随着垂直腔半导体面发射激光器(VCSEL)技术以及其制造工艺的日益成熟,垂直腔半导体光放大器(VCSOA)也受到了人们的广泛关注。研究表明,VCSOA克服了传统边发射半导体光放大器对光纤耦合效率低和对偏振较敏感等缺点,并且具有低噪声、低制造成本等优点,其在光调制、光开关、光检测等方面有着潜在的应用前景。 本文提出了利用传输矩阵法研究VCSOA的小信号增益,主要基于VCSOA器件的特点,将它等效为由不同材料所构成的膜堆。首先,采用与分析分布布拉格反射堆(DBR)膜层类似的研究方法,对有源区内不同材料或不同厚度的势垒、量子阱及分割量子阱堆的有源区基层各膜层建立其特征矩阵,然后,将DBR及有源区内各膜层对应特征矩阵按构成器件的顺序依次相乘,得到整个VCSOA膜系的传输矩阵,结合其衬底折射率,最终得到VCSOA的小信号增益及增益带宽特性。 本文考虑了注入载流子浓度变化将导致有源区量子阱介质折射率实部变化这一物理事实,分别模拟计算了增益特性曲线随注入载流子浓度及DBR膜层周期数改变所产生的变化,并且预测了有源区量子阱堆位置改变对其增益特性的影响。通过对比传统F-P腔方法和传输矩阵法的求解结果,发现两种方法所得结果基本一致,同时也分析了部分结果产生差异的原因,表明了传输矩阵法的正确性。 传输矩阵法的优点体现在,它将VCSOA器件作为整体来研究,不需将DBR和有源区进行等效,不需引入有源区有效光腔长度和增益增强系数。当VCSOA材料或结构参数值发生变化时,可以利用传输矩阵法严格按照器件结构进行理论分析,直接将变化后的对应参数带入特征矩阵进行计算,得到VCSOA结构变化后的增益特性。