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(xué)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(dǎo)體激光器，結(jié)構(gòu)和制作工藝的不同導(dǎo)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(yīng)用領(lǐng)域取代常規(guī)的邊發(fā)射型半導(dǎo)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(xué)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(fù)雜，外部的光擾動或電擾動會導(dǎo)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(xué)狀態(tài)。當(dāng)前，圍繞這些偏振動力學(xué)特性的研究不僅為VC

3、SEL在全光開關(guān)、全光存儲以及全光信息轉(zhuǎn)換等相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)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(xué)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(xué)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(fù)雜現(xiàn)象的外在表現(xiàn)形式和內(nèi)在物理機(jī)制，并探尋VCSEL產(chǎn)生的非線性動力學(xué)、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(xué)特性。揭示了 VCSEL兩個正交偏振模式的非線性動力學(xué)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(xué)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(qiáng)度誘導(dǎo)的PS效應(yīng)，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(yīng)時所需的注入強(qiáng)度及輸出動力學(xué)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(qiáng)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(xué)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(fù)雜性演化進(jìn)行數(shù)值分析。理論的分析表明，在正負(fù)頻率失諧較大的區(qū)域，較大的注入強(qiáng)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(dāng)?shù)姆答伜妥⑷霔l件可使系統(tǒng)輸出混沌信號的復(fù)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(fù)雜度的混沌信號。⑵研究了正交光注入1550 nm-VCSEL中強(qiáng)度誘導(dǎo)PS和PB產(chǎn)生的物理機(jī)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(qiáng)度變化的路徑緊密相關(guān)，系統(tǒng)在特定參數(shù)條件下可產(chǎn)生兩種不同類型的強(qiáng)度誘導(dǎo)的PB效應(yīng)。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(xué)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(yīng)PB的變化規(guī)律。進(jìn)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(yīng)，其寬度在正負(fù)失諧區(qū)呈現(xiàn)不同的變化趨勢；而當(dāng)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(guān)的PB現(xiàn)象。根據(jù)系統(tǒng)產(chǎn)生PB的物理條件，詳細(xì)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(yīng)的分布情況。⑶搭建了光電負(fù)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(xué)特性進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)光電反饋強(qiáng)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(fù)反饋1550 nm-VCSEL可呈現(xiàn)規(guī)則脈沖態(tài)、準(zhǔn)周期態(tài)、混沌脈沖態(tài)等豐富的非線性動力學(xué)行為。通過測定偏置電流和光電反饋強(qiáng)度參量空間內(nèi)的動力學(xué)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(qiáng)度的增加以規(guī)則脈沖態(tài)-準(zhǔn)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(jìn)入

9、混沌狀態(tài)；當(dāng)偏置電流增加到一定值后，激光器輸出的動力學(xué)態(tài)隨反饋強(qiáng)度的增加則主要以規(guī)則脈沖態(tài)-準(zhǔn)周期態(tài)-混沌脈沖態(tài)的方式循環(huán)演化。⑷基于光電負(fù)反饋1550 nm-VCSEL實驗系統(tǒng)，詳細(xì)研究了偏置電流誘導(dǎo)及光電反饋誘導(dǎo)產(chǎn)生的動力學(xué)態(tài)雙穩(wěn)的物理機(jī)理及其演化規(guī)律。分析表明，當(dāng)偏置電流或光電反饋強(qiáng)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(xué)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(xué)態(tài)輸