光纖布拉格光柵外腔半導(dǎo)體激光器的非線性動力學特性研究.pdf

1、半導(dǎo)體激光器(Semiconductor laser, SL)自20世紀60年代誕生以來就受到人們的極大關(guān)注。隨著半導(dǎo)體制造工藝的不斷進步，半導(dǎo)體激光器已經(jīng)成為可靠而高效的相干光源。它具有體積小、成本低、激射波長范圍大、轉(zhuǎn)換效率高、可直接調(diào)制等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于光通信、光存儲、光互連等應(yīng)用中。在半導(dǎo)體激光器內(nèi)，材料極化的弛豫時間遠小于光子和載流子的弛豫時間，因此半導(dǎo)體激光器屬于B類激光器。在沒有受到外部擾動時，SL通常是連續(xù)光輸出，而作

2、為一種非線性器件，SL在受到外部擾動時也能夠表現(xiàn)出包括穩(wěn)態(tài)鎖定，單周期振蕩、倍周期振蕩、準周期振蕩以及混沌振蕩等豐富的非線性動力學特性。這些非線性動力學特性具有重要的應(yīng)用價值。例如，當 SL處于穩(wěn)態(tài)鎖定態(tài)時，SL的輸出線寬得到窄化，調(diào)制帶寬得到提高；當SL處于單周期振蕩態(tài)時，可以用它來產(chǎn)生高頻率光生微波信號；當SL處于混沌態(tài)時，它類似噪聲的波形輸出能夠應(yīng)用到光混沌保密通信、光混沌雷達和高速物理隨機數(shù)產(chǎn)生中。而常見的外部擾動SL的方式有外

3、腔光反饋、光注入以及光電反饋等。其中，外腔光反饋SL由于結(jié)構(gòu)相對簡單，易于產(chǎn)生高維度混沌輸出而被廣泛采用。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴基于垂直腔面發(fā)射激光器自旋反轉(zhuǎn)模型和光纖布拉格光柵耦合模理論，推導(dǎo)出能夠合理描述FBG外腔VCSEL非線性動力學和偏振轉(zhuǎn)換特性的速率方程。利用四階Runge-Kutta法求解該速率方程，數(shù)值模擬了FBG外腔VCSEL輸出的時間序列，功率譜和相圖并借助它們確定了VCSEL輸出的動力學狀態(tài)，研究了兩偏振

4、模式的偏振轉(zhuǎn)換行為。結(jié)果表明，在相同反饋強度下，F(xiàn)BG外腔VCSEL兩偏振分量可以具有不同的動力學狀態(tài)。隨著反饋強度?的增大，F(xiàn)BG外腔VCSEL的輸出經(jīng)歷穩(wěn)態(tài)，單周期態(tài)，準周期態(tài)進入混沌態(tài)。通過繪制FBG外腔 VCSEL動力學狀態(tài)在反饋強度?和FBG中心頻率與VCSEL中心頻率的頻率失諧Δf參數(shù)空間中的分布圖，確定了各動力學狀態(tài)的參數(shù)范圍。借助計算兩偏振分量的歸一化輸出強度研究了FBG外腔VCSEL的偏振轉(zhuǎn)換特性，發(fā)現(xiàn)了雙模共存現(xiàn)象。

5、⑵以上述理論研究為基礎(chǔ)，構(gòu)建了FBG外腔VCSEL實驗系統(tǒng)，利用數(shù)字示波器、光譜儀和電譜分析儀對VCSEL的時間序列、光譜和功率譜進行采集和分析，實驗研究了FBG外腔VCSEL動力學演化路徑和偏振轉(zhuǎn)換特性，解釋了FBG外腔光反饋引起VCSEL發(fā)生偏振轉(zhuǎn)換的物理機制。結(jié)果表明，隨著反饋強度?的增加，F(xiàn)BG外腔VCSEL的總輸出經(jīng)歷準周期分岔路徑進入混沌，該結(jié)果與理論研究結(jié)果相符。此外，當固定偏置電流，調(diào)節(jié)光衰減器的衰減率，發(fā)現(xiàn)了三種典型的

6、偏振轉(zhuǎn)換路徑。而固定光衰減器的衰減率，連續(xù)變化偏置電流時，可以觀察到多次主導(dǎo)偏振模式的轉(zhuǎn)換以及理論工作中發(fā)現(xiàn)的雙模共存現(xiàn)象。進一步研究表明，在雙模共存時FBG外腔VCSEL的兩個偏振模式均處于混沌態(tài)。⑶根據(jù)動力學狀態(tài)分布圖，調(diào)節(jié)相關(guān)工作參數(shù)，使FBG外腔VCSEL的輸出處于混沌態(tài)，然后利用相關(guān)函數(shù)、互信息和排列熵對FBG外腔VCSEL混沌輸出的延時特征進行提取和量化評估，理論和實驗研究了FBG外腔VCSEL外部參數(shù)對混沌輸出延時特征的影

7、響。在理論工作中，分析了反饋強度?、FBG中心頻率與VCSEL中心頻率的頻率失諧Δf和FBG耦合系數(shù)?B對FBG外腔VCSEL混沌輸出的延時特征和有效帶寬的影響并與將結(jié)果與平面鏡外腔VCSEL進行了對比。結(jié)果表明，F(xiàn)BG外腔比平面鏡外腔對 VCSEL混沌輸出延時特征具有更好的抑制效果。通過合理地選擇工作參數(shù)，可以使FBG外腔VCSEL混沌輸出的延時特征小于0.1。在實驗研究中，主要討論了VCSEL的偏置電流I和反饋強度?對FBG外腔VC

8、SEL混沌輸出延時特征的影響，結(jié)合理論分析解釋了FBG能夠抑制VCSEL混沌輸出延時特征的物理機理。通過繪制混沌延時特征在反饋強度?和偏置電流I參數(shù)空間中的分布圖，確定了FBG外腔VCSEL混沌輸出的延時特征被抑制的最佳參數(shù)區(qū)域，由此獲得了混沌延時特征被抑制的高性能光混沌信號。⑷為了滿足光混沌保密通信系統(tǒng)對大容量、高傳輸速率的需求，我們結(jié)合弱諧振腔法布里-珀羅激光器(WRC-FPLD)較寬增益譜和縱模間隔較小的特點，提出利用可調(diào)FBG作