垂直腔面發(fā)射激光器外光反饋非線性動態(tài)特性的研究.pdf

1、垂直腔面發(fā)射激光器(VCSELs)具有體積小、閾值低、功耗小、單縱模、與光纖耦合效率高以及易形成高密度二維陣列等優(yōu)點(diǎn)，在光通信、光互連、光存儲和光傳感等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，相關(guān)研究是近期光電子領(lǐng)域的熱點(diǎn)。然而在VCSELs 實(shí)際應(yīng)用中普遍存在外光反饋問題，微量反饋便可使其出現(xiàn)復(fù)雜非線性現(xiàn)象，對系統(tǒng)性能造成極大影響。對該問題的研究有助于深入揭示此類激光器在外部擾動下特殊的物理和光學(xué)特性，為激光器和通信系統(tǒng)性能優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。本文研究目

2、的在于：通過考慮VCSELs結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和外光反饋的影響，深入剖析外部反饋下VCSELs呈現(xiàn)的各類靜態(tài)和動態(tài)特性，探究這些復(fù)雜現(xiàn)象的外在表現(xiàn)形式和內(nèi)在物理成因，并探尋相應(yīng)的控制措施。研究內(nèi)容包括VCSELs多橫模特性、單模和多橫模VCSELS外光反饋特性、注入和互注入非線性效應(yīng)、外腔VCSELs混沌同步及其在混沌光通信領(lǐng)域的應(yīng)用等熱點(diǎn)問題。 處理方法上，主要借助Simulink開發(fā)可視化且易于拓展的動態(tài)仿真模型，并結(jié)合特殊的控制和處

3、理程序進(jìn)行分析；針對弱折射率導(dǎo)引VCSELs，利用光波導(dǎo)理論得到橫?？臻g分布函數(shù)，并借助計算機(jī)繪圖得到橫模傳播常數(shù)和空間分布特征；對VCSELs多橫模相關(guān)問題則分別采用二維有限差分法和有源區(qū)積分消元法進(jìn)行處理。這些方法具有高效和拓展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于光電子領(lǐng)域的研究。 主要研究結(jié)論： 對VCSELs多橫模特性研究表明：窄(寬)的盤型或靠近有源區(qū)中心(邊緣)的環(huán)型電流注入利于低(高)階橫模激射；模式強(qiáng)度空間不均性導(dǎo)致載

4、流子在徑向和角向呈不均勻分布，引發(fā)空間燒孔(SHB)效應(yīng)；載流子擴(kuò)散會削弱SHB效應(yīng)；盤型注入下，偏置電流增加或注入電流擴(kuò)散會降低器件單模特性。 首次對單模和多橫模VCSELs外光反饋特性做了詳細(xì)探討。除得到短外腔下靜態(tài)特性和長外腔下的分岔和混沌振蕩等典型非線性特性外，發(fā)現(xiàn)可通過調(diào)控自發(fā)輻射因子等內(nèi)部參數(shù)或引入外光注入或外光電反饋來抑制反饋所致非線性行為。考慮多橫模反饋時，各模在常規(guī)反饋下呈相同動力學(xué)特征，且模間競爭會引發(fā)反相變

5、化；模式或極化選擇反饋下，雖只有一個模式直接受影響，其余模式仍呈類似非線性特性，并可利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)極化或模式選擇。 在單向注入和互注入系統(tǒng)中同樣存在分岔和混沌等典型非線性現(xiàn)象。兩類系統(tǒng)中，頻率失諧均會增加系統(tǒng)復(fù)雜度，互注入情形，該參量還將導(dǎo)致系統(tǒng)輸出對應(yīng)頻率的周期振蕩。首次分析了多橫模VCSELs在常規(guī)和模式選擇性注入下的非線性和模式鎖定行為。對于常規(guī)注入，各模均呈前述典型動力學(xué)特征，并在強(qiáng)注入下被對應(yīng)模式鎖定；選擇性注入時，僅

6、與注入光具有相同或平行極化方向的模式呈現(xiàn)上述行為，與之正交的模式則在競爭中被抑制。 外腔VCSELs混沌同步系統(tǒng)中存在全同步和普通注入鎖模同步，激光器自發(fā)輻射噪聲對全同步影響極大(表現(xiàn)為系統(tǒng)相關(guān)度的急劇下降和同步誤差的急速增加)，對普通同步的影響則可以忽略。首次分析了常規(guī)注入和模式選擇性注入下多橫模VCSELs混沌同步特性。結(jié)果表明，常規(guī)注入下，兩端激光器對應(yīng)模式及總功率間可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量同步；選擇性注入下，僅直接受注入光泵浦的模式

7、才能與對應(yīng)注入模同步，其余則受到極大抑制，相關(guān)度低。 對外腔VCSELs 混沌通信系統(tǒng)研究表明，混沌調(diào)制(CM)、混沌隱藏(CMS)和混沌鍵控(CSK)三種調(diào)制方式下發(fā)射端發(fā)送的數(shù)字或模擬信號在系統(tǒng)達(dá)到混沌同步后均可在接收端得以正確恢復(fù)，與實(shí)驗(yàn)報道吻合。首次得出：由于注入鎖模同步對參數(shù)失配過度容忍，基于該類同步的混沌通信系統(tǒng)安全性有待提高；外部光組件引起的附加光反饋可導(dǎo)致有用信息完全暴露于載波之外，使系統(tǒng)安全性大為降低；可通過減