短外腔偏振旋转光反馈下1550nm垂直腔面发射激光器的动力学特性研究

基于扩展的自旋反转模型,对短外腔偏振旋转光反馈下1550 nm垂直腔面发射激光器的动力学特性进行了数值仿真和理论分析.研究结果表明:增加反馈强度会导致多个偏振开关现象出现,中等反馈强度下呈现丰富的动力学状态,譬如单周期、倍周期、准周期及混沌态,增加注入电流使Y方向线偏振模的工作区域被压缩;随着反馈延迟时间的增加,在弱光反馈时,偏振模跳变现象将会以特定的频率发生,施加中等的反馈强度将会导致模式跳变的频率增加,并且出现各种新的动力学状态,包括拍频单周期、拍频脉冲包络、拍频准周期和拍频混沌态.新动力学行为的出现是由于短外腔区激光器的动力学特性对相位变化非常敏感,从而使外腔模式间的拍频效应发挥了关键作用.此外还发现各种动力学状态之间会伴随模式间的跳变而发生相互跳变.     

光反馈诱发长波长垂直腔面发射激光器低功耗偏振开关

基于扩展的自旋反转模型,对光反馈诱发下长波长垂直腔面发射激光器中的低功耗偏振开关进行了理论研究.研究表明:长波长垂直腔面发射激光器在自由运行下未能获得的偏振开关现象,可以通过引入中等强度的偏振旋转光反馈来实现.对比强弱两种不同的线性色散效应,发现了一些有趣的现象:弱线性色散条件下更易于在低注入电流下获得偏振开关,并且产生偏振开关所需的反馈强度具有更大的调控范围;强色散效应中未能始终获得偏振开关,会出现两模共存区,并且偏振开关出现的注入电流值较高.同时,观察到的偏振模跳变和多偏振开关现象类似于短波长垂直腔面发射激光器,因而证实这两类激光器在偏振开关的本质规律上是相似的.此外,还对长波长垂直腔面发射激光器不易在低注入电流下获得偏振开关的原因进行了分析,并给出了合理的解释.     

偏振保持光反馈下1550 nm垂直腔面发射激光器的非线性动力学特性研究

基于自旋反转模型,研究了1550 nm垂直腔面发射激光器(VCSELs)在偏振保持光反馈下的非线性动力学特性.结果表明:自由运行的1550 nm-VCSELs在电流增加的过程中,发生偏振转换所对应的电流值与内部参数的取值有关,随着有源介质线性色散效应系数γ_a的增大,偏振开关的转换点所对应的电流值将增加;偏振保持光反馈的引入将导致1550 nm-VCSELs中自由运行时的主导模(Y偏振模式)在不同电流下呈现不同动力学状态,引起另外一个模式(X模式)激射,两个模式的平均输出功率随电流的增加总体呈现增加的趋势,但伴随着起伏;反馈时间取不同值时,1550 nm-VCSELs的输出随着反馈强度的增大经历倍周期、准周期或阵发混沌等多种通向混沌的演化途径.     

各向异性光反馈注入的垂直表面发射激光器的矢量偏振模转换机理

数值研究了各向异性光反馈注入的垂直表面发射激光器(VCSEL)的矢量偏振模转换机理,研究结果表明,首先,当注入电流接近阈值电流时,由VCSEL的外部参数和偏振器控制的光反馈注入量中各偏振模的能量决定VCSEL 输出的偏振态.其次,由偏振器控制的各向异性光反馈注入引起的VCSEL输出偏振态呈周期性变化.另外,当由偏振器控制的反馈注入量中的x^偏振和y^偏振模能量相当时, x^偏振模和y^偏振模之间竞争激烈,而激光器外部微小的扰动都会打破这两种偏振模竞争 关键词： 各向异性光反馈 垂直表面发射激光器 矢量偏振模     

基于偏振旋转光反馈下的外光注入VCSEL产生高性能毫米波

本文提出一种基于偏振旋转光反馈下的外光注入垂直腔 表面发射激光器(VCSEL)产生高性能毫米波的方案, 并利用描述外部扰动下VCSEL动态特性的自旋反转模型(SFM), 对所产生的毫米波的特性进行了数值研究. 研究结果表明: 一个受到主VCSEL(M-VCSEL)光注入的副VCSEL(S-VCSEL)在一定条件下可以产生单周期(P1)振荡, 即在光波上调制了一个微波信号. 通过调节外光注入强度ξ_i以及S-VCSEL与M-VCSEL之间频率失谐Δν, 可以获得频率在30---60 GHz范围内连续可调的毫米波信号. 在外光注入VCSEL中引入偏振旋转光反馈, 通过选取合适的反馈强度ξ_f以及反馈延迟时间τ, 产生的毫米波信号的线宽可以得到明显窄化. 对于光注入S-VCSEL所产生的线宽为5.509 MHz的毫米波, 在引入偏振旋转光反馈后, 毫米波线宽可以降低到230.2 kHz. 本文的研究对高速光载无线(RoF)系统中优质毫米波信号的获取具有一定的参考意义.     

