光纤布拉格光栅外腔半导体激光器的非线性动力学特性研究

摘要

半导体激光器(Semiconductor laser, SL)自20世纪60年代诞生以来就受到人们的极大关注。随着半导体制造工艺的不断进步，半导体激光器已经成为可靠而高效的相干光源。它具有体积小、成本低、激射波长范围大、转换效率高、可直接调制等优点，被广泛应用于光通信、光存储、光互连等应用中。在半导体激光器内，材料极化的弛豫时间远小于光子和载流子的弛豫时间，因此半导体激光器属于B类激光器。在没有受到外部扰动时，SL通常是连续光输出，而作为一种非线性器件，SL在受到外部扰动时也能够表现出包括稳态锁定，单周期振荡、倍周期振荡、准周期振荡以及混沌振荡等丰富的非线性动力学特性。这些非线性动力学特性具有重要的应用价值。例如，当 SL处于稳态锁定态时，SL的输出线宽得到窄化，调制带宽得到提高；当SL处于单周期振荡态时，可以用它来产生高频率光生微波信号；当SL处于混沌态时，它类似噪声的波形输出能够应用到光混沌保密通信、光混沌雷达和高速物理随机数产生中。而常见的外部扰动SL的方式有外腔光反馈、光注入以及光电反馈等。其中，外腔光反馈SL由于结构相对简单，易于产生高维度混沌输出而被广泛采用。
　　本研究主要内容包括：⑴基于垂直腔面发射激光器自旋反转模型和光纤布拉格光栅耦合模理论，推导出能够合理描述FBG外腔VCSEL非线性动力学和偏振转换特性的速率方程。利用四阶Runge-Kutta法求解该速率方程，数值模拟了FBG外腔VCSEL输出的时间序列，功率谱和相图并借助它们确定了VCSEL输出的动力学状态，研究了两偏振模式的偏振转换行为。结果表明，在相同反馈强度下，FBG外腔VCSEL两偏振分量可以具有不同的动力学状态。随着反馈强度?的增大，FBG外腔VCSEL的输出经历稳态，单周期态，准周期态进入混沌态。通过绘制FBG外腔 VCSEL动力学状态在反馈强度?和FBG中心频率与VCSEL中心频率的频率失谐Δf参数空间中的分布图，确定了各动力学状态的参数范围。借助计算两偏振分量的归一化输出强度研究了FBG外腔VCSEL的偏振转换特性，发现了双模共存现象。⑵以上述理论研究为基础，构建了FBG外腔VCSEL实验系统，利用数字示波器、光谱仪和电谱分析仪对VCSEL的时间序列、光谱和功率谱进行采集和分析，实验研究了FBG外腔VCSEL动力学演化路径和偏振转换特性，解释了FBG外腔光反馈引起VCSEL发生偏振转换的物理机制。结果表明，随着反馈强度?的增加，FBG外腔VCSEL的总输出经历准周期分岔路径进入混沌，该结果与理论研究结果相符。此外，当固定偏置电流，调节光衰减器的衰减率，发现了三种典型的偏振转换路径。而固定光衰减器的衰减率，连续变化偏置电流时，可以观察到多次主导偏振模式的转换以及理论工作中发现的双模共存现象。进一步研究表明，在双模共存时FBG外腔VCSEL的两个偏振模式均处于混沌态。⑶根据动力学状态分布图，调节相关工作参数，使FBG外腔VCSEL的输出处于混沌态，然后利用相关函数、互信息和排列熵对FBG外腔VCSEL混沌输出的延时特征进行提取和量化评估，理论和实验研究了FBG外腔VCSEL外部参数对混沌输出延时特征的影响。在理论工作中，分析了反馈强度?、FBG中心频率与VCSEL中心频率的频率失谐Δf和FBG耦合系数?B对FBG外腔VCSEL混沌输出的延时特征和有效带宽的影响并与将结果与平面镜外腔VCSEL进行了对比。结果表明，FBG外腔比平面镜外腔对 VCSEL混沌输出延时特征具有更好的抑制效果。通过合理地选择工作参数，可以使FBG外腔VCSEL混沌输出的延时特征小于0.1。在实验研究中，主要讨论了VCSEL的偏置电流I和反馈强度?对FBG外腔VCSEL混沌输出延时特征的影响，结合理论分析解释了FBG能够抑制VCSEL混沌输出延时特征的物理机理。通过绘制混沌延时特征在反馈强度?和偏置电流I参数空间中的分布图，确定了FBG外腔VCSEL混沌输出的延时特征被抑制的最佳参数区域，由此获得了混沌延时特征被抑制的高性能光混沌信号。⑷为了满足光混沌保密通信系统对大容量、高传输速率的需求，我们结合弱谐振腔法布里-珀罗激光器(WRC-FPLD)较宽增益谱和纵模间隔较小的特点，提出利用可调FBG作为WRC-FPLD的外腔来产生中心波长可调谐的宽带光混沌信号。构建了 FBG外腔 WRC-FPLD实验系统并研究了反馈功率对12 nm波长范围内WRC-FPLD每个纵模输出的混沌带宽的影响。阐释了FBG外腔光反馈能够提高混沌带宽的物理机理。进一步的分析表明，通过调节FBG的中心波长并合理地选择反馈功率可以使20个WRC-FPLD的纵模分别进入混沌态，并且混沌频谱较为平坦，混沌带宽达到~30 GHz。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1论文的研究背景

1.2外腔光反馈半导体激光器非线性动力学及混沌延时特征的研究进展

1.3论文的研究意义

1.4论文的主要工作

第2章 理论模型和相关计算方法

2.1光纤布拉格光栅的理论模型和分析方法

2.2半导体激光器理论模型和数值算法

第3章 FBG外腔VCSEL非线性动力学及偏振转换特性

3.1 引言

3.2 理论模型

3.3 仿真结果分析

3.4 实验装置

3.5 实验结果分析

3.6 本章小结

第4章 FBG外腔VCSEL混沌输出的延时特征研究

4.1引言

4.2 混沌输出的延时特征识别方法

4.3 FBG外腔VCSEL混沌输出的延时特征理论分析

4.4 FBG外腔VCSEL混沌输出延时特征实验研究

4.5 本章小结

第5章 FBG外腔WRC-FPLD产生中心波长可调谐的宽带混沌信号

5.1引言

5.2实验装置

5.3实验结果分析

5.4 本章小结

第6章 研究总结与展望

6.1 研究总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间工作情况