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半导体光放大器(SOA)作为高速全光信号处理的重要非线性器件,在波长转换、全光逻辑和3R再生等方面具有广泛应用。因此有必要去发展SOA的理论模型从而更好的研究它在通信系统中的动态行为,特别是随着通信速率的发展,SOA的一些超快物理效应必须要加以重视。本论文对SOA有源区结构和材料特性进行了分析,并且研究了SOA中的增益和相位恢复动态特性。分析了材料的微分增益特性、阶梯型量子阱结构、引入辅助光和光栅结构,以及偏振相关性对载流子恢复过程的影响。概括本论文的研究贡献和创新点,有以下方面：(1)研究了SOA物理理论中的光学模型和材料模型。从最基本的物理原理出发推出描述不同物理过程的控制方程。从麦克斯韦方程组推出光波动方程,从薛定谔方程推出材料增益方程,从海森堡方程推出载流子速率方程。本论文研究中所建立的模型都是在这些基本方程的基础上做进一步的修正。(2)通过比较精确完整的理论模型,证明了提高材料中的微分增益系数能够加速载流子恢复,同时提供了如何在量子阱SOA中提高微分增益系数的方法。基于能带结构的计算,研究压应变和p型掺杂对材料的增益系数、微分增益系数和线宽增强因子的影响。增加材料中的压应变量可以使得微分增益系数谱的峰值向长波长移动,并且能够明显的提高微分增益系数的峰值。同时,对材料进行P型掺杂可以增加材料的增益系数。然后,通过比较三种SOA样品的增益和相位恢复动态特性,证明了具有高微分增益的量子阱SOA增益恢复较快。(3)提出了适用于阶梯型量子阱SOA的分析模型。在速率方程中包括从载流子库区到基态载流子与声子散射的微观计算。结果表明阶梯型量子阱SOA的电子散射率取决于该载流子库区的势阱参数。最后通过分析和比较不同类型SOA样品的增益和相位恢复动态曲线得出具有较大电子跃迁速率的SOA载流子恢复较快。(4)提出了在辅助光的帮助下具有布拉格反射光栅(DFB)结构SOA的加速方案。文章主要分析了辅助光对DFB-SOA增益恢复动态过程的影响。同时,我们还分析辅助光对DFB-SOA的稳态载流子浓度分布和光场分布的影响。结果表明在注入相对高的功率,同时波长处于增益区的辅助光时,DFB-SOA增益恢复较快。最后,在辅助光注入的情况下,我们得出了具有DFB光栅结构的SOA比没有DFB光栅结构SOA的增益恢复过程快。另外,分析了DFB光栅结构的耦合因子对SOA增益恢复时间的影响,并且得到优化的结构参数。(5)理论和实验研究了基于量子阱SOA波长转换中码型效应的偏振相关性。证明了注入信号的偏振对增益恢复时间会产生一定的影响。在晶格匹配和张应变量子阱SOA中,当注入的信号光和转换光为不同偏振时,输出的转换光信号会观察到不同程度的码型效应。