量子点半导体光放大器(QD-SOA)具有皮秒级的增益恢复时间和超快的载流子浓度恢复等特点,光子晶体(PC)与QD-SOA结合后具有强非线性效应、低吸收损耗、高功率传输和低功耗等优点。研究了光子晶体-量子点半导体光放大器(PC-QDSOA)的波长转换特性,详细分析了最大模式增益、泵浦光功率、探测光功率、有源区长度对PC-QDSOA波长转换Q因子的影响及注入电流、泵浦光功率、探测光功率、有源区长度与PC-QDSOA波长转换消光比的关系,并将PC-QDSOA仿真结果与QD-SOA的仿真结果进行比较。结果显示PC-QDSOA的Q因子和消光比的数值总是大于QD-SOA,说明PC-QDSOA比QD-SOA的输出信号质量更好,信号传输效率更高,转换性能更优越。研究结果对PC-QDSOA的应用具有一定的指导意义。

针对现有扫频光学相干层析成像中扫频范围不足的问题,提出了一种基于量子点半导体光放大器(QD-SOA)与量子阱半导体光放大器(QW-SOA)并联的傅里叶域锁模(FDML)高速宽带扫频光源。研究了两种SOA的输出特性,并将中心波长为1310 nm的QW-SOA与中心波长为1280 nm的QD-SOA并联置于光纤环形腔内,结合FDML技术,研制了一种高速宽带扫频光源。该扫频光源的扫频范围为318 nm,半峰全宽为110 nm,扫频速率为101 kHz,光源平均输出光功率为7.8 mW,瞬时线宽低于0.1 nm。

为了改善全光逻辑门的相位差特性, 对全光逻辑异或门的相位差进行了研究。采用细化分段模型对量子点半导体光放大器的动态过程进行建模, 利用牛顿法和4阶龙格-库塔法求解三能级跃迁速率方程以及光场传输方程, 实现了基于量子点半导体光放大器马赫-曾德尔干涉仪结构的全光逻辑异或门; 研究了有源区长度、最大模式增益、输入抽运光功率以及输入抽运光脉冲宽度对通过干涉仪两臂探测光相位差的影响,同时讨论了探测光的相位差与输出光功率的关系。结果表明, 增大有源区长度、最大模式增益以及输入抽运光功率, 均能使探测光相位差增大; 随着抽运光脉冲宽度增大, 探测光相位差先增大而后趋于平缓, 之后不断减小; 有源区长度为2.0mm、最大模式增益为3000m-1、输入抽运光功率为5dBm、抽运光脉冲宽度为1.0ps时, 最大相位差增加至0.3277π; 随着探测光相位差增大, 输出光功率增大;通过优化参量可以增大探测光的相位差, 而输出光功率会随着探测光相位差的增大而增大。该研究为提高转换信号质量提供了参考。

为提高全光波长转换器的波长转换效率，在量子点半导体光放大器(QD-SOA)波长转换特性研究的基础上，分别对基于交叉增益调制(XGM)效应和交叉相位调制(XPM)效应的全光波长转换器的转换效率进行了仿真分析。利用三能级QD-SOA模型并基于XGM型全光波长转换器，计算了输入脉冲宽度、有源区长度、损耗系数、最大增益模式和电子跃迁时间的变化对转换效率的影响。结果表明，减小输入脉冲宽度、损耗系数、电子跃迁时间和增加有源区长度、最大增益模式均可以提高全光波长转换器的转换效率。该研究对全光逻辑异或门的设计及QD-SOA的应用有一定的指导意义。

从光电集成电路的角度出发, 根据量子点半导体光放大器(QD-SOA)中载流子跃迁速率方程和光场传输方程, 建立了QD-SOA等效电路模型, 并通过电路仿真的方法对QD-SOA的增益谱、饱和增益特性等进行了仿真和分析; 利用QD-SOA的交叉增益调制研究了速率分别为40 Gbps、100 Gbps和160 Gbps时的波长转换特性, 并分析了不同的偏置电流、功率的信号光和探测光对输出信号消光比和Q值的影响, 其转换速率可达到100 Gbps, 消光比ER约为10 dB, Q值约为2.2.该研究对提高基于QD-SOA的交叉增益调制波长转换的性能具有指导意义.

为了对单端量子点半导体光放大器(QD-SOA)全光波长转换器的增益恢复特性进行系统分析, 采用分段法和4阶龙格-库塔法, 利用单端QD-SOA的交叉增益调制效应的全光波长转换原理分别求解速率方程和光场方程, 分析了注入电流、后端面反射率以及最大模式增益等变化时对单端QD-SOA全光波长转换器增益恢复时间的影响。结果表明, 当增大注入电流和后端面反射率、减小最大模式增益时, 均可以减小增益恢复时间, 进而可以通过优化上述参量改善单端QD-SOA的增益恢复特性。

为了改善全光波长转换器的转换性能进而提高输出信号质量, 研究了波长转换器的Q因子特性。采用牛顿迭代法和四阶龙格库塔法解光场传输方程和跃迁速率方程, 分析了输入信号光功率、脉冲宽度、最大模式增益和有源区长度4个因素对全光波长转换器的Q因子特性的影响, 并将得到的结果与相同条件下的输出消光比比较。结果表明: 增大输入信号光功率, Q因子先增大后减小, 并且在－12 dBm时取得最大值8.819 dB; Q因子随着脉冲宽度的增加而不断下降; 增大最大模式增益和有源区长度, Q因子增大。在实现波长转换的基础上,优化各参数数值, 得到的Q因子达到16.680 dB,输出信号质量较好。要同时获得高的消光比和Q因子, 提高输出信号的质量, 必须选取适当的输入信号光功率、脉冲宽度、最大模式增益和有源区长度。

信号光的啁啾特性在很大程度上会影响量子点半导体光放大器(QD-SOA)的性能,引起传输信号的走离效应,使误比特率增高。为了改善这一特性, 对QD-SOA全光波长转换器的啁啾特性进行了系统分析, 基于QD-SOA的交叉增益调制效应的全光波长转换原理,采用牛顿法和4阶龙格-库塔法求解速率方程和光场传输方程,计算了注入电流、抽运光脉宽和抽运光消光比变化时QD-SOA全光波长转换器输出变换光的啁啾值。结果表明, 增大抽运光脉宽、减小注入电流和抽运光消光比均可减小变换光的啁啾值, 通过优化这些参量可以减小啁啾的影响, 但在设计QD-SOA全光波长转换器时, 要考虑抽运光消光比和变换光啁啾之间的均衡。

量子点半导体光放大器（QDSOA）具有更小的载流子恢复时间和更高的放大带宽，是光信息处理的理想器件。利用QDSOA三能级电子跃迁速率方程和光场传输方程，建立了有源区分段模型，对饱和QDSOA的频率响应特性进行研究，得到输入光功率、注入电流、有源区长度、最大模式增益和载流子跃迁时间等参数与3 dB截止频率和抑制比之间的关系。结果表明，饱和QDSOA具有高通滤波特性，有较宽的高频信号放大带宽和较高的3 dB截止频率，通过优化参数，可以获得比传统体材料和量子阱材料半导体光放大器更加优异的特性，为QDSOA的设计与应用提供了理论指导。