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基于量子点半导体光放大器交叉增益调制效应的全光逻辑门研究

余建兴  
【摘要】:量子点半导体光放大器(QD-SOA)与其它光学放大器相比具有阈值电流低、增益响应快、噪声指数低、差分增益高和频率带宽大等优越的性能,非常适用于实现全光波长转换器和全光逻辑门。基于QD-SOA的全光波长转换器和全光逻辑门具有高速信息处理能力,将成为下一代全光网络中关键的组成部分。 本课题首先针对QD-SOA典型的三维受限理论模型,建立了分段模型并进行数值求解,详细分析了QD-SOA有源区的载流子分布情况和快速增益恢复等基本特性。从理论上研究了利用QD-SOA的XGM原理实现的全光波长转换系统,重点讨论了波长转换后信号的啁啾特性。通过引入ASE噪声等效模型,分析了噪声对基于QD-SOA-MZI结构的波长转换系统性能的影响以及如何优化系统参数使得噪声的影响最小。同时,本课题还利用QD-SOA的XGM效应建立了基于QD-SOA-MZI结构的全光逻辑或门理论模型,并数值分析了逻辑门的性能;建立了控制脉冲作用下的基于QD-SOA-MZI结构的全光逻辑异或门理论模型,分析了逻辑门的性能以及控制脉冲对逻辑门性能的影响。 结果表明:(1)QD-SOA具有快速增益恢复特性,提高注入电流或减小载流子从润湿层到激发态的弛豫时间都可以缩短载流子恢复的时间,加快QD-SOA的恢复进程。(2)提高注入电流,增大信号光功率、减小探测光功率、提高输入信号速率以及增大线宽增强因子都可以使得转换后信号的啁啾变大,啁啾对输入信号的波长变化不敏感,因此通过优化这些参数可以使得啁啾的影响最小。此外,ASE噪声会使波长转换系统性能恶化,但通过合理优化注入电流、信号光功率和探测光功率的取值,可以使得转换后同相信号的反差比提高,码型效应减弱。(3)增大注入电流、减小从润湿层到激发态的弛豫时间、增加信号光功率、减小线宽增强因子和限制因子可以获得较高的或门输出信号质量。输入信号脉冲宽度的变化也会影响或门性能,其存在一个最佳的值使得或门输出信号质量最高。(4)增大注入电流、减小从润湿层到激发态的载流子弛豫时间、减小输入信号光功率和脉冲宽度可以提高异或运算输出信号的质量。增加控制脉冲,可以提高逻辑异或门的性能,但同时,控制脉冲功率的增加也会使输出信号恶化,因此需要合理选择控制脉冲的功率。


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