双偏振光注入下1550 nm VCSEL的偏振开关特性研究

摘要

垂直腔面发射激光器(VCSELs)作为新型的光电器件，因具有低阈值电流、单纵模输出、较大的调制带宽、发散角小、与光纤的耦合性好、易于实现二维阵列等独特的优势而备受关注。特别地，由于 VCSELs的特殊结构和有源区增益介质的二向色性和双折射效应，自由运行的 VCSELs可输出两个正交的偏振分量。当偏置电流、温度等条件变化或引入光反馈、光注入等外部扰动时，两偏振分量之间可发生能量的相互转换，即偏振开关(polarization switching, PS)。其中，光注入是研究VCSELs PS特性的常用方式，目前的相关研究主要集中在连续光注入方式，而对于脉冲光注入，尤其是双偏振脉冲光注入下VCSELs PS特性的研究相对缺乏。特别地，PS时间涉及信息处理速率及系统的运行稳定性，因此，研究VCSELs的PS特性对未来基于VCSELs的全光信息处理系统的发展具有重要的意义。
　　本文基于自旋反转模型(SFM)，理论研究了1550nm VCSEL在双偏振脉冲光注入(DPPI)下输出两个偏振分量的PS特性。研究结果表明，与1550nm VCSEL同时受到一个正交偏振脉冲光和一个平行偏振连续光注入(脉冲正交偏振双光注入(DIPOP))的情况相比，在合适的参数条件下，DPPI方式能使PS时间更短，且其消光比更大。对于50 MHz的脉冲注入信号，在DPPI方式下，1550nm VCSEL输出的PS特性会受到两个注入脉冲的切换时间差值Δt的影响，每一个偏置电流对应一个最佳的Δt值，且这个值随偏置电流增加而呈现逐渐减小的趋势。对于固定的偏置电流、最佳Δt值及频率失谐，X(Y)偏振输出的开关时间主要取决于偏振脉冲注入强度Einj,x(Einj,y)，且X(Y)偏振输出的开关时间随Einj,x(Einj,y)的增加而变短；对于固定的注入强度，负频率失谐有利于减小X和Y偏振输出的开关时间。因此，通过改变注入强度以及频率失谐，两个偏振输出的PS开关时间都能够得到有效调控。此外，我们也给出了1550 nm VCSEL在受到两个2.5 Gb/s NRZ信号注入时的系统响应。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 垂直腔表面发射激光器的概述

1.2.1 VCSELs的发展历史

1.2.2 VCSELs的组成结构

1.3 VCSELs的相关应用

1.4 VCSELs的偏振模转换原理

1.5 本文研究的内容及意义

第2章 VCSELs的基本理论

2.1 引言

2.2 描述VCSELs的基本理论模型

2.2.1 Lang-Kobayashi(L-K)速率方程及其扩展

2.2.2自旋反转模型(Spin-Flip Model，SFM)

2.3 VCSELs基于SFM模型的速率方程扩展

2.3.1自发辐射噪声项的引入

2.3.2光注入扰动项的引入

2.4正交偏振光注入下VCSEL的偏振开关特性

2.5 本章小结

第3章 双偏振脉冲光注入下1550 nm VCSEL的偏振开关特性研究

3.1 引言

3.2 系统模型

3.3 结果与讨论

3.3.1 对比DPPI和DIPOP方案

3.3.2 DPPI下1550 nm VCSEL的PS特性

3.4 本章小结

第4章 结束语

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文