本文關(guān)鍵詞：光纖布拉格光柵外腔半導(dǎo)體激光器的非線性動力學(xué)特性研究

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【摘要】：半導(dǎo)體激光器(Semiconductor laser,SL)自20世紀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、激射波長范圍大、轉(zhuǎn)換效率高、可直接調(diào)制等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于光通信、光存儲、光互連等應(yīng)用中。在半導(dǎo)體激光器內(nèi),材料極化的弛豫時間遠小于光子和載流子的弛豫時間,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時,SL通常是連續(xù)光輸出,而作為一種非線性器件,SL在受到外部擾動時也能夠表現(xiàn)出包括穩(wěn)態(tài)鎖定,單周期振蕩、倍周期振蕩、準周期振蕩以及混沌振蕩等豐富的非線性動力學(xué)特性。這些非線性動力學(xué)特性具有重要的應(yīng)用價值。例如,當SL處于穩(wěn)態(tài)鎖定態(tài)時,SL的輸出線寬得到窄化,調(diào)制帶寬得到提高;當SL處于單周期振蕩態(tài)時,可以用它來產(chǎn)生高頻率光生微波信號;當SL處于混沌態(tài)時,它類似噪聲的波形輸出能夠應(yīng)用到光混沌保密通信、光混沌雷達和高速物理隨機數(shù)產(chǎn)生中。而常見的外部擾動SL的方式有外腔光反饋、光注入以及光電反饋等。其中,外腔光反饋SL由于結(jié)構(gòu)相對簡單,易于產(chǎn)生高維度混沌輸出而被廣泛采用。近年來,隨著光纖光柵寫入技術(shù)的不斷發(fā)展,高性能的光纖光柵已經(jīng)成為光纖通信、光纖傳感以及光學(xué)精密測量等系統(tǒng)中不可或缺的器件。光纖布拉格光柵(Fiber Bragg grating,FBG)作為一種反射型光纖光柵,同樣可以構(gòu)成SL外腔,并提供分布式光反饋。目前國內(nèi)外對于FBG外腔SL非線性動力學(xué)特性的研究還較為缺乏,并且僅局限于邊發(fā)射分布式反饋半導(dǎo)體激光器。與邊發(fā)射分布式反饋半導(dǎo)體激光器相比,垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL)具有低閾值電流、高調(diào)制帶寬、單縱模工作、易于大規(guī)模集成二維陣列等特點。特別地,由于VCSEL腔體具有圓柱型的對稱結(jié)構(gòu)以及存在較弱的各項異性,所以VCSEL的輸出通常包含兩個正交的激射波長不同的偏振分量,定義為x偏振分量(x-PC)和y偏振分量(y-PC)。當引入FBG作為VCSEL外腔時,由于FBG的反射具有波長選擇性,可以預(yù)計FBG外腔VCSEL的非線性動力學(xué)特性和平面鏡外腔VCSEL的非線性動力學(xué)特性相比勢必存在較大的差異。同時當偏置電流改變時,fbg外腔vcsel所表現(xiàn)出的偏振動力學(xué)行為,例如偏振轉(zhuǎn)換、偏振雙穩(wěn),它們在光開關(guān)、光存儲和光計算等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。此外,fbg反饋具有較強的群速度色散,能夠弱化fbg外腔vcsel混沌輸出的延時特征,從而獲得高質(zhì)量的光混沌信號�；谝陨峡紤],本文從理論和實驗兩個方面研究了光纖布拉格光柵外腔垂直腔面發(fā)射激光器的非線性動力學(xué),偏振轉(zhuǎn)換特性和混沌輸出的延時特征以及利用光纖布拉格光柵外腔弱諧振腔法布里-珀羅激光器產(chǎn)生中心波長可調(diào)諧的寬帶光混沌信號。主要的工作和研究結(jié)果如下:1.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輸出的時間序列,功率譜和相圖并借助它們確定了vcsel輸出的動力學(xué)狀態(tài),研究了兩偏振模式的偏振轉(zhuǎn)換行為。結(jié)果表明,在相同反饋強度η下,fbg外腔vcsel兩偏振分量可以具有不同的動力學(xué)狀態(tài)。隨著反饋強度η的增大,fbg外腔vcsel的輸出經(jīng)歷穩(wěn)態(tài),單周期態(tài),準周期態(tài)進入混沌態(tài)。通過繪制fbg外腔vcsel動力學(xué)狀態(tài)在反饋強度η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,確定了各動力學(xué)狀態(tài)的參數(shù)范圍。借助計算兩偏振分量的歸一化輸出強度研究了fbg外腔vcsel的偏振轉(zhuǎn)換特性,發(fā)現(xiàn)了雙模共存現(xiàn)象。2.以上述理論研究為基礎(chǔ),構(gòu)建了fbg外腔vcsel實驗系統(tǒng),利用數(shù)字示波器、光譜儀和電譜分析儀對vcsel的時間序列、光譜和功率譜進行采集和分析,實驗研究了fbg外腔vcsel動力學(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)換的物理機制。結(jié)果表明,隨著反饋強度η的增加,fbg外腔vcsel的總輸出經(jīng)歷準周期分岔路徑進入混沌,該結(jié)果與理論研究結(jié)果相符。此外,當固定偏置電流,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,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。進一步研究表明,在雙模共存時fbg外腔vcsel的兩個偏振模式均處于混沌態(tài)。3.根據(jù)動力學(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fbg外腔vcsel混沌輸出的延時特征進行提取和量化評估,理論和實驗研究了FBG外腔VCSEL外部參數(shù)對混沌輸出延時特征的影響。在理論工作中,分析了反饋強度η、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FBG外腔VCSEL混沌輸出的延時特征和有效帶寬的影響并與將結(jié)果與平面鏡外腔VCSEL進行了對比。結(jié)果表明,FBG外腔比平面鏡外腔對VCSEL混沌輸出延時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混沌輸出的延時特征小于0.1。在實驗研究中,主要討論了VCSEL的偏置電流I和反饋強度η對FBG外腔VCSEL混沌輸出延時特征的影響,結(jié)合理論分析解釋了FBG能夠抑制VCSEL混沌輸出延時特征的物理機理。通過繪制混沌延時特征在反饋強度η和偏置電流I參數(shù)空間中的分布圖,確定了FBG外腔VCSEL混沌輸出的延時特征被抑制的最佳參數(shù)區(qū)域,由此獲得了混沌延時特征被抑制的高性能光混沌信號。4.為了滿足光混沌保密通信系統(tǒng)對大容量、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,提出利用可調(diào)FBG作為WRC-FPLD的外腔來產(chǎn)生中心波長可調(diào)諧的寬帶光混沌信號。構(gòu)建了FBG外腔WRC-FPLD實驗系統(tǒng)并研究了反饋功率對12 nm波長范圍內(nèi)WRC-FPLD每個縱模輸出的混沌帶寬的影響。闡釋了FBG外腔光反饋能夠提高混沌帶寬的物理機理。進一步的分析表明,通過調(diào)節(jié)FBG的中心波長并合理地選擇反饋功率可以使20個WRC-FPLD的縱模分別進入混沌態(tài),并且混沌頻譜較為平坦,混沌帶寬達到~30 GHz。
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN248.4

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