雙折射對(duì)SOA中超短脈沖啁啾的影響

劉偉慈+梁瑞生+許曉慧+丁南+朱勝利

摘 要 超短脈沖通過(guò)半導(dǎo)體光放大器時(shí)增益變化很大，而雙折射的存在，使TE模式和TM模式的光譜分布不一樣。本文主要研究超短脈沖傳輸時(shí)其雙折射效應(yīng)對(duì)SOA啁啾影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)TE和TM模的啁啾隨時(shí)間、波長(zhǎng)、電流的演化差別很大，這對(duì)高速長(zhǎng)距離光纖通信不利。因此提出了通過(guò)改變SOA波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和在有源區(qū)引進(jìn)合適的張力來(lái)減少這種影響。

關(guān)鍵詞 啁啾；超短脈沖；雙折射

中圖分類號(hào) 0437 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2017）185-0059-03

半導(dǎo)體光放大器（SOA）的寬帶增益非常大；有極強(qiáng)的集成能力，易于與其它器件集成；能對(duì)自身?yè)p耗進(jìn)行增益補(bǔ)償。SOA具有高可靠性、易于小型化、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，在通信市場(chǎng)有極大的應(yīng)用。超短脈沖技術(shù)在近年來(lái)飛速發(fā)展[ 1 - 2 ]，而從雙折射角度研究超短脈沖下的脈沖啁啾特性甚少。超短脈沖通過(guò)SOA時(shí)增益變化很大，雙折射的存在使TE模式和TM模式的光譜分布不一樣，啁啾分布也存在差別，啁啾增大對(duì)高速長(zhǎng)距離光纖通信不利，因此研究超短脈沖傳輸時(shí)其雙折射效應(yīng)對(duì)SOA中超短脈沖啁啾影響很有必要。本文采用分段模型詳細(xì)分析了超短脈沖傳輸時(shí)雙折射對(duì)信號(hào)脈沖啁啾的影響。

1 理論模型

啁啾是指光脈沖中心頻率（或中心頻率的移動(dòng)量）隨時(shí)間的變化，通常用中心頻率（或頻移）隨時(shí)間變化的斜率表示啁啾參數(shù)，啁啾參數(shù)為正則為正啁啾，為負(fù)則為負(fù)啁啾。量子阱能帶技術(shù)的發(fā)展和工程的實(shí)施，全面提高了SOA的性能，例如放大能力達(dá)到飛秒級(jí)超短脈沖。光脈沖在SOA內(nèi)部傳輸時(shí)，受激輻射影響縱向載流子的密度，并導(dǎo)致增益的不均勻分布；而雙折射的存在，使TE模式和TM模式的光譜分布不一樣，啁啾分布存在差別。為了更準(zhǔn)確研究半導(dǎo)體光放大器在超短脈沖傳輸時(shí)雙折射對(duì)信號(hào)脈沖啁啾的影響，本文采用的模型是考慮了自發(fā)輻射噪聲、有源區(qū)內(nèi)載流子注入效率和端面反射系數(shù)的分段動(dòng)態(tài)模型。該方程中考慮了SOA的放大自發(fā)輻射、增益譜的漂移不對(duì)稱、和載流子壽命動(dòng)態(tài)恢復(fù)。

本文將SOA分為41段，對(duì)載流子速率方程（3）用四階龍格—庫(kù)塔法進(jìn)行數(shù)值求解，并進(jìn)行模擬計(jì)算分析，結(jié)果如圖所示，各圖中給出了幾個(gè)具有代表性的子段中的脈沖和啁啾的變化情況。

從圖1可以看出，考慮端面反射時(shí)，剛開(kāi)始兩種模式下啁啾變化不大，保持小信號(hào)時(shí)的值，接著由于每一段的載流子濃度隨著光脈沖上升沿的到來(lái)而快速減少，啁啾亦急速下降，隨后緩慢恢復(fù)，最后趨于平緩，后又緩慢回升，TE模啁啾大于TM模啁啾峰值。越靠近輸出端，下降和恢復(fù)的速度更快，正負(fù)啁啾峰值也越大，這是由于放大的脈沖會(huì)消耗更多的載流子。比較圖1和圖2，可看出，考慮端面反射時(shí)會(huì)出現(xiàn)多峰現(xiàn)象，是因?yàn)槎嗣娣瓷涞拇嬖谑馆d流子的消耗產(chǎn)生較大的波動(dòng)。

由圖3可知，兩種模式下正啁啾隨波長(zhǎng)的變大而緩慢上升，負(fù)啁啾雖有所波動(dòng)，但總的趨勢(shì)是下降，即絕對(duì)值增大。相同條件下，TE模式下的最大啁啾絕對(duì)值比TM模式時(shí)的最大啁啾絕對(duì)值大很多，說(shuō)明雙折射效應(yīng)影響較大；而最小處兩者相差不大，雙折射效應(yīng)影響不明顯。

在圖4中，兩種模式下正啁啾隨電流的變大而緩慢上升，負(fù)啁啾雖有所波動(dòng)，但總的趨勢(shì)是下降，即絕對(duì)值增大，這是由于加大電流，會(huì)使SOA中載流子密度增大，從而使增益變大，故啁啾變大。相同條件下，TE模式下的最大啁啾絕對(duì)值比TM模式時(shí)的最大啁啾絕對(duì)值大很多，并且正啁啾的相差程度大于負(fù)啁啾，說(shuō)明不同的模式限制因子和微分折射率對(duì)其有較大的影響，而最小處兩者相差不大，說(shuō)明影響不明顯。

3 結(jié)論

參考文獻(xiàn)

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