电光调制对外部光注入垂直腔表面发射激光器的偏振转换及其非线性动力学行为的操控性研究

针对主和副垂直腔表面发射激光器构成的外部注入激光器系统的偏振转换及其非线性动力学行为,利用周期性极化铌酸锂晶体中准相位匹配线性电光调制,本文提出了一种新的操控方案并且探索了其控制规律.研究结果发现,受到平行光注入或正交光注入的副激光器输出偏振度随外加电场成周期性振荡变化,其振荡波峰轨迹包络曲线为正弦曲线,而振荡波谷轨迹包络曲线为余弦曲线;选取一定的主激光器偏置电流,通过对来自主激光器的光进行电光调制,受到两种方式注入的副激光器可以输出任意偏振模,并且其非线性动力行为经历不同的演变.另外,副激光器的偏振度仅依赖于外加电场,与副激光器的偏置电流无关.

基于光注入下脉冲电流调制1550nm垂直腔面发射激光器获取宽带可调谐光学频率梳

光学频率梳由一组等间距的离散频率成分组成,在计量学、光谱学、太赫兹波产生、光通信、任意波形产生等领域有着广泛的应用.本文提出了一种基于光注入下脉冲电流调制1550 nm垂直腔面发射激光器获取宽带可调谐光学频率梳的实验方案.在该方案中,首先采用脉冲信号电流调制激光器,使其输出的光谱呈现出无明显梳状线的宽噪声谱;进一步引入光注入,获取宽带可调谐光学频率梳.当注入功率为18.82μW、注入波长为1551.8570 nm、调制电压为10.5 V、调制频率为0.5 GHz、脉冲宽度为200 ps时,获取了带宽约为82.5 GHz,信噪比约为35 dB的光学频率梳,且该光学频率梳的单边带相位噪声低至-123.3 dBc/Hz@10 kHz.此外,本实验也系统研究了注入波长、调制频率、脉冲宽度对光学频率梳性能的影响.实验结果表明:改变调制频率可以获得不同梳距的光学频率梳,当调制频率在0.25—3 GHz范围内,选择优化的注入波长和脉冲宽度,可获取带宽超过60 GHz的光学频率梳.

外部光注入的光泵浦自旋垂直腔表面发射激光器中的两个混沌偏振分量对两个复杂形状目标中的多区域精确测距

基于外部光注入的光泵浦自旋垂直腔表面发射激光器(vertical cavity surface-emitting laser,VCSEL)的两个混沌偏振分量,提出了对两个复杂形状目标中的多区域精确测距方案.这里,两个混沌偏振探测波具有飞秒量级快速动态并且被双极性sinc波形调制,使它们具有时空不相关特性.利用这些特性,通过计算多束延时反馈混沌偏振探测波形和与之相对应的参考波形的相关性,实现了对两个复杂形状目标多区域位置矢量精确测量.研究结果表明,对多区域小目标的测距具有非常低的相对误差(低于0.94%).当光电探测器的带宽足够大时,其测距的分辨率达到0.4 mm,并具有很强的抗噪声能力.本文的研究结果在复杂形状目标的精确测距方面具有潜在应用.

基于椭圆偏振光注入垂直腔表面发射激光器的正交偏振模式单周期振荡产生两路光子微波

提出了基于椭圆偏振光注入下垂直腔表面发射激光器(VCSEL)输出的正交偏振模式单周期(P1)振荡来同时获取两路光子微波的实现方案,并进行了相关仿真研究.结果表明:在合适的参数条件下,一个自由运行的VCSEL(定义为主VCSEL,M-VCSEL)可输出椭圆偏振光,其X偏振分量和Y偏振分量具有相同的激射频率;将M-VCSEL输出的椭圆偏振光注入到另外一个VCSEL(定义为副VCSEL,S-VCSEL),在给定主副VCSEL间频率失谐的条件下,通过选择合适的注入强度可使S-VCSEL中两个偏振分量均呈现单周期(P1)振荡,从而可获得两正交的光子微波信号;随着注入强度的增加,光子微波的频率以及功率均呈现增加的趋势;结合微波频率、功率以及输出光谱中第一边带和第二边带的幅度差在由注入强度和频率失谐所构成参数空间下的分布图,可确定获取高品质微波信号的优化注入参数范围.

