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        基于QD-SOA的動態(tài)啁啾特性研究*

        2018-12-19 01:55:24張書玉王海龍密術(shù)超趙建平
        通信技術(shù) 2018年12期
        關(guān)鍵詞:藍移電流強度載流子

        張書玉 ,王海龍 ,密術(shù)超 ,趙建平 ,龔 謙

        (1.山東省激光偏光與信息技術(shù)重點實驗室 曲阜師范大學物理系,山東 曲阜 273165;2.中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 信息功能材料國家重點實驗室,上海 200050)

        0 引 言

        近年來,隨著全光網(wǎng)絡的發(fā)展,人們對于其中的光學器件要求也越來越高。量子點半導體光放大器(Quantum-Dot Semiconductor Optical Amplifier,QD-SOA)與傳統(tǒng)的半導體光放大器(bulk Semiconductor Optical Amplifier,bulk-SOA)、量子阱半導體光放大器(Quantum-Well Semiconductor Optical Amplifier,QW-SOA)相比,因具有更高的增益、更寬的帶寬和更快的增益恢復時間而受到青睞[1-2]。量子點半導體光放大器(SOA)不僅是光放大器的理想器件,而且在光開關(guān)、波長轉(zhuǎn)換等光信號處理方面也有著較廣泛的應用[3]。然而,由于QD-SOA的增益變化而引起的折射率變化,導致QD-SOA放大的信號會在信號脈沖的前沿和后沿存在頻率啁啾(Chirp),使得信號在傳輸過程中具有獨特的色散和波形變化,且以復雜的方式降低信號的傳輸性能[4-5]。因此,研究QD-SOA的動態(tài)啁啾特性非常重要。

        目前,對QD-SOA的動態(tài)啁啾特性研究還比較少。文獻[6]中主要通過實驗的方式研究了注入電流強度、泵浦光功率對啁啾的影響以及QD-SOA的動態(tài)啁啾特性。本文通過求解速率方程和傳輸方程的方法,與文獻[6]中的實驗數(shù)據(jù)進行比較,在文獻[6]的基礎上,研究了注入電流強度、泵浦光功率、探測光功率對啁啾的影響,以及增益恢復時間(Gain Recovery Time,RT)與啁啾的關(guān)系,分析出一種在減小啁啾時而引起的增益恢復時間增大的解決方法。

        1 基本原理

        在QD-SOA中,載流子在浸潤層(Wetting Layer,WL)、基態(tài)(Ground State,GS)和激發(fā)態(tài)(Excited State,ES)的三能級躍遷速率方程分別用式(1)、式(2)、式(3)[7]表示,信號沿QD-SOA縱軸Z方向的傳播方程用式(4)、式(5)[8-9]表示。

        其中,t是在與信號脈沖一起運動的坐標系統(tǒng)中測量的時間;PA,B,clock是信號的功率,下角標A、B、clock分別代表的數(shù)據(jù)信號A、B和采用時鐘信號的探測光C;Nw是電子在浸潤層的密度;h是電子在激發(fā)態(tài)出現(xiàn)的概率;f是電子在基態(tài)出現(xiàn)的概率;αLEF是線性增寬因子。式(6)是作為泵浦光和探測光之間角頻率失諧的函數(shù)的模式增益,是信號的光子能量,是對應于QD-SOA最大模式增益的光子能量,σE是非線性展寬因子[10]。(αint)A=(αint)B=(αint)clock是損耗系數(shù),這里假定 (αint)A=(αint)B=(αint)clock[10]。J=I/wL是注入電流密度,I是偏置電流,w是有源層的厚度,L是QD-SOA的長度。其他一些參數(shù)還包括電子電荷e、有源層的等效厚度Lw、電子從WL到ES的弛豫時間τw2、量子點的表面密度NQ、電子從ES到WL的逸出時間τ2w、在WL的自發(fā)輻射壽命τwR、電子從ES到GS的弛豫時間τ21、電子從GS到ES的逸出時間τ12、在量子點中的自發(fā)輻射壽命τ1R、QD-SOA的有效橫截面積Aeff。

        沿QD-SOA縱軸Z方向積分式(5),可得到相位隨時間的變化:

        探測光的啁啾為:

        通過采用四階龍哥庫塔法和細化分段模型[11]對式(1)~式(8)求解對QD-SOA的典型參數(shù)進行仿真。仿真過程中不變的參量引自表1[12]。

        表1 仿真所用的參量

        2 分析與討論

        圖1是電流強度與增益和啁啾的關(guān)系圖。通過與文獻[6]中圖2(b)比較,可得結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致。隨著電流強度的增加,啁啾和增益都逐漸增大,且QD-SOA在較大的波長范圍內(nèi)都有相同的增益和啁啾的變化趨勢。這是由于電流的增大帶來了載流子的濃度變化率增大,導致折射率增大,而折射率的變化引起了啁啾的增大,且增大的載流子濃度也帶來了更大的增益。

