垂直腔面發(fā)射激光器的慢光特性研究.pdf

1、隨著慢光技術在光存儲、光通信、信號處理和相控陣天線等領域發(fā)揮著越來越重要的作用，控制光波在介質(zhì)中的傳輸速度已然具有廣闊的應用前景。目前已經(jīng)證實有多種物理機制可以實現(xiàn)慢光延時，包括電磁感應透明、相干布局數(shù)振蕩、受激布里淵散射以及光子晶體波導等。其中，垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)因低功率損耗、易于集成、室溫工作等和低成本等優(yōu)點，近年來已成為慢光領域的研究熱點。本論文立足于全光存儲及全光信息處理領域的重大需要和國際前沿熱點，圍繞VCSEL

2、的慢光延時特性展開研究，旨在探索利用VCSEL產(chǎn)生慢光延時的機理和方法，及分析信號在延時過程中的影響因素和限制條件，在此基礎上設計實用化的級聯(lián)VCSEL結(jié)構(gòu)或新型的耦合腔VCSEL結(jié)構(gòu)方案，用以優(yōu)化器件的延時帶寬，從而擴展了VCSEL在高速光網(wǎng)絡和光緩存領域的潛在應用。
　　本文以VCSEL的慢光延時特性為對象，主要從以下幾個方面展開研究:首先利用F-P腔結(jié)構(gòu)分析法和傳輸矩陣法分別從不同角度分析了信號在VCSEL中延遲的過程，深入

3、剖析了VCSEL作為放大器工作時產(chǎn)生慢光延時的物理機理;其次，研究了VCSEL的特征參數(shù)對延時和帶寬特性的影響，并通過理論和實驗共同證明了VCSEL的延時-帶寬積受器件物理結(jié)構(gòu)的限制;隨后，探討VCSEL的增益飽和特性對慢光延時信號的影響，探討了慢光信號的延遲時間和誤碼率隨信號功率的變化情況;最后，提出利用級聯(lián)VCSEL和新型耦合腔VCSEL結(jié)構(gòu)擴展器件帶寬的方案。本文創(chuàng)新性工作具體包括:
　　(1)分別利用法布里-珀羅腔(F-P

4、)結(jié)構(gòu)分析方法和傳輸矩陣法研究了信號在VCSEL中的慢光延時。首先利用光場傳輸表達式結(jié)合F-P腔邊界條件，模擬了信號在VCSEL腔內(nèi)傳輸?shù)倪^程，并推導得到信號延時的解析表達式;隨后利用薄膜特征矩陣結(jié)合菲涅爾公式，構(gòu)造VCSEL的整體傳輸矩陣，在此基礎上得到了器件的延時響應曲線。理論和實驗結(jié)果表明信號延遲時間受VCSEL頂部和底部反射率及注入電流的影響，實驗中利用1550nm的VCSEL放大器可對2.5-Gbit/s的二進制偽隨機序列(P

5、RBS)產(chǎn)生了98ps的可控慢光延時。
　　(2)通過理論推導和實驗驗證，揭示了VCSEL延時-帶寬積的影響因素和限制條件。根據(jù)慢光模型推導得到延時-帶寬積的解析表達式，深入分析了VCSEL延時-帶寬積隨VCSEL特征函數(shù)的變化規(guī)律，揭示了最大延時-帶寬積僅受頂部DBR反射率和單程增益的影響，而與底部反射率無關;由于實際中VCSEL器件對端面高反射率的要求(＞90％)，導致最大延時-帶寬積基本為定值，約0.64。同時實驗結(jié)果表明V

6、CSEL的延時-帶寬積隨注入電流的增加而減小，測量得到最大延時-帶寬積約為0.62，與理論結(jié)果基本吻合。
　　(3)通過理論和實驗共同分析了VCSEL的飽和效應對慢光延時的影響。首先利用傳輸矩陣分析法結(jié)合速率方程，建立了信號功率與延遲時間之間的聯(lián)系;隨后實驗研究了在VCSEL逐漸達到飽和狀態(tài)過程中，PRBS信號的延時時間和眼圖的變化規(guī)律。理論和實驗結(jié)果表明VCSEL的增益飽和效應會引起信號延遲時間的下降、延時帶寬的擴展和VCSEL

7、峰值波長的漂移。通過適當?shù)恼{(diào)節(jié)注入電流，并改變信號波長以追蹤峰值增益波長的變化，實驗中測量得到延時信號的誤碼率(BER)隨信號功率的變化曲線，與背靠背情況相比得到約1dB的低功率罰。
　　(4)提出利用級聯(lián)VCSEL結(jié)構(gòu)擴展器件的增益和延時帶寬的方案。首先將VCSEL級聯(lián)，通過適當調(diào)節(jié)單個器件的峰值增益和波長，能夠?qū)崿F(xiàn)峰值波長之間增益和延時譜分量的匹配疊加，進而得到頂部平坦的寬帶增益和延時譜輪廓。隨后利用雙級聯(lián)VCSELs結(jié)構(gòu)進行

8、慢光延時實驗，測量結(jié)果表明級聯(lián)VCSEL可以有效的將5-Gbit/s的PRBS信號延時135ps，相比于單腔VCSEL結(jié)構(gòu)，其延時量提高了約35％，并且信號質(zhì)量得到了明顯的改善。
　　(5)通過改變VCSEL中有源區(qū)一側(cè)DBR的結(jié)構(gòu)，構(gòu)造無源腔與有源腔相耦合的耦合腔結(jié)構(gòu)，用于優(yōu)化VCSEL的增益和延時帶寬。首先利用薄膜光學理論結(jié)合菲涅爾公式對構(gòu)成VCSEL的量子阱、勢壘、基層和DBR膜層分別建立特征矩陣，得到VCSEL器件的整體傳

9、輸矩陣。詳細分析了無源腔結(jié)構(gòu)擴展器件帶寬的原因，以及改變腔結(jié)構(gòu)對器件增益和延時譜的影響;隨后建立評價函數(shù)，用于比較不同結(jié)構(gòu)耦合腔VCSEL慢光性能的優(yōu)劣，為耦合腔結(jié)構(gòu)的選擇提供了實用的量化標準。數(shù)值計算結(jié)果表明:與單腔VCSEL相比，在峰值增益和最大延時量相同的情況下，耦合腔VCSEL的增益帶寬擴展為單腔結(jié)構(gòu)的3.4倍，同時延時帶寬提高為單腔結(jié)構(gòu)的8倍。利用該耦合腔VCSEL進行慢光延時，可以將20-Gbit/s的超高斯脈沖低失真的延遲