基于平行偏振光注入的1550nm波段垂直腔表面发射激光器获取窄线宽光子微波的理论和实验研究

提出一种基于1550 nm垂直腔表面发射激光器(1550 nm-VCSEL)获取高质量微波信号的全光方案.在该方案中,采用波长位于VCSEL中被抑制模式的中心波长附近、振动方向与VCSEL中主导模式相同的偏振光注入(即平行注入)1550 nm-VCSEL获取高频微波,并借助双光反馈对该高频微波的线宽进行窄化.一方面,基于VCSEL的自旋反转模型,从理论上分析了采用该方案产生微波信号的可行性;另一方面,通过构建相应的实验系统,对该方案产生的微波的特性进行初步实验研究.实验结果表明:在合适的注入条件下,1550 nm-VCSEL能够产生30 GHz左右的微波信号,但该信号的线宽较宽(百兆水平);引入双光反馈后,微波线宽可被压窄两个数量级以上,得到了线宽低于1 MHz、信噪比大于40 d B的微波信号.

外部光反馈对980nm垂直腔面发射激光器振荡特性的影响

研究了外部光反馈对980nm垂直腔面发射激光器(VCSEL)振荡特性的影响.计算了垂直腔面发射激光器及边发射半导体激光器的光反馈灵敏因子.基于复合腔理论,分析了外部光反馈对垂直腔面发射激光器的阈值电流及微分量子效率等振荡特性参数的影响.实验结果表明,当反馈率为10%时,垂直腔面发射激光器的阈值电流由0.63A下降至0.59A,同时斜率效率和输出功率也有所下降.实验结果和理论分析符合得较好.

基于光电负反馈的光注入1550nm垂直腔面发射激光器产生窄线宽微波信号

基于1 550nm垂直腔面发射激光器在平行偏振光注入下呈现的单周期非线性动力学状态,进一步引入光电负反馈,得到了高质量的微波信号.实验研究结果表明:平行偏振光注入下,通过调节注入光的注入强度及频率,1 550nm垂直腔面发射激光器可呈现注入锁定、单周期、倍周期、混沌等多种非线性动力学状态;在合适的注入参量下,平行偏振光注入1 550nm垂直腔面发射激光器可产生光谱具有单边带结构、频率超过10GHz的光子微波信号,但该微波信号的线宽较宽(达MHz量级);进一步引入光电负反馈后,通过选取合适的光电反馈强度,可将该微波信号的线宽减小至一百多kHz(减小两个量级以上);在选择优化的反馈强度条件下,仅通过简单调节注入光强度,可实现窄线宽光子微波信号的频率在一定范围内连续可调谐.

基于光注入下电流调制1550nm垂直腔面发射激光器获取宽带光学频率梳

数值研究了一种获取宽带光学频率梳的方案.在该方案中,首先采用调制频率f m=f 0/n(f 0为1550 nm垂直腔面发射激光器中两正交偏振分量频率间隔,n为整数)的大调制信号电流调制一个1550 nm垂直腔面发射激光器,使该1550 nm垂直腔面发射激光器中的主振荡模式—Y偏振分量输出光学频率梳,而X偏振分量处于被抑制状态;进一步地,引入线偏振光注入,使激光器中两个偏振分量(光谱主峰比小于15 dB)均实现光学频率梳输出;再借助一个偏振片,将这两个偏振分量引导到该偏振片的透振方向实现光谱拼接,从而获取宽带光学频率梳.基于自旋反转模型,数值研究了由该方案产生的光学频率梳特性.仿真结果表明:在给定的参数条件下,一个自由运行1550 nm垂直腔面发射激光器(阈值电流为2.6 mA)偏置在11.5 mA时,Y偏振分量占主导而X偏振分量被抑制(光谱主峰比大于30 dB);在受到调制深度较大的电流调制作用下,该激光器只在Y偏振分量输出光学频率梳;引入线性偏振光注入后,通过调整线性偏振光的偏振方向,可使X、Y偏振分量同时实现光学频率梳输出;最后,利用一偏振片将X、Y偏振分量引导到该偏振片的透振方向实现光谱拼接,最终可获得一个带宽超过80 GHz的光学频率梳.

垂直腔表面发射激光器的研究

垂直腔表面发射激光器(VCSEL)是一种应用于光纤通信系统的低成本、高性能的特定波长光源,它具有测试简单、易耦合以及易形成阵列等独特优势,已在光并行互连及高密度光存贮等领域得到大规模应用。文章介绍了VCSEL的结构和当前的制造工艺水平,阐述了各波段VCSEL的发展和应用现状,探讨了VCSEL在不同领域中的应用范围并指出了VCSEL的发展前景。

