随着垂直腔面发射激光器(VCSELs)技术以及其制造工艺的日益成熟,垂直腔半导体光放大器(VCSOAs)也受到了人们的广泛关注。相对于传统边发射半导体光放大器(SOAs)而言,VCSOAs具有与光纤耦合效率高、偏振不敏感、便于二维阵列集成等优点,在新一代光通信网络、光信息处理、光计算等领域有着广泛的潜在应用前景。 考虑到现有的VCSOA速率方程模型在确定输入信号的功率注入因子方面存在难题,根据法布里-珀罗(F-P)腔边界条件,从行波方程和与位置相关的载流子方程出发,并引入随轴向位置发生变化的增益增长因子刻划微腔内的驻波效应,进而构建出VCSOA的增益模型。通过求方程的自洽得到了腔内载流子、光子的分布,同时分析了器件反射增益,其结果与已报道的理论及实验基本一致。 区别于常规的F-P腔增益公式,本文结合传输矩阵和载流子速率方程首次从理论上研究了VCSOA的动态开关特性。模拟结果发现,VCSOA作为光开关应用时,可以达到ns级的开关延时和15dB以上的消光比;在满足增益需求的前提下减小顶部分布布拉格反射镜(DBR)的膜层周期,以及正确设置关状态下的抽运电流密度值略高于增益截止区水平,是同时得到较好的开关延时和输出消光比的重要因素。为了验证该理论模型,在输入信号和抽运同时为短脉冲的条件下,获得了与实验结果基本一致的放大响应。