基于半导体光放大器的超高速全光采样基础研究

全光采样是决定全光模数转换工作速率的关键，而全光模数转换对于高速信号数字化至关重要，因此研究超高速全光采样的理论和方法具有重要的科学意义和应用价值。.本项目旨在提出一种基于半导体光放大器的超高速全光采样的新方法，拟利用半导体光放大器双折射效应产生的偏振旋转特性，对采样脉冲光实现幅度调制，并结合光滤波器技术补偿半导体光放大器较慢的增益恢复，实现系统超快恢复，完成对模拟信号光的超高速采样。为此，首先将建立半导体光放大器双折射效应的超快理论模型，研究实现全光采样的基本途径，其次，研究提高采样工作速率的新方法和关键技术，探索集成光学解决方案；然后，完成全光采样最佳工作性能的优化设计。.本项目提出的超高速全光采样的方法具有一定的创新性，目前尚未见到其他研究者的相关报道。项目研究涉及的半导体双折射效应的超快理论是半导体光电子学器件中的共性理论问题，该研究结果将促进超高速光信号处理技术的发展。

全光模数转换对于实现高速信号数字化至关重要，而全光采样是决定模数转换工作速率的关键。本项目对半导体光放大器双折射效应、基于半导体光放大器的全光采样方法和关键技术、全光采样性能的评价和优化进行了理论研究和实验验证。完善了半导体光放大器双折射效应的超快理论模型，实现了半导体光放大器中载流子动态行为，特别是相位超快恢复的理论建模。研究显示载流子消耗、载流子加热以及光谱烧孔等弛豫过程分别在脉冲响应过程中的不同时刻处于主导地位，载流子加热是超快相位产生的主要因素，随着脉冲宽度的降低，超快相位表现明显且相位动态相对于增益动态存在着时间延迟，研究结果丰富了半导体超快光子学理论。建立了基于半导体光放大器偏振耦合速率方程模型并实现了全光采样的静态和动态理论仿真。分析表明，偏振光场的两正交模相对独立地在半导体光放大器中传输，两者通过增益饱和间接作用，模拟信号光调制半导体光放大器中的载流子浓度和增益，使得脉冲光的偏振态发生旋转，检偏后脉冲光强度发生改变，实现高速全光采样。利用半导体光放大器、偏振控制器、检偏器和光滤波器完成了研究计划中的40GS/s高重频全光脉冲采样实验验证，采样失真为2.01%。提出了基于传输函数的谐波分析方法，完成了对采样信号和模拟信号的频谱特性分析，分别实现了分布多项式拟合、归一化多项式拟合和统一多项式拟合三种方法对全光采样的效率和线性度指标进行评价和优化。结果表明，调节偏置电流、输入偏振角、输出检偏角和附加相移可以优化全光采样的性能。在全光采样的基础上，我们还实现了基于半导体光放大器自偏振旋转效应的功率均衡的理论分析和实验验证，并提出了基于保持光注入改善半导体光放大器自偏振旋转性能的方法。研究表明保持光通过调控半导体光放大器的偏振模式增益可以改善半导体光放大器自偏振旋转特性，保持光注入可以明显抑制和消除载流子恢复时间过长导致的归零码波形畸变和非归零码过冲现象。课题组有关研究成果曾被国际光学工程协会作为科技亮点在SPIE Newsroom上专题报道。