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随着互联网多媒体业务,数据中心及云计算的快速发展,人们对网络带宽的需求越来越高。直接调制的半导体激光器在接入网和数据通信系统中有着重要的应用。而接入网和数据通信系统对激光器的要求是:高速率、低成本。本文针对如何提高半导体激光器的调制带宽做了深入研究。除此之外,本文也针对低降光器件成本方面提出了相应的解决方案。在提高直接调制半导体激光器的调制带宽方面,本文首先采用了全物理的载流子输运模型研究了量子阱激光器有源区各个参数对激光器调制带宽的影响,这些包括SCH能带结构、量子阱个数、势垒高度以及垒区掺杂浓度。本文还采用了该模型分别在室温和高温下优化了激光器的有源区。为了进一步提高激光器的调制带宽,本文提出并研制了混合量子阱激光器。仿真结果显示,混合量子阱激光器的调制带宽比没有优化的激光器大44%。实验结果表明,优化的激光器调制带宽达到了 19GHz。激光器在25℃下测得的良好的眼图说明了激光器能够满足25Gbps的直接调制。然后,本文还提出了采用渐变脊波导结构来抑制DFB激光器中的纵向空间烧孔效应,这可以减小因为空间烧孔效应引起的激光器频率响应上的低频滚降,从而显著提高了大kL的DFB激光器的调制带宽。最后,本文研究并研制了 push-pull调制的DFB激光器。通过优化激光器的纵向结构,使push-pull调制的半导体激光器的光子-光子谐振频率fPPR尽量接近电子-光子谐振频率fCPR,利用光子-光子谐振峰来弥补激光器频率响应在高频处的滚降,从而大大提高激光器的调制带宽。本文的理论仿真结果显示,采用二阶光栅的push-pull调制的DFB激光器3dB调制带宽可以高达50GHz以上。在降低光器件成本方面,本文提出了采用渐变脊波导结构的DFB激光器来提高激光器的单模成品率。其主要原理为:利用渐变的脊波导使激光器的等效折射率和光场限制因子沿腔长方向变化。变化的等效折射率使均匀光栅等效地成为一种啁啾光栅,啁啾光栅使得不同频率的光在腔长方向的场分布不一样。由于光场限制因子沿纵向是变化的,这使得光场分布与光场限制因子重叠积分最大的光更容易激射,这样就打破了普通折射率耦合DFB激光器中存在的双模简并现象,从而提高了激光器的单模成品率。实验结果显示,当kL为2.9时,采用渐变脊波导结构的DFB激光器的单模成品率达到了 65%,而相同kL的普通DFB激光器的单模成品率只有19%。这种HRW结构能够有效的提高大kL的折射率耦合DFB激光器的单模成品率。另外,为了提高DFB激光器的抗外部光反馈能力,以便除去系统中的光隔离器以节约系统的成本,本文提出了基于奇偶时空反演(PT)对称的复数耦合光栅的DFB激光器。它利用了光在PT对称复数耦合光栅中拥有非对称传输的性质,将外部反馈光尽可能的隔离在腔外,从而使激光器受外部反馈光影响较小。另一方面,由于这种光栅的透射谱是对称的,因此它不影响激光器的稳态特性。数值仿真显示在外部光反馈强度高达-10dB下,激光器的波长漂移量小于0.2nm,边模抑制比保持在45dB以上。综上所述,本文针对如何提高量子阱半导体激光器的调制带宽做了深入研究,提出并研制了本文提到的高速直接调制的半导体激光器,为设计高速直接调制的半导体激光器提供了理论指导。同时在降低光器件成本方面,本文提出并研制了渐变脊波导DFB激光器提高了 DFB激光器的单模成品率;本文还提出了 PT对称复数耦合DFB激光器提高了 DFB激光器的抗外部光反馈能力,可以用于无光隔离器系统省去光隔离器成本。