半導(dǎo)體激光器在光注入下的偏振及動(dòng)態(tài)特性研究.pdf

1、上世紀(jì)八十年代起注入式半導(dǎo)體激光器(SL)受到了人們極大的關(guān)注，它們被廣泛地應(yīng)用在鎖頻、鎖相、降低噪聲、提高調(diào)制帶寬、時(shí)鐘恢復(fù)、微波生成和同步通信等領(lǐng)域。受到常規(guī)光反饋(COF)、共軛光反饋(PCF)等自注入和單/雙向外部注入的SL，常呈現(xiàn)出豐富的動(dòng)態(tài)特性。深入研究這些動(dòng)力學(xué)行為，有助于揭示注入式SL這一典型非線性系統(tǒng)的物理本質(zhì)，為提高SL工作性能、拓展其在光通信等領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。另外，垂直腔面發(fā)射激光器(VCSELs)作為新型微腔

2、SL的代表，較之傳統(tǒng)邊發(fā)射SL具有眾多突出優(yōu)點(diǎn)，但VCSELs特殊的有源區(qū)結(jié)構(gòu)使其輸出的偏振特性非常復(fù)雜，偏振自由度的引入導(dǎo)致注入條件下輸出的非線性動(dòng)態(tài)更加豐富，產(chǎn)生了許多新的課題和應(yīng)用。因此，本論文對(duì)SL在光注入條件下的非線性動(dòng)態(tài)和偏振特性展開深入研究，目的在于揭示光注入下SL的動(dòng)態(tài)演變形式、偏振態(tài)分布規(guī)律和這些特性的物理成因，并探討SL動(dòng)態(tài)特性及偏振自由度等方面的控制措施和實(shí)際應(yīng)用。 處理方法上，基于自旋反轉(zhuǎn)模型、速率方程和

3、無量綱化處理方法，并采用Simulink多級(jí)封裝技術(shù)，建立仿真模塊；借助穩(wěn)態(tài)分析、動(dòng)力學(xué)分岔理論和小信號(hào)微擾理論等，并參考分岔圖、頻譜圖、眼圖、相空間軌跡、參數(shù)空間映射、相關(guān)性曲線等指標(biāo)，來刻畫輸出的物理特性。研究的主要內(nèi)容和結(jié)論有： 綜合考慮多次反饋和共軛鏡響應(yīng)時(shí)間等因素的影響后，對(duì)邊發(fā)射SL輸出分岔行為、光場(chǎng)時(shí)域信號(hào)對(duì)稱性和噪聲特性的研究表明：多次反饋使輸出分岔提前，甚至改變倍周期和混沌狀態(tài)的出現(xiàn)范圍，并導(dǎo)致PCF條件下輸出

4、光場(chǎng)旋轉(zhuǎn)π后不再對(duì)稱；共軛鏡響應(yīng)時(shí)間對(duì)輸出非線性和強(qiáng)度噪聲都具有一定抑制作用，且響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)抑制作用越明顯；此外，基于PCF構(gòu)建的同步通信系統(tǒng)，對(duì)共軛鏡的位置不敏感，并對(duì)光纖傳輸中的色散和非線性效應(yīng)具有一定消弱作用。 采用不對(duì)稱互注入和混合注入的新思想實(shí)現(xiàn)了SL的同步通信，并將前一思想發(fā)展到一對(duì)多和多對(duì)一的光網(wǎng)絡(luò)通信中。仿真發(fā)現(xiàn)：引入不對(duì)稱注入能夠克服傳統(tǒng)互注入系統(tǒng)不能進(jìn)行混沌同步通信的缺點(diǎn)，確保兩SL穩(wěn)定的注入鎖定同步；同步后

5、，強(qiáng)弱兩個(gè)注入方向上都表現(xiàn)出混沌濾波效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)雙向通信。借助中間媒介引入單/雙向混合注入，實(shí)現(xiàn)了兩外部SL的類全同步混沌通信，該方法克服了傳統(tǒng)同步系統(tǒng)中同步品質(zhì)受編碼影響以及信息的調(diào)制頻率受混沌濾波限制不能大于弛豫振蕩頻率的缺點(diǎn)。 詳細(xì)分析了互注入VCSELs系統(tǒng)的偏振和動(dòng)態(tài)特性，并將討論拓展到強(qiáng)度不對(duì)稱和含有附加反饋兩種特殊情況。平行互注入時(shí)(注入光偏振方向與被注入VCSELs向同)，兩VCSELs表現(xiàn)出與光反饋相似的特點(diǎn)

6、；垂直注入時(shí)(注入光偏振方向與被注入VCSELs垂直)，頻率失調(diào)可引起兩VCSELs不同的偏振開關(guān)(PS)效應(yīng)。以x偏振模式垂直注入為例，通過動(dòng)態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)兩VCSELs輸出存在一不對(duì)稱區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)它們分別輸出x和y偏振模式，互注入轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗蜃⑷?。選擇合適的互注入?yún)?shù)，還可以得到輸出耦合模式近似周期性的模式跳變以及與之伴隨的PS效應(yīng)，數(shù)值模擬證實(shí)其物理原因?yàn)?，具有最大增益的模式隨參數(shù)的變化在x和y兩個(gè)偏振方向上交替產(chǎn)生。 利用

7、時(shí)變垂直光注入的新方法來控制VCSELs的PS雙穩(wěn)特性，并推導(dǎo)了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行解釋。時(shí)變注入對(duì)PS有推遲作用，注入系數(shù)變化越快，PS雙穩(wěn)區(qū)域越寬；物理上，PS的推遲作用源于輸出對(duì)先前狀態(tài)的記憶作用，推導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型可很好地解釋該特性。此外，論文首次針對(duì)VCSELs線性和橢圓兩種輸出偏振態(tài)，分析了其四波混頻(FWM)效應(yīng)和光電反饋下的動(dòng)態(tài)特性。結(jié)果表明：線性偏振的：FWM效應(yīng)和光電反饋特性與邊發(fā)射SL相似；橢圓偏振的FWM效應(yīng)對(duì)于二色