        圖1 電流強度與增益和啁啾的關(guān)系

        圖2 是輸入泵浦光功率于啁啾和增益的關(guān)系。通過與文獻[6]中圖4(b)比較,可得結(jié)果和實驗結(jié)果基本一致。隨著輸入泵浦光功率的增加,啁啾逐漸增大,增益逐漸減小,且QD-SOA在較大的波長范圍內(nèi)都有相同的增益和啁啾的變化趨勢。這是由于增大的泵浦光功率引起了載流子濃度變化率的增加,導致了啁啾的增加。但是,隨著泵浦光功率的增大,消耗的載流子也越大,導致了增益的下降。

        圖2 輸入泵浦光功率與增益和啁啾的關(guān)系

        圖3 是輸入探測光功率與啁啾和增益的關(guān)系。通過圖3可以看出,當P<-5 dB時,啁啾比較平穩(wěn),沒有變化;當P>-5 dB時,啁啾變小,且紅啁啾明顯下降得更快,增益則隨著輸入探測光功率的增大而減小。這是因為探測光消耗了夠多的載流子,使得泵浦光所需的載流子數(shù)目減少,降低了有效折射率,帶來了啁啾的減小。

        圖4是QD-SOA的時域輸出波形和動態(tài)啁啾圖。當電流為1 500 mA時,在輸出的放大信號脈沖的前沿產(chǎn)生紅移啁啾,而在后沿產(chǎn)生藍移啁啾。通過與文獻[6]中圖3(b)比較可得,結(jié)果和實驗結(jié)果基本一致。在這種情況下,波形由于增益飽和而失真。但是,由于QD-SOA快速的增益恢復時間,QD-SOA的波形失真主要限制在前沿,因此QDSOA有較好的藍移啁啾。

        圖3 輸入探測光功率增益和啁啾的關(guān)系

        圖4 時域輸出波形和動態(tài)啁啾

        圖5 是在不斷減小泵浦光功率情況下增益恢復時間和啁啾的關(guān)系。通過圖5可以看出,隨著增益恢復時間的逐漸增大,紅移啁啾和藍移啁啾逐漸減小,同時藍移啁啾相比于紅移啁啾更小,且對增益恢復時間影響相對較小。這是由于減小泵浦光,導致了載流子變化的減慢,從而增益恢復時間減慢,啁啾變小。

        圖5 不同輸入泵浦光功率下增益恢復時間和啁啾的關(guān)系

        圖6 是不斷減小探測光功率情況下增益恢復時間和啁啾的關(guān)系。通過圖6可以看出,隨著增益恢復時間的逐漸增大,啁啾也逐漸增大。這是由于減小探測光,使得泵浦光在競爭中消耗的載流子得不到及時補充,從而影響了增益恢復時間和QD-SOA的啁啾特性。

        圖6 不同輸入探測光功率下增益恢復時間和啁啾的關(guān)系

        圖7 是不斷減小電流強度情況下增益恢復時間和啁啾的關(guān)系。通過圖7可以看出,隨著增益恢復時間的逐漸增大,啁啾也逐漸增大。這是由于減小電流強度,使得消耗的載流子得不到及時補充,從而影響了增益恢復時間和QD-SOA的啁啾特性。

        所以,減小泵浦光功率、增大探測光功率和減小電流強度可以減小啁啾。但是,為了獲得更小的增益恢復時間,需要增大泵浦光功率和增大電流強度,因為QD-SOA有較好的藍移啁啾特性。因此,可以在調(diào)節(jié)泵浦光功率和電流強度時,通過適當增強藍移啁啾來改善QD-SOA的增益恢復時間。

        圖7 不同輸入電流強度下增益恢復時間和啁啾的關(guān)系

        3 結(jié) 語

        基于QD-SOA的動態(tài)啁啾特性,通過與實驗數(shù)據(jù)比較,研究了輸入泵浦光功率、探測光功率和電流強度與啁啾的關(guān)系,以及QD-SOA的動態(tài)啁啾特性,分析了增益恢復時間與啁啾的關(guān)系。結(jié)果表明,在QD-SOA的動態(tài)啁啾特性中,QD-SOA有較好的藍移啁啾特性,通過減小泵浦光功率和電流強度,增加探測光功率可以獲得較小的啁啾,但是較小的增益恢復時間需要增大泵浦光功率和電流強度,可以在調(diào)節(jié)泵浦光功率和電流強度時,通過適當增強藍移啁啾改善QD-SOA的增益恢復時間。因此,要選擇適當?shù)膮?shù)確保增益恢復時間和啁啾的平衡。

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