光注入及光電反饋垂直腔面發(fā)射激光器的非線性動力學特征研究.pdf

1、垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL)是一種垂直表面發(fā)光的新型半導體激光器，結(jié)構(gòu)和制作工藝的不同導致VCSEL具有閾值電流低、光纖耦合效率高、動態(tài)單縱模工作、制作成本低廉以及易于集成高密度二維陣列等獨特的優(yōu)勢，其有望在光通信、光信息處理、并行光互連等重要應用領域取代常規(guī)的邊發(fā)射型半導體激光器(Edge-emitting laser, EEL)。近年來的研究表明，在

2、合適的光擾動或電擾動下，VCSEL可以呈現(xiàn)出周期性脈沖、鎖頻、倍周期脈沖以及混沌脈沖等豐富多樣的非線性動力學態(tài)；并且，VCSEL有源區(qū)對稱的結(jié)構(gòu)和增益介質(zhì)弱的各向異性使其輸出的偏振特性非常復雜，外部的光擾動或電擾動會導致VCSEL出現(xiàn)偏振轉(zhuǎn)換（Polarization switching, PS）和偏振雙穩(wěn)（Polarization bistability, PB）這兩種特殊的偏振動力學狀態(tài)。當前，圍繞這些偏振動力學特性的研究不僅為VC

3、SEL在全光開關、全光存儲以及全光信息轉(zhuǎn)換等相關技術領域的應用開辟了新的途徑，而且對理解這些系統(tǒng)中非線性動力學態(tài)的產(chǎn)生和演化規(guī)律以及改善基于此類激光器器件的系統(tǒng)性能都具有非常重要的現(xiàn)實意義?；诖?，本論文對VCSEL在光注入及光電反饋條件下的非線性動力學和偏振特性開展了理論和實驗的研究，旨在深入剖析不同擾動環(huán)境下VCSEL系統(tǒng)所呈現(xiàn)的各類靜態(tài)和動態(tài)特性，揭示這些復雜現(xiàn)象的外在表現(xiàn)形式和內(nèi)在物理機制，并探尋VCSEL產(chǎn)生的非線性動力學、P

4、S和PB的控制措施。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴基于VCSEL自旋反轉(zhuǎn)模型，數(shù)值分析了正交光注入下 VCSEL的非線性動力學特性。揭示了 VCSEL兩個正交偏振模式的非線性動力學態(tài)在不同注入條件下的產(chǎn)生及演化規(guī)律，確定了激光器在注入?yún)?shù)空間內(nèi)的非線性動力學狀態(tài)分布。數(shù)值模擬分析表明，激光器在合適的注入條件下可呈現(xiàn)強度誘導的PS效應，并且發(fā)生 PS的參數(shù)區(qū)域往往伴隨著兩個模式之間的競爭或耦合。在注入?yún)?shù)空間內(nèi)，不同偏置電流情況下VC

5、SEL出現(xiàn)PS效應時所需的注入強度及輸出動力學態(tài)特性均存在較大差異，系統(tǒng)可以通過合理地調(diào)節(jié)偏置電流、注入強度以及頻率失諧等參量來有效控制 VCSEL輸出的非線性動力學狀態(tài)。此外，提出了一種基于混沌光注入的主副VCSELs混沌系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)產(chǎn)生混沌信號的帶寬和復雜性演化進行數(shù)值分析。理論的分析表明，在正負頻率失諧較大的區(qū)域，較大的注入強度有助于提高系統(tǒng)輸出的兩個偏振模式的混沌帶寬；適當?shù)姆答伜妥⑷霔l件可使系統(tǒng)輸出混沌信號的復雜度顯著提高

6、，且其與寬帶寬的混沌參數(shù)區(qū)域具有較大重合，在該參數(shù)重合區(qū)域，系統(tǒng)可輸出具有寬帶寬、高復雜度的混沌信號。⑵研究了正交光注入1550 nm-VCSEL中強度誘導PS和PB產(chǎn)生的物理機理及其演化規(guī)律。結(jié)果表明，VCSEL所呈現(xiàn)的偏振特性都與注入強度變化的路徑緊密相關，系統(tǒng)在特定參數(shù)條件下可產(chǎn)生兩種不同類型的強度誘導的PB效應。通過研究 VCSEL兩個正交偏振模式沿不同注入路徑時的非線性動力學狀態(tài)的變化，揭示了系統(tǒng)在不同頻率失諧情況下正/反向P

7、S以及對應PB的變化規(guī)律。進一步的研究還表明，在偏置電流較小時，系統(tǒng)僅在較大的頻率失諧區(qū)域出現(xiàn)PB效應，其寬度在正負失諧區(qū)呈現(xiàn)不同的變化趨勢；而當偏置電流較大時，系統(tǒng)在較大失諧區(qū)域的PB寬度的變化與小電流情形類似，但在較小失諧區(qū)域，系統(tǒng)可產(chǎn)生無反向偏振開關的PB現(xiàn)象。根據(jù)系統(tǒng)產(chǎn)生PB的物理條件，詳細分析了偏置電流和頻率失諧參量空間內(nèi)出現(xiàn)兩類PB效應的分布情況。⑶搭建了光電負反饋1550 nm-VCSEL的實驗系統(tǒng)，對系統(tǒng)輸出的非線性動力

8、學特性進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)光電反饋強度及偏置電流都會對系統(tǒng)輸出的動態(tài)特性產(chǎn)生顯著影響。在不同參數(shù)條件下，光電負反饋1550 nm-VCSEL可呈現(xiàn)規(guī)則脈沖態(tài)、準周期態(tài)、混沌脈沖態(tài)等豐富的非線性動力學行為。通過測定偏置電流和光電反饋強度參量空間內(nèi)的動力學分布，可以發(fā)現(xiàn)激光器在較小偏置電流和弱光電反饋下主要工作在穩(wěn)定狀態(tài)，隨著偏置電流的增加，激光器的輸出通常會隨反饋強度的增加以規(guī)則脈沖態(tài)-準周期態(tài)-規(guī)則脈沖態(tài)的方式循環(huán)演化，直到系統(tǒng)能夠進入

9、混沌狀態(tài)；當偏置電流增加到一定值后，激光器輸出的動力學態(tài)隨反饋強度的增加則主要以規(guī)則脈沖態(tài)-準周期態(tài)-混沌脈沖態(tài)的方式循環(huán)演化。⑷基于光電負反饋1550 nm-VCSEL實驗系統(tǒng)，詳細研究了偏置電流誘導及光電反饋誘導產(chǎn)生的動力學態(tài)雙穩(wěn)的物理機理及其演化規(guī)律。分析表明，當偏置電流或光電反饋強度沿不同路徑變化時，由于系統(tǒng)初始條件的不同，VCSEL輸出的非線性動力學狀態(tài)的變化規(guī)律并不完全一致，其可能在確定系統(tǒng)參數(shù)條件下呈現(xiàn)兩種不同的動力學態(tài)輸