平行光注入多横模1550nm垂直腔面发射激光器的非线性动力学实验研究

实验研究了平行光注入下多横模1 550nm垂直腔面发射激光器(1 550nm-VCSEL)输出的非线性动力学特性.对于一个在自由运行时腔内同时存在基横模和一阶横模(高阶模)的1 550nmVCSEL,其两横模的主激射模均为Y偏振模式(Y-LP),当受到偏振方向沿自由运行时主激射模式偏振方向的外部光注入(即平行注入)时,实验研究结果表明:当平行注入光的频率ν_(inj)更临近基横模YLP频率ν_(fy)时(此时频率失谐Δν_f定义为Δν_f=ν_(inj)-ν_(fy)),在注入光强度P_(inj)增加的过程中,基横模Y-LP呈现多种动力学状态,而高阶模Y-LP出现的动力学状态相对较少,且能量逐渐减小.当P_(inj)增加到一定值时,高阶模Y-LP完全被抑制,此时1 550nm-VCSEL处于单模工作状态,即实现了基横模YLP的模式选择.随Δν_f的逐渐增加,实现基横模Y-LP模式选择所需的最小注入光强度P_(inj,min)先减小,达到一个最小值后再逐渐增加;在给定的Δν_f条件下,P_(inj,min)随偏置电流I增加而增大.当平行注入光的频率ν_(inj)更靠近高阶模Y-LP的频率ν_(hy)时(此时频率失谐Δν_h定义为Δν_h=ν_(inj)-ν_(hy)),在P_(inj)增加的过程中,高阶模Y-LP和基横模Y-LP均呈现出多种非线性动力学状态,但实验过程中未观察到基横模Y-LP完全被抑制的现象,即未实现高阶模Y-LP的模式选择.

光泵浦垂直外腔面发射激光器斜率效率的分析

研究了光泵浦垂直外腔面发射激光器(OPS-VECSEL)的湿法腐蚀工艺,采用快速腐蚀和精细选择腐蚀相结合的腐蚀方法,使得衬底能被干净地腐蚀掉,并精确停留在阻挡层,得到高平整度的外延片表面,提高了泵浦效率,降低了散射损耗。从理论上分析了外延片表面粗糙度与OPS-VECSEL斜率效率的关系,得出如果在外延片上镀一层λ/4单介质增透膜,能进一步提高VECSEL的斜率效率。

1550nm垂直腔面发射激光器自旋反转模型中关键参量数值的实验确定

自旋反转模型是目前用于分析垂直腔面发射激光器(VCSELs)非线性动力学特性最常用的理论模型,因此该模型中相关参量的取值至关重要.本文基于对自由运行和平行光注入时1550 nm垂直腔面发射激光器(1550 nm-VCSELs)输出特性的实验测量结果,对描述1550 nm-VCSELs特性的SFM中光场衰减速率k、总载流子衰减速率γN、线宽增强因子α,有源介质双折射速率γp、自旋反转速率γs、有源介质线性色散速率γa等关键参量进行了估值.在此基础上,利用所测得的这些关键参量的数值,仿真了1550 nm-VCSELs的相关输出特性,所得结果与实验结果符合.

基于光反馈的单向耦合注入垂直腔表面发射激光器的矢量混沌同步特性研究

基于自旋反向模型(SFM),数值研究了基于光反馈的单向耦合注入垂直腔表面发射激光器的矢量混沌同步特性,研究结果表明:当外部光反馈时间等于光从发射系统到接收系统传输时间时,^x偏振模和^y偏振模都能接收最好的完全混沌同步质量.若外部光反馈时间不等于传输时间且注入电流接近阈值电流时,占主导的^y偏振模能暂时实现较好的完全混沌同步质量.相比较而言,占主导地位的^x偏振模至始至终获得很差的同步质量,另外,当系统输出为混合偏振模时,混合偏振模中的每一个线性偏振模获得很差完全同步质量.然而,当注入电流远大于阈值电流时,系统输出仅为^y偏振模,这时^y偏振模能稳定地实现最好的完全混沌同步质量.最后,当接收激光器受到线性偏振模的强注入时,每一个注入线性偏振模能与接收激光器输出的对应的线性偏振模实现很好的注入锁定同步.然而,每一个占主导的线性偏振模比另一被抑制的线性偏振模获得更差注入锁定同步质量、如果有相等的能量的两个线性偏振模同时存在,这两个线性偏振模获得差不多一致的注入锁定混同步质量,换句话说,能量较少的线性偏振能获得较高的注入锁定同步质量.

