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半导体—光纤复合腔可调谐激光器的研究

作　者: 郝秀晴
导　师: 陈根祥
学　校: 北京交通大学
专　业: 光通信与移动通信
关键词: 半导体激光器行波速率方程时域传输矩阵方法频域滤波器取样光栅
分类号: TN248.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

如今半导体激光器的技术已日益成熟,其在光通信网络中的应用逐渐增加,然而随着各种新兴技术特别是波分复用(WDM)技术等在光通信领域中的广泛应用,使得人们对作为通信光源的激光器又提出了更高的要求。本文通过对半导体-光纤复合腔(SFCC)可调谐激光器结构原理和性能的详细分析,阐述了一种相对有效的解决方案。该可调谐激光器是以Fabry-Perot型半导体激光器(FPLD)为核心,利用光纤、滤波器等器件构造一个具有滤波效果的环形腔,从而实现激光的窄带输出,通过调节滤波器则可实现大范围的调谐。这种激光器可满足光通信系统对数据传输容量和速率的要求,因此有着很好的发展前景。本文首先对FPLD的基本理论进行了详尽的分析,并在此基础上阐述其工作原理,进而建立了关于SFCC激光器的一维理论模型,然后通过数值方法对激光器的时域和频域特性做了深入的研究,具体步骤如下：1.首先论述了半导体的基本理论,对其材料增益及自发辐射特性进行分析和研究,并得出了相应的解析表达式。然后详细介绍了FPLD的结构和工作原理,并推导出基于腔内电磁场随机光场展开的行波方程和载流子速率方程。2.描述了SFCC可调谐激光器的基本组成结构和工作机理。同时简单介绍了一下F-P滤波器等相关器件的特性及其对整个系统的影响。3.采用分布时域算法对SFCC激光器的一维行波速率方程进行数值化操作,并在此基础上进行求解(通过matlab仿真实现),分析其动态工作特性,如载流子浓度在时间和空间上的变化规律等。4.以时域动态仿真结果作为频域分析SFCC可调谐激光器输出光谱特性的初始值,并采用扩展矩阵法建立频域模型,分析其输出谱的特性,这样做是因为直接对SFCC激光器作频域上的分析相对比较困难。之后在此基础上将SFCC激光器中的可调谐滤波器部分改用取样光栅来实现,可得到更理想的输出光谱,且调谐特性更好。本文将采用两个不同取样光栅构成的组合型可调谐窄带滤波器。首先对均匀光栅的布拉格条件及耦合模理论进行了推导。然后简单介绍了取样光栅的原理,并且对振幅取样光栅的反射谱进行了分析和研究。接着利用两个不同的矩形振幅取样光栅构成组合型可调谐窄带滤波器,并分析了可行性。最后将其应用到SFCC激光器中,通过程序仿真对比两种滤波器的滤波和调谐特性。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-11
1 引言  11-16
  1.1 光纤通信技术的发展现状  11-12
  1.2 可调谐激光器的特点及发展现状  12-14
  1.3 本文的研究目标和主要工作  14-16
2 半导体-光纤复合腔可调谐激光器的结构与原理  16-27
  2.1 半导体材料的基本光电特性  16-20
    2.1.1 半导体内部光子与载流子的相互作用  16-17
    2.1.2 半导体PN结  17-18
    2.1.3 载流子寿命与自发复合过程  18-19
    2.1.4 半导体的材料增益与自发辐射模型  19-20
  2.2 FPLD的结构原理及相关理论  20-23
    2.2.1 FPLD的双异质结构及原理  20-21
    2.2.2 FPLD产生激射的条件  21-22
    2.2.3 FPLD有源层内光场的行波方程  22
    2.2.4 FPLD有源层内载流子速率方程  22-23
  2.3 SFCC可调谐激光器的结构及工作原理  23-24
    2.3.1 SFCC可调谐激光器的结构  23-24
    2.3.2 SFCC可调谐激光器的工作原理  24
  2.4 其它相关器件的结构功能介绍  24-27
    2.4.1 Fabry-Perot腔的滤波原理  24-25
    2.4.2 光隔离器及光耦合器  25-27
3 半导体-光纤复合腔激光器的基本理论模型  27-36
  3.1 SFCC激光器的时域仿真算法  27-30
    3.1.1 FPLD的时域模型  27-28
    3.1.2 SFCC激光器的行波方程数值化  28-29
    3.1.3 载流子速率方程的数值化  29-30
  3.2 SFCC激光器的频域仿真算法  30-36
    3.2.1 常规传输矩阵法  30-31
    3.2.2 局部有源情况  31-32
    3.2.3 扩展源情况  32-34
    3.2.4 基于传输矩阵的频域仿真模型  34-36
4 基于取样光纤光栅的滤波器设计  36-44
  4.1 均匀光纤光栅  36-38
    4.1.1 布拉格条件  36-37
    4.1.2 耦合模理论  37-38
  4.2 取样光纤光栅技术  38-41
    4.2.1 取样光纤光栅的原理  38-39
    4.2.2 振幅取样光纤光栅  39-41
  4.3 取样光纤光栅的调谐技术及组合滤波设计  41-44
    4.3.1 取样光纤光栅的调谐理论与技术  41-42
    4.3.2 取样光纤光栅的组合滤波设计  42-44
5 半导体-光纤复合腔可调谐激光器时域和频域特性仿真  44-59
  5.1 时域仿真流程图及相关参数表  44-45
  5.2 SFCC激光器时域仿真结果分析  45-49
    5.2.1 载流子浓度时域仿真结果分析  45-48
    5.2.2 输出功率时域仿真结果分析  48-49
  5.3 SFCC激光器频域仿真结果分析  49-54
    5.3.1 关于自发辐射特性及阈值增益的讨论  50-52
    5.3.2 输出功率的频域仿真分析  52-54
  5.4 基于取样光栅滤波器的SFCC激光器仿真分析  54-59
    5.4.1 取样光栅组合滤波的数值仿真  54-57
    5.4.2 基于取样光栅滤波器的SFCC激光器仿真及调谐  57-59
6 结论  59-60
参考文献  60-63
作者简历  63-65
学位论文数据集  65

半导体—光纤复合腔可调谐激光器的研究

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