier to build Fabry-perot amplifier (FPSOA) power bistable model, We find out the bias current,linewidth enhancement factor,initial phase detuning,to
5、p mirror reflectivity of FPSOA,are used to control the optical power switching,the contrast ratio,and the wider of the hysteresis cycle,which can adjust the optical switching process.FPSOA Have some special properties,To optimize the performance of optical signal processing,but there are few Researc
6、h,So the bistable characteristics of it is of great importance.Keywords: FPSOA, Power bistable model, The loop width, Jump Point1第一章 引言第一章 引言在高度信息化的今天，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2以其高速率、大容量、可透明传送数据等优点，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
7、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1，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DWDM技术对系统进行大规模扩容升级几乎
8、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 课题研究背景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SOA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3。在60年代半导体激光二极管尚未成熟，但已在温度力77K下，首先进行了GaAs同质结行波半导体
9、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1970年，双异质结结构激光器问世后，又实现了行波(TW)半导体光放大器的室温连续工作。在1973年至1975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(TW)型和法布里珀罗(F-P)型光放大器4的特性并取得重要进展，其中在1970，zeidle和personic进行了最初的SOA实验。80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AIGaAs F-P光放大器5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
10、。80年代中期开始研究适用于1.3m和1.5m波长的InGaAsP半导体光放大器。90年代以前SOA的研究主要集中在SOA的增益、饱和增益、噪声、带宽、饱和输出功率等主要特性上。90年代初，低噪声掺铒光纤放大器(EDFA)的出现使SOA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，1.55m窗口的在线放大功能基本上由EDFA完全取代。进入90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间，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，已达到和EDFA相比拟的水平，饱和输出功率、小
11、信号增益也有显著提高。光学双稳态6是指光学系统中在一定的输入范围内对给定的输入存在着两种可能的输出状态的现象.值得注意的是,这两种状态必须可以互相转换.以光强状态为例,具有光学双稳态的系统,其输出光强和输入光强的关系呈现滞后回线.光学双稳态的必要条件是系统同时具有光学非线性和反馈机制两个因素.反馈的作用是重要的:两个输出状态的稳定性是由系统的负反馈决定而两个输出间的快速转换则起因于系统的正反馈.具有光学双稳态的光学器件称之为光双稳器件.非线性法布里一拍罗标准具是典型的光双稳器件.这种器件由非线性光学材料和反馈光腔构成.在强光的作用下,介质的非线性参数(非线性吸收系数或非线性折射率)发生变化,从
12、而引起透射光强发生变化.光强的变化进一步引起非线性参数的变化.在光腔的反馈作用下,这种变化形成正反馈过程,因而产生光学双稳态.1.2世界各国研究开发现状和优缺点 在欧洲，在欧共体的ESPRIT和RACE计划基金支持下，许多欧洲大公司正在从事SOA研究和开发，其工作中心主要集中于电信应用的SOA器件和子系统，最具实力的公司是Uniphase和Philips，他们主要进行SOA器件和子系统的生产尝试。其它公司，如Siemens、Optpspeed、Kamelian也启动对SOA开发。在北美，SOA开发主要由美国防御先进的规划机构支持，最终使用主要瞄准在与防御相关的纤维光学线路、卫星光波通信和光计算
13、机。Lucent技术Bell实验室继续领导SOA的研究和开发工作。最近几年内，一些新的北美公司(如Genoa、Agility和Axon)也开始从事SOA器件和子系统开发。日本的SOA开发工作主要瞄准实用化商用产品开发，以NEC、Mitsubishi和NTT为代表的公司致力于分组交换的SOA产品，据报道已开发出30dB增益和6dB噪声值的SOA器件。最近又提出一种新的光放大器的理论：LOA。LOA是在有源区的上下面之间设有反射层，在激光器发生振荡时，增益与反射镜的反射率之积为1，也就是说当激光器的反射率一定时，其增益也保持一定。2003年NEC公司采用了Genoa公司的第二代线性光放大器芯片，以
14、及EML芯片和调制驱动芯片，推出了传输距离达80km、10Gbps光转发器。2003年4月美国Finisar公司并购了Genoa并成功推出了LOA的商品G111，它不但可以提供可靠增益(8nm带宽增益平坦度7为0.5，整个带宽增益平坦度为1.0)，并在40Gbps的DWDM系统中极好地抑制了串扰。这种LOA的参数：带宽15301565nm，增益17dB，输出10dBm，工作电流200300mA。半导体光放大器的主要优点：(a)工作波长范围大。基于InGaAsP/In材料系的SOA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
15、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SOA端面反射所形成的Fabry-Perot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)在与光纤进行耦合时，芯片两端与光纤的耦合损耗均在3dB以上；(d)SOA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SOA噪声特性的劣化。1.3研究意义利用法布里一珀罗半导体光放大器的信号处理功能，能大大优化它的性能。所以分析FPSOA的双稳特性具有十分重要的意义。另外，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。1.4 主要工作本论文的主要研究内容是研究和分析半