利用垂直腔表面发射激光器注入锁定实现上变频

提出了一种基于垂直腔表面发射激光器（VCSEL）的无本振光子微波上变频方案。该方案将相对低速的伪随机基带信号注入VCSEL中，利用注入信号的高次谐波注人锁定VCSEL。被锁定激光器波长与原注人光信号在谐振腔中相干差拍，产生上变频调幅微波信号。实验中利用2．5Gb／s非归零码强度调制信号注入锁定VCSEL，无需本振，实现了载波频率为14．3GHz的光子微波上变频，10kHz偏移处载波相位噪声达-81dBc／Hz。通过调节注入光信号的波长和功率，进一步实现载波频率在7．5～23GHz之间的调谐，验证了该方案的可行性，并对系统性能进行了误码分析，系统代价为1．4dB。结果证明该方案无需微波本振，仅需采用价格低廉的VCSEL即可实现光子微波上变频，从而为无线一光混合接入网中光子微波信号产生技术提供了一种低成本的解决思路。

互注入垂直腔表面发射激光器的多次偏振转换特性研究

基于垂直腔表面发射激光器(VCSELs)的自旋反转模型,研究了互注入VCSELs系统中参数连续变化所引起的多次偏振转换(PS)特性.研究结果表明:连续改变互注入强度ξ、两个互注入VCSELs中一个激光器的激射频率以及同时连续改变两个激光器的激射频率,均可产生多次的PS.详细分析了上述三种参数连续变化所引起的多次PS的特性,并讨论了耦合延时时间对多次PS特性的影响.

光注入和光电反馈联合作用下垂直腔表面发射激光器的动力学特性研究

基于自旋反转模型,研究了垂直腔表面发射激光器(VCSEL)在光注入和光电反馈共同作用下的动力学特性.研究结果表明:一个受到主VCSEL光注入的副VCSEL,在同时存在光电正反馈时,其输出的两个线偏振模式(X和Y偏振模)可呈现周期、倍周期、多周期、混沌等丰富的动力学状态,且两偏振模动力学态的演化路径存在差异.各动力学状态在由反馈强度f与注入强度η所构成的参数空间的分布区域随着主、副VCSEL的频率失谐△v(△v=v_m-v_s,v_m,v_s分别为主、副VCSEL自由运行时的振荡频率)的变化而发生改变.当△v为正失谐时,呈现混沌的区域相比零失谐和负失谐时有明显的扩展,即副VCSEL能在更大的参数范围内实现混沌输出.对于特定的频率失谐,分析了光电正反馈强度f和光注入强度η对混沌输出带宽的影响.通过合理选择反馈强度以及注入强度,可使副VCSEL混沌输出带宽显著增加.

基于双光注入锁定1550nm垂直腔表面发射半导体激光器产生可调谐毫米波

基于自旋反转模型,对双光注入下1550nm垂直腔表面发射半导体激光器(1550nm-VCSEL)的非线性动力学行为进行了理论分析和数值仿真研究.结果表明:当一个中心波长位于1550nm的副VCSEL(S-VCSEL)同时受到来自两个主VCSELs(M-VCSELs)的光注入时,在适当的注入条件下,S-VCSEL可处于双光注入锁定态.此时,S-VCSEL中的两偏振模式均呈现频率为两注入光频率之差的周期性振荡,输出的光谱仅包含两个主频率部分,即光谱具有单边带特征.因此,基于双光注入下S-VCSEL的周期性振荡可以获得两个相互正交的光毫米波.通过调节两个M-VCSELs之间的频率差异可使毫米波频率在较大范围内连续可调,通过调节系统参量可以控制毫米波功率以及调制深度.

1550nm-VCSELs在偏振保持光反馈和正交光注入下的偏振转换特性

基于自旋反转模型,研究了1550 nm垂直腔面发射激光器(1550 nm-VCSELs)在偏振保持光反馈和正交光注入下的偏振转换特性.结果表明:正交光注入下的从激光器会随着注入强度的增加产生偏振转换.在归一化注入电流较小时,改变反馈强度,会使从激光器发生偏振转换的注入强度出现规律不同的变化;改变频率失谐,会使从激光器发生偏振转换的注入强度出现规律相同的变化.

光注入光反馈下VCSEL非线性输出特性分析

为了研究光注入和光反馈对垂直腔面发射激光器(VCSEL)非线性输出特性的影响,基于自旋反转模型(SFM),利用MATLAB数值仿真二者共同作用下VCSEL的非线性输出特性。研究结果表明:在光注入和光反馈同时作用下,VCSEL输出可以实现稳态、单周期、多周期、混沌等非线性行为。通过合理选择注入强度,可实现对VCSEL输出行为的控制。

光注入下VCSEL在阈值电流附近的非线性响应特性

实验研究了光注入下1 300nm-VCSEL在阈值电流附近的非线性响应特性.研究结果表明,在平行光注入下,激光器输出功率随注入功率的增加呈现出非线性变化.当失谐频率较大时,激光器输出功率将随注入功率增加到一定值后突然下降,然后再缓慢增加.通过连续增加或减小外部注入光功率,激光器的输出功率将出现呈逆时针变化的双稳环;正交光注入下VCSEL的输出特性与平行光注入下的情况类似,且在连续增加或减小外部注入光功率的过程中能观察到呈顺时针变化的双稳环.