MEMS可调谐垂直腔半导体光放大器的调谐特性研究

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随着垂直腔半导体面发射激光器(VCSEL)技术及其制造工艺的日益成熟,垂直腔半导体光放大器(VCSOA)也受到了人们的广泛关注。研究表明,VCSOA克服了传统边发射半导体光放大器(SOA)对光纤耦合效率低和对偏振较敏感等缺点,并且具有低噪声、低制造成本等优点,其在光调制、光开关、光检测以及波长转换等方面有着潜在的应用前景。受限于F-P腔结构,VCSOA的增益带宽通常较窄。因此出现了可调谐的VCSOA,可以通过改变器件的光腔折射率、腔长等因素来调谐器件的谐振波长。基于温度调谐的长波长VCSOA已有研究,但更有吸引力的方法是微电子机械调谐法(MEMS)。与通过折射率调制方法来进行调谐相比,通过机械改变有效腔长可以得到更宽的调谐范围。不同于耦合腔的方法,本文提出了利用传输矩阵法研究MEMS可调谐VCSOA(MT-VCSOA)的调谐特性,主要基于器件的特点,将其等效为由不同材料构成的膜堆。首先,采用与分析分布布拉格反射堆(DBR)膜层类似的研究方法,对有源区内量子阱、势垒和基层,DBR膜层和空腔分别建立特征矩阵,并将它们按构成器件的顺序依次相乘,得到整个MT-VCSOA的传输矩阵。在反射模式下,结合其基底折射率,计算出MT-VCSOA的增益特性。该方法的优点是:避免了有效腔长及增益增强因子ζ的计算,结果直接与器件的结构相对应。利用得到的传输矩阵,分别模拟计算了耦合腔结构(SCC)和外延腔结构(EC)MT-VCSOA调谐特性曲线,所得结果同文献相一致,证明了该方法的可行性。接着,得出了注入载流子浓度及DBR膜层周期数的变化对极值增益及调谐范围的影响。仿真分析了有源区量子阱堆位置改变对调谐特性及带宽的影响。对空腔长度的变化对谐振波长的影响进行了分析。将SCC结构及EC结构的调谐范围及极值增益作了对比。
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