單片集成波長(zhǎng)可切換半導(dǎo)體激光器及高速Q(mào)調(diào)制技術(shù)研究.pdf

1、當(dāng)前人類社會(huì)已進(jìn)入信息化和智能化時(shí)代，其特征是信息量十分巨大、信息傳遞非常快捷、信息處理十分迅速。這使得未來(lái)的光網(wǎng)絡(luò)，需要有更高的傳輸速率，更好的動(dòng)態(tài)靈活性，更低的成本。因此單片集成的波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器以及高速調(diào)制器在未來(lái)的光通信中將有著非常重要的意義和廣闊的前景。本文主要研究基于InGaAsP/InP晶片的單片集成的波長(zhǎng)可切換半導(dǎo)體激光器的設(shè)計(jì)和制作，以及高速的Q調(diào)制技術(shù)。
　　 首先提出了一種全新的波長(zhǎng)可大范圍切換的半導(dǎo)體激光

2、器結(jié)構(gòu)--Ⅴ型耦合腔半導(dǎo)體激光器。其利用游標(biāo)效應(yīng)，顯著擴(kuò)大了激光器的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍。與以前的Y型腔激光器相對(duì)比，Ⅴ型腔激光器由于光不需要經(jīng)過一段公共的波導(dǎo)，因而可以通過同時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)兩個(gè)腔之間的耦合相位和耦合系數(shù)顯著提高激光器的主模邊模閾值差異，從而明顯改善激光器的單模選擇性。同時(shí)在對(duì)Ⅴ型腔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，我們提出了一種新型的半波耦合器，通過適當(dāng)設(shè)計(jì)其耦合區(qū)的長(zhǎng)度和寬度，其可以實(shí)現(xiàn)任意的耦合相位。而對(duì)于Ⅴ型腔，當(dāng)兩個(gè)腔之間的耦合器為半波

3、耦合器時(shí)（交叉耦合相位為180°），可以實(shí)現(xiàn)最大的邊模抑制比。利用多模速率方程及Ⅴ型腔的閾值條件，分析計(jì)算了Ⅴ型腔進(jìn)行波長(zhǎng)切換時(shí)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特征，包括瞬態(tài)串?dāng)_和切換延遲，并分析了影響激光器波長(zhǎng)切換速度的因素。
　　 我們還總結(jié)了基于InGaAsP/InP量子阱晶片的單片集成有源無(wú)源器件的制作工藝流程，包括光刻、波導(dǎo)刻蝕、平坦化、金屬濺射以及深刻蝕和量子阱混雜等技術(shù)。制作了用解理面做反射鏡的Ⅴ型腔激光器，并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)

4、驗(yàn)證了Ⅴ型腔激光器中基于游標(biāo)放大原理的大范圍數(shù)字式波長(zhǎng)調(diào)切換功能。
　　 對(duì)于高速Q(mào)調(diào)制技術(shù)，我們從理論上分析計(jì)算了Q調(diào)制的小信號(hào)頻率響應(yīng)以及引起的載流子濃度的擾動(dòng)隨調(diào)制頻率的變化趨勢(shì)，以及與直接調(diào)制的區(qū)別。然后比較了不同速率的大信號(hào)Q調(diào)制與直接調(diào)制的特點(diǎn)，并探討了激光器的泵浦電流、Q值、有源區(qū)的光學(xué)限制因子以及材料的增益飽和系數(shù)對(duì)Q調(diào)制的影響，此外還討論了Q調(diào)制對(duì)不同的信號(hào)碼型的調(diào)制結(jié)果。理論計(jì)算表明Q調(diào)制有顯著高于直接調(diào)制的

5、帶寬，對(duì)于40Gb/s的任意歸零碼序列，仍然有很好的調(diào)制能力。而且由于在高速調(diào)制時(shí)載流子濃度不再能跟隨調(diào)制信號(hào)的變化，速度越高，載流子濃度的變化越小，因此相比直接調(diào)制的調(diào)制啁啾隨調(diào)制速率的提高而迅速增加，Q調(diào)制的調(diào)制啁啾隨著調(diào)制速率的提高反而下降。
　　 最后我們提出了幾種實(shí)現(xiàn)Q調(diào)制的具體激光器結(jié)構(gòu)。先針對(duì)非相移的均勻DFB激光器利用調(diào)節(jié)后反射鏡的辦法實(shí)現(xiàn)Q調(diào)制，并分析計(jì)算調(diào)制前后激光器的閾值增益及性能，利用時(shí)域travelin

6、g-wave模型計(jì)算其Q調(diào)制結(jié)果。計(jì)算表明，對(duì)于10Gb/s的任意歸零碼序列，激光器的輸出光仍然能很好的跟隨調(diào)制信號(hào)的變化，很好的符合了前面理論分析的結(jié)論。然后分析了利用調(diào)節(jié)腔內(nèi)損耗實(shí)現(xiàn)帶相移DFB激光器的高速Q(mào)調(diào)制，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)同樣能很好的實(shí)現(xiàn)激光器的Q調(diào)制。最后基于Ⅴ型耦合腔激光器和高速Q(mào)調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種波長(zhǎng)可大范圍切換的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，計(jì)算分析表明該波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器可以在很大波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，而且具有很低的波長(zhǎng)相關(guān)性，良好的輸