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(shù)在光存儲(chǔ)、光通信、信號(hào)處理和相控陣天線等領(lǐng)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(yīng)用前景。目前已經(jīng)證實(shí)有多種物理機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)慢光延時(shí)，包括電磁感應(yīng)透明、相干布局?jǐn)?shù)振蕩、受激布里淵散射以及光子晶體波導(dǎo)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(diǎn)，近年來已成為慢光領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本論文立足于全光存儲(chǔ)及全光信息處理領(lǐng)域的重大需要和國際前沿?zé)狳c(diǎn)，圍繞VCSEL

2、的慢光延時(shí)特性展開研究，旨在探索利用VCSEL產(chǎn)生慢光延時(shí)的機(jī)理和方法，及分析信號(hào)在延時(shí)過程中的影響因素和限制條件，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)用化的級(jí)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(shí)帶寬，從而擴(kuò)展了VCSEL在高速光網(wǎng)絡(luò)和光緩存領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。
　　本文以VCSEL的慢光延時(shí)特性為對(duì)象，主要從以下幾個(gè)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(hào)在VCSEL中延遲的過程，深入

3、剖析了VCSEL作為放大器工作時(shí)產(chǎn)生慢光延時(shí)的物理機(jī)理;其次，研究了VCSEL的特征參數(shù)對(duì)延時(shí)和帶寬特性的影響，并通過理論和實(shí)驗(yàn)共同證明了VCSEL的延時(shí)-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(duì)慢光延時(shí)信號(hào)的影響，探討了慢光信號(hào)的延遲時(shí)間和誤碼率隨信號(hào)功率的變化情況;最后，提出利用級(jí)聯(lián)VCSEL和新型耦合腔VCSEL結(jié)構(gòu)擴(kuò)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(hào)在VCSEL中的慢光延時(shí)。首先利用光場(chǎng)傳輸表達(dá)式結(jié)合F-P腔邊界條件，模擬了信號(hào)在VCSEL腔內(nèi)傳輸?shù)倪^程，并推導(dǎo)得到信號(hào)延時(shí)的解析表達(dá)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(chǔ)上得到了器件的延時(shí)響應(yīng)曲線。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明信號(hào)延遲時(shí)間受VCSEL頂部和底部反射率及注入電流的影響，實(shí)驗(yàn)中利用1550nm的VCSEL放大器可對(duì)2.5-Gbit/s的二進(jìn)制偽隨機(jī)序列(P

5、RBS)產(chǎn)生了98ps的可控慢光延時(shí)。
　　(2)通過理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，揭示了VCSEL延時(shí)-帶寬積的影響因素和限制條件。根據(jù)慢光模型推導(dǎo)得到延時(shí)-帶寬積的解析表達(dá)式，深入分析了VCSEL延時(shí)-帶寬積隨VCSEL特征函數(shù)的變化規(guī)律，揭示了最大延時(shí)-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(guān);由于實(shí)際中VCSEL器件對(duì)端面高反射率的要求(＞90％)，導(dǎo)致最大延時(shí)-帶寬積基本為定值，約0.64。同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明V

6、CSEL的延時(shí)-帶寬積隨注入電流的增加而減小，測(cè)量得到最大延時(shí)-帶寬積約為0.62，與理論結(jié)果基本吻合。
　　(3)通過理論和實(shí)驗(yàn)共同分析了VCSEL的飽和效應(yīng)對(duì)慢光延時(shí)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(hào)功率與延遲時(shí)間之間的聯(lián)系;隨后實(shí)驗(yàn)研究了在VCSEL逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)過程中，PRBS信號(hào)的延時(shí)時(shí)間和眼圖的變化規(guī)律。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明VCSEL的增益飽和效應(yīng)會(huì)引起信號(hào)延遲時(shí)間的下降、延時(shí)帶寬的擴(kuò)展和VCSEL

7、峰值波長的漂移。通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)注入電流，并改變信號(hào)波長以追蹤峰值增益波長的變化，實(shí)驗(yàn)中測(cè)量得到延時(shí)信號(hào)的誤碼率(BER)隨信號(hào)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(jí)聯(lián)VCSEL結(jié)構(gòu)擴(kuò)展器件的增益和延時(shí)帶寬的方案。首先將VCSEL級(jí)聯(lián)，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)單個(gè)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(shí)譜分量的匹配疊加，進(jìn)而得到頂部平坦的寬帶增益和延時(shí)譜輪廓。隨后利用雙級(jí)聯(lián)VCSELs結(jié)構(gòu)進(jìn)行

8、慢光延時(shí)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量結(jié)果表明級(jí)聯(lián)VCSEL可以有效的將5-Gbit/s的PRBS信號(hào)延時(shí)135ps，相比于單腔VCSEL結(jié)構(gòu)，其延時(shí)量提高了約35％，并且信號(hào)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(shí)帶寬。首先利用薄膜光學(xué)理論結(jié)合菲涅爾公式對(duì)構(gòu)成VCSEL的量子阱、勢(shì)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(xì)分析了無源腔結(jié)構(gòu)擴(kuò)展器件帶寬的原因，以及改變腔結(jié)構(gòu)對(duì)器件增益和延時(shí)譜的影響;隨后建立評(píng)價(jià)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(shí)用的量化標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明:與單腔VCSEL相比，在峰值增益和最大延時(shí)量相同的情況下，耦合腔VCSEL的增益帶寬擴(kuò)展為單腔結(jié)構(gòu)的3.4倍，同時(shí)延時(shí)帶寬提高為單腔結(jié)構(gòu)的8倍。利用該耦合腔VCSEL進(jìn)行慢光延時(shí)，可以將20-Gbit/s的超高斯脈沖低失真的延遲