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垂直腔半导体光开关中的动态响应时间
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【物理新课程论文】1 引言由于能够提供较快的开关时间(次纳秒量级)和较大的消光比,半导体光放大器(SOA)在光开关这一应用领域吸引了众多研究者的目光。而基于边发式半导体光放大器(EESOA)的光开关已经进行了广泛的研究[1-3]。然而,这种类型的光开关在实际应用中也存在一定的问题,比如对偏振较敏感以及无法滤除过量噪声。
近年来,垂直腔半导体光放大器(VCSOA)吸引了众多研究人员的目光[4-7]。作为一种新型的Fabry-Perot型光放大器,它除了具有传统EESOA动态增益较快的特点外,还有着EESOA所不具有的优点,比如低噪声性能、偏振不敏感性、较高的光纤耦合效率以及易于与其他光电器件进行二维集成等。另外,VCSOA有两个高反射率的DBR反射镜(通常反射率都超过0.9),因而其光学增益带宽变得比较窄从而能够滤除增益带宽外的过量噪声,特别在由光开关组成的开关阵列中,这一特点能有效抑制级联时产生的放大自发辐射噪声(ASE)的累积。因而,基于VCSOA结构的光开关VCS有着广阔的应用前景[8]。
现有大多数关于VCS工作特性的研究主要集中在消光比、稳态增益等方面,而对动态特性的讨论则基本上是从实验的角度进行的。文献[8]通过实验测得的数据拟合了与输入光功率有关的载流子寿命,并将载流子浓度在开关转换过程中的时间演化规律假想为一种指数关系,在此基础上得到了皮秒级的开关时间。文献[9]对VCSOA采用非常强的短脉冲抽运,通过改变抽运与输入短脉冲信号之间的延时,测量了器件的放大响应。显然,上面这些关于VCS动态特性的研究还缺乏一些必要的理论分析。本文从速率方程出发,利用Adams等人构建的平均光子数理论[10],在考虑了VCSOA有源区中增益与载流子浓度的对数关系以及长波长器件的俄歇复合效应后推导出了VCSOS开关延时的解析表达式,理论结果与文献中的结论符合较好。
2 理论分析和讨论
在平均场近似下,VCSOA中有源区内载流子密度满足的速率方程为[11]dNdt=Jp(t)eLa-(AN+BN2+CN3)-ξvgg(N)S(1)
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