光注入及光电反馈垂直腔面发射激光器的非线性动力学特征研究

摘要

垂直腔面发射激光器(Vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL)是一种垂直表面发光的新型半导体激光器，结构和制作工艺的不同导致VCSEL具有阈值电流低、光纤耦合效率高、动态单纵模工作、制作成本低廉以及易于集成高密度二维阵列等独特的优势，其有望在光通信、光信息处理、并行光互连等重要应用领域取代常规的边发射型半导体激光器(Edge-emitting laser, EEL)。近年来的研究表明，在合适的光扰动或电扰动下，VCSEL可以呈现出周期性脉冲、锁频、倍周期脉冲以及混沌脉冲等丰富多样的非线性动力学态；并且，VCSEL有源区对称的结构和增益介质弱的各向异性使其输出的偏振特性非常复杂，外部的光扰动或电扰动会导致VCSEL出现偏振转换（Polarization switching, PS）和偏振双稳（Polarization bistability, PB）这两种特殊的偏振动力学状态。当前，围绕这些偏振动力学特性的研究不仅为VCSEL在全光开关、全光存储以及全光信息转换等相关技术领域的应用开辟了新的途径，而且对理解这些系统中非线性动力学态的产生和演化规律以及改善基于此类激光器器件的系统性能都具有非常重要的现实意义。基于此，本论文对VCSEL在光注入及光电反馈条件下的非线性动力学和偏振特性开展了理论和实验的研究，旨在深入剖析不同扰动环境下VCSEL系统所呈现的各类静态和动态特性，揭示这些复杂现象的外在表现形式和内在物理机制，并探寻VCSEL产生的非线性动力学、PS和PB的控制措施。
　　本研究主要内容包括：⑴基于VCSEL自旋反转模型，数值分析了正交光注入下 VCSEL的非线性动力学特性。揭示了 VCSEL两个正交偏振模式的非线性动力学态在不同注入条件下的产生及演化规律，确定了激光器在注入参数空间内的非线性动力学状态分布。数值模拟分析表明，激光器在合适的注入条件下可呈现强度诱导的PS效应，并且发生 PS的参数区域往往伴随着两个模式之间的竞争或耦合。在注入参数空间内，不同偏置电流情况下VCSEL出现PS效应时所需的注入强度及输出动力学态特性均存在较大差异，系统可以通过合理地调节偏置电流、注入强度以及频率失谐等参量来有效控制 VCSEL输出的非线性动力学状态。此外，提出了一种基于混沌光注入的主副VCSELs混沌系统，并对该系统产生混沌信号的带宽和复杂性演化进行数值分析。理论的分析表明，在正负频率失谐较大的区域，较大的注入强度有助于提高系统输出的两个偏振模式的混沌带宽；适当的反馈和注入条件可使系统输出混沌信号的复杂度显著提高，且其与宽带宽的混沌参数区域具有较大重合，在该参数重合区域，系统可输出具有宽带宽、高复杂度的混沌信号。⑵研究了正交光注入1550 nm-VCSEL中强度诱导PS和PB产生的物理机理及其演化规律。结果表明，VCSEL所呈现的偏振特性都与注入强度变化的路径紧密相关，系统在特定参数条件下可产生两种不同类型的强度诱导的PB效应。通过研究 VCSEL两个正交偏振模式沿不同注入路径时的非线性动力学状态的变化，揭示了系统在不同频率失谐情况下正/反向PS以及对应PB的变化规律。进一步的研究还表明，在偏置电流较小时，系统仅在较大的频率失谐区域出现PB效应，其宽度在正负失谐区呈现不同的变化趋势；而当偏置电流较大时，系统在较大失谐区域的PB宽度的变化与小电流情形类似，但在较小失谐区域，系统可产生无反向偏振开关的PB现象。根据系统产生PB的物理条件，详细分析了偏置电流和频率失谐参量空间内出现两类PB效应的分布情况。⑶搭建了光电负反馈1550 nm-VCSEL的实验系统，对系统输出的非线性动力学特性进行了研究。研究发现光电反馈强度及偏置电流都会对系统输出的动态特性产生显著影响。在不同参数条件下，光电负反馈1550 nm-VCSEL可呈现规则脉冲态、准周期态、混沌脉冲态等丰富的非线性动力学行为。通过测定偏置电流和光电反馈强度参量空间内的动力学分布，可以发现激光器在较小偏置电流和弱光电反馈下主要工作在稳定状态，随着偏置电流的增加，激光器的输出通常会随反馈强度的增加以规则脉冲态-准周期态-规则脉冲态的方式循环演化，直到系统能够进入混沌状态；当偏置电流增加到一定值后，激光器输出的动力学态随反馈强度的增加则主要以规则脉冲态-准周期态-混沌脉冲态的方式循环演化。⑷基于光电负反馈1550 nm-VCSEL实验系统，详细研究了偏置电流诱导及光电反馈诱导产生的动力学态双稳的物理机理及其演化规律。分析表明，当偏置电流或光电反馈强度沿不同路径变化时，由于系统初始条件的不同，VCSEL输出的非线性动力学状态的变化规律并不完全一致，其可能在确定系统参数条件下呈现两种不同的动力学态输出行为，进而产生电流诱导或光电反馈诱导的动力学态双稳现象，此类态双稳的出现决定于VCSEL内部的非线性效应及其输出动力学状态对初始条件的高度敏感性。进一步的研究确定了电流或反馈诱导的动力学态双稳所需的参量范围，并且系统动力学态双稳的演化规律可由其输出动力学态的复杂性特征来清晰的表征。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 论文的研究意义

1.2论文的研究背景

1.3本论文的主要研究内容

第2章 VCSEL的基础理论和数值分析方法

2.1 VCSEL的理论模型

2.2数值分析方法

2.3 本章小结

第3章 光注入VCSEL的非线性动力学特性分析

3.1 引言

3.2 正交光注入VCSEL的非线性动力学特性研究

3.3 混沌光注入VCSEL产生宽带宽、高复杂度的非线性混沌信号

3.4 本章小结

第4章 光注入VCSEL的偏振特性分析

4.1 引言

4.2 正交光注入VCSEL的偏置开关及偏振双稳特性

4.3 可变偏振光注入VCSEL的偏振双稳特性

4.4 本章小结

第5章 光电反馈VCSEL的非线性动力学特性

5.1 引言

5.2光电负反馈VCSEL的非线性动力学特性研究

5.3 光电负反馈光注入下VCSEL非线性动力学特性的研究

5.4 本章小结

第6章 光电反馈VCSEL的非线性动力学态双稳特性研究

6.1 引言

6.2 实验架构

6.3 偏置电流诱导产生的动力学态双稳特性

6.4 光电反馈诱导产生的动力学态双稳特性

6.5 本章小结

第7章 总结和研究展望

7.1 研究总结

7.2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间工作情况

致谢