基于圆偏振光注入1550nm垂直腔面发射激光器的偏振转换特性研究

摘要

边发射激光器(edge-emitting semiconductor lasers,EELs)和垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting lasers,VCSELs)中所呈现的光开关、光学双稳等非线性动力学现象因在光互连、全光信号处理领域的潜在应用而受到广泛关注。相对于EELs而言，VCSELs具有低制造成本、低阈值电流、较大的调制带宽、单纵模输出、圆形输出光斑等优势。更为特别的，VCSELs中圆形对称结构的有源区以及弱各向异性的增益材料导致VCSELs输出偏振的稳定性较差，因此在VCSELs中易于观察到偏振转换(polarization switching,PS)和偏振双稳(polarization bistability,PB)现象。通过连续改变VCSELs的电流、温度，或通过引入电流调制、光反馈或光注入等外部扰动均可观察到PS现象，其中引入外部光注入的方式最为常见。根据注入方式的不同，光注入可分为正交偏振光注入、可变偏振光注入以及圆偏振光注入(circularly polarized optical injection,CPOI)。目前，对正交偏振光注入和可变偏振光注入下VCSELs的PS特性已有大量研究，而关于圆偏振光注入下VCSELs的PS特性的研究鲜有报道。
　　本文实验研究了圆偏振光注入下1550nm VCSELs的PS特性。研究结果表明：自由运行的1550nm VCSEL在不同偏置电流作用下，可运行在y偏振模式、x偏振模式或两偏振分量共存状态。对于自由运行在y偏振模式的1550nm VCSEL，引入圆偏振光注入后，在合适的注入光功率Pinj和频率失谐Δν1(=νinj-νx,νinj和νx分别指注入光频率和1550nm VCSEL自由运行下x偏振分量频率)下，可实现I类PS(由高频偏振分量转换到低频偏振分量)，发生I类 PS所需的最小注入光功率Pinjmin的极小值位于负频率失谐区；对于自由运行在x偏振模式的1550nm VCSEL，引入圆偏振光注入后，在合适的注入光功率Pinj和频率失谐Δν2(=νinj-νy,νinj和νy分别指注入光频率和1550nm VCSEL自由运行下y偏振分量频率)下，可实现II类PS(即由低频偏振分量转换为高频偏振分量)，发生II类PS所需的最小注入光功率存在两个极小值，一个位于负频率失谐区，另一个位于正频率失谐区。最后，给出了圆偏振光注入下1550nm VCSEL的非线性动力学输出在注入光功率和频率失谐构成的参数空间中的演化图谱。

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第1章 绪论

1.1 垂直腔面发射激光器(VCSELs)的历史进程

1.2 VCSELs器件结构与应用

1.2.1 VCSELs的结构与优点

1.2.2 VCSELs的相关应用

1.3 1550 nm VCSELs面临的技术问题与研究进程

1.3.1 1550 nm VCSELs面临的技术问题

1.3.2 1550 nm VCSELs的研究进程

1.4 本文的研究内容及意义

第2章 VCSELs的基础理论与偏振特性

2.1 引言

2.2 描述VCSELs的理论模型

2.2.1 扩展的L-K速率方程

2.2.2 孤立VCSELs的自旋反转模型

2.3 光注入VCSELs的速率方程组

2.3.1 外部光注入下VCSELs的速率方程

2.3.2 自发辐射噪声项的引入

2.3.3 圆偏振光注入下VCSELs的速率方程组

2.4 光注入VCSELs的偏振特性以及其研究现状

2.4.1 VCSELs的偏振原理

2.4.2 光注入VCSELs偏振特性的研究现状

2.5 本章小结

第3章 基于圆偏振光注入1550 nm VCSELs的偏振转换特性研究

3.1 引言

3.2 实验装置

3.3 实验结果与讨论

3.3.1 1550 nm VCSEL自由运行在y偏振模式

3.3.2 1550 nm VCSEL自由运行在x偏振模式

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