光纖布拉格光柵外腔半導(dǎo)體激光器的非線性動(dòng)力學(xué)特性研究.pdf

1、半導(dǎo)體激光器(Semiconductor laser, SL)自20世紀(jì)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(jìn)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(zhǎng)范圍大、轉(zhuǎn)換效率高、可直接調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于光通信、光存儲(chǔ)、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(shí)間遠(yuǎn)小于光子和載流子的弛豫時(shí)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(dòng)時(shí)，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(dòng)時(shí)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(zhǔn)周期振蕩以及混沌振蕩等豐富的非線性動(dòng)力學(xué)特性。這些非線性動(dòng)力學(xué)特性具有重要的應(yīng)用價(jià)值。例如，當(dāng) SL處于穩(wěn)態(tài)鎖定態(tài)時(shí)，SL的輸出線寬得到窄化，調(diào)制帶寬得到提高；當(dāng)SL處于單周期振蕩態(tài)時(shí)，可以用它來產(chǎn)生高頻率光生微波信號(hào)；當(dāng)SL處于混沌態(tài)時(shí)，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(dá)和高速物理隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生中。而常見的外部擾動(dòng)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(duì)簡(jiǎn)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(dòng)力學(xué)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(shí)間序列，功率譜和相圖并借助它們確定了VCSEL輸出的動(dòng)力學(xué)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(qiáng)度下，F(xiàn)BG外腔VCSEL兩偏振分量可以具有不同的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)。隨著反饋強(qiáng)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(zhǔn)周期態(tài)進(jìn)入混沌態(tài)。通過繪制FBG外腔 VCSEL動(dòng)力學(xué)狀態(tài)在反饋強(qiáng)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(dòng)力學(xué)狀態(tài)的參數(shù)范圍。借助計(jì)算兩偏振分量的歸一化輸出強(qiáng)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用數(shù)字示波器、光譜儀和電譜分析儀對(duì)VCSEL的時(shí)間序列、光譜和功率譜進(jìn)行采集和分析，實(shí)驗(yàn)研究了FBG外腔VCSEL動(dòng)力學(xué)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(jī)制。結(jié)果表明，隨著反饋強(qiáng)度?的增加，F(xiàn)BG外腔VCSEL的總輸出經(jīng)歷準(zhǔn)周期分岔路徑進(jìn)入混沌，該結(jié)果與理論研究結(jié)果相符。此外，當(dāng)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(shí)，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(jìn)一步研究表明，在雙模共存時(shí)FBG外腔VCSEL的兩個(gè)偏振模式均處于混沌態(tài)。⑶根據(jù)動(dòng)力學(xué)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(duì)FBG外腔VCSEL混沌輸出的延時(shí)特征進(jìn)行提取和量化評(píng)估，理論和實(shí)驗(yàn)研究了FBG外腔VCSEL外部參數(shù)對(duì)混沌輸出延時(shí)特征的影

7、響。在理論工作中，分析了反饋強(qiáng)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(duì)FBG外腔VCSEL混沌輸出的延時(shí)特征和有效帶寬的影響并與將結(jié)果與平面鏡外腔VCSEL進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，F(xiàn)BG外腔比平面鏡外腔對(duì) VCSEL混沌輸出延時(shí)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(shí)特征小于0.1。在實(shí)驗(yàn)研究中，主要討論了VCSEL的偏置電流I和反饋強(qiáng)度?對(duì)FBG外腔VC

8、SEL混沌輸出延時(shí)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(shí)特征的物理機(jī)理。通過繪制混沌延時(shí)特征在反饋強(qiáng)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(shí)特征被抑制的最佳參數(shù)區(qū)域，由此獲得了混沌延時(shí)特征被抑制的高性能光混沌信號(hào)。⑷為了滿足光混沌保密通信系統(tǒng)對(duì)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(diǎn)，提出利用可調(diào)FBG作