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宽带可调谐Moire光栅激光器

2020-12-09阅读(226)

宽带可调谐Moire光栅激光器

论文摘要

随着半导体芯片工艺越来越接近其物理极限,传统集成电路进入后摩尔时代,硅基光电子集成行业正在蓬勃兴起。同时,无线终端和5G网络都在速度和容量上对光网络提出更高的要求,使光网络结构越来越复杂。为了增加光网络重构的灵活性,人们开始了对可调谐激光器的研究。本文研究的是基于Moire光栅的宽带可调谐激光器,通过理论推导证明了 Moire效应,并首次提出将此效应应用到激光器波长调谐领域。通过基本光栅周期的微小改变,可以实现Moire周期乃至布拉格波长的大范围变化,进而实现激射波长在较大范围内的连续单调调谐。理论上调谐范围只受有源区材料增益带宽和光栅材料弹性极限的限制,这点也是相比于取样光栅激光器而言,Moire光栅激光器最突出的优点。然后我们利用传输矩阵的思想对Moire光栅进行一维仿真,一维仿真结果初步证实Moire效应的正确性。为了进一步证实结果的可靠性,我们增加了光栅区波导横截面上的仿真。利用Lumerical FDTD软件对Moire光栅进行建模,并进行了二维仿真,仿真结果进一步证实了 Moire效应。最后我们又对Moire光栅激光器进行仿真,激光器的仿真分为有源区和调谐区两个部分进行,有源区的仿真利用行波模型,调谐区是利用TMM或者FDTD仿真所得Moire光栅反射谱,透射谱及相位信息,通过数字滤波器的方法将无源区的离散时域序列与来自有源区的前向光场的卷积计算,实现两个部分的连接,最终得到Moire光栅激光器的仿真结果。仿真所得激光器的功率谱显示,改变基本光栅周期可以实现激射波长的大范围的调谐,证实了理论推导的正确性。论文的最后我们提出了基于DBR型的Moire光栅激光器的可行性结构模型,并提出利用压电陶瓷实现基本光栅周期变化的方法。压电陶瓷（PZT）本身具有很好的压电性能,同时与Ⅲ-Ⅴ型半导体材料晶格相匹配,可在半导体材料表面制得薄膜。在较低的外加电压下,上层PZT层的膨胀可使下层基本光栅发生弹性压缩变形,从而使Moire光栅的周期以及布拉格波长可在较宽范围内连续且单调地调谐。仿真结果表明,在光栅材料的弹性形变范围内,Moire光栅激光器可以实现40nm范围的单调连续的调谐。适当减小基本光栅周期的差值,调谐效果更为明显,可实现最大至150nm的波长调谐范围。这种连续、单调的调谐特征,将使得Moire光栅激光器在波长调谐领域有不错的前景。

论文目录

  • 中文摘要
  • ABSTRACT
  • 符号说明
  • 第一章 绪论
  •   1.1 研究背景
  •   1.2 可调谐半导体激光器的研究现状
  •     1.2.1 可调谐DFB激光器
  •     1.2.2 可调谐垂直腔面激光器
  •     1.2.3 可调谐外腔激光器
  •     1.2.4 基于DBR型结构的各类可调谐激光器
  •     1.2.5 基于Moire光栅结构的可调谐激光器
  •   1.3 本论文的主要内容及章节安排
  • 第二章 半导体激光器的原理及各类光栅的波长调谐机理
  •   2.1 半导体激光器的激射条件
  •     2.1.1 光增益
  •     2.1.2 激光器的工作阈值条件
  •   2.2 各类光栅的波长调谐机理
  •     2.2.1 布拉格光栅
  •     2.2.2 取样光栅
  •     2.2.3 Moire光栅
  •   2.3 本章小结
  • 第三章 Moire光栅激光器的理论模型
  •   3.1 传输矩阵模型（TMM）
  •   3.2 行波模型（TWM）
  •   3.3 数字滤波方法
  •   3.4 本章小结
  • 第四章 Moire光栅以及激光器的仿真结果
  •   4.1 Moire光栅的仿真结果
  •     4.1.1 一维仿真结果
  •     4.1.2 二维仿真结果
  •   4.2 Moire光栅激光器的仿真结果
  •   4.3 本章小结
  • 第五章 Moire光栅激光器结构的可行性分析
  •   5.1 Moire光栅激光器结构的可行性分析及相关计算
  •   5.2 相关技术问题的讨论
  •   5.3 本章小结
  • 第六章 结论
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况
  • 学位论文评阅及答辩情况表

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 刘连鹿

    导师: 李俣

    关键词: 半导体激光器,光栅,宽带可调谐

    来源: 山东大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 物理学,无线电电子学

    单位: 山东大学

    分类号: TN248

    总页数: 68

    文件大小: 5632K

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