光脉冲注入下VCSEL的偏振开关特性

基于描述主、副垂直腔表面发射激光器（M-VCSEL,S-VCSEL）动态特性的速率方程,研究了M-VCSEL在脉冲电流调制下,输出光脉冲的偏振特性,以及S-VCSEL在M-VCSEL输出光脉冲的注入下,其偏振开关特性.研究结果表明：M-VCSEL在周期性脉冲电流的作用下,将产生周期性光脉冲输出;S-VCSEL在该光脉冲的注入下,输出光将在两个互相垂直的方向之间发生周期性转化,且变化周期与M-VCSEL所受到的调制脉冲电流周期相同;通过改变M-VCSEL驱动脉冲电流的调制幅度,可控制S-VCSEL输出的垂直偏振抑制比. 关键词： 垂直腔表面发射激光器（VCSEL） 光脉冲 偏振开关     

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.     

外腔延时反馈半导体激光器混沌偏振可调控制方法研究

提出外腔延时反馈半导体激光器混沌偏振可调控制方法,分别建立了垂直正交偏振延时双反馈、同偏振面方向延时双反馈以及任意可调偏振延时双反馈激光动力学物理模型. 通过调节激光器外腔光路中的平面镜和光衰减器可控制一平面偏振反馈光的延时时间及光反馈量,或调节一偏振反馈光的偏振面到另一个偏振反馈光的偏振面方向上或者到任意偏振方向都可进行激光混沌控制. 数值结果证明该方法可以控制激光混沌到单周期态、多周期态等,还发现该控制可使激光器同时呈现偏振周期振荡、偏振反周期振荡、稳定三种动力学行为等. 关键词： 混沌 控制 激光器 偏振     

可变偏振光注入下1550nm垂直腔面发射激光器的偏振开关及双稳特性

基于自旋反转模型,研究了可变偏振光注入1550 nm垂直腔面发射激光器(VPOI-1550 nm-VCSEL)的偏振开关(PS)及双稳(PB)特性.研究结果表明:对于一自由运行的1550 nm-VCSEL,在给定电流下,激光器中的平行偏振模式(Y偏振模式)激射,而正交偏振模式(X偏振模式)被抑制.引入可变偏振光注入后,在给定频率失谐?ν(定义为注入光与X偏振模式之间的频率差异)的条件下,当注入光偏振角θ_p(定义为注入光的偏振方向与自由运行1550 nm-VCSEL中主导偏振模式的夹角)足够大时,正向扫描(逐渐增加)注入光功率可观察到1550 nm-VCSEL发生Ⅰ类PS,反向扫描(逐渐减小)注入光功率可使1550 nm-VCSEL产生Ⅱ类PS,且两类PS的开关点要求的注入功率不一致,即出现PB现象.对于一确定的频率失谐?ν,随着θ_p的增加,Ⅰ类、Ⅱ类PS开关点对应的注入功率以及PB区宽度都呈现减小的趋势,且|?ν|值越大,尽管Ⅰ类PS的开关点所需注入功率更大,但PB区域更宽;在给定注入功率,对于特定?ν,通过正向及反向扫描θ_p也可观察到VPOI-1550 nm-VCSEL输出功率呈现的PS以及PB现象.当|?ν|较小时,发生Ⅰ类和Ⅱ类PS所要求的θ_p近似相同,因此PB区宽度较窄,而当|?ν|较大时,发生两类PS所需的θ_p以及PB宽度随?ν的变化曲线均呈现较大波动.因此,在1550 nm-VCSEL工作参数给定的条件下,通过调节可变偏振光注入的注入参量,可优化1550 nm-VCSEL呈现的PS及PB特性.     

光自旋霍尔效应中的交叉偏振特性研究

从光束角谱理论出发建立了描述光自旋霍尔效应的傍轴传输模型, 利用这一模型分析了光自旋霍尔效应中的交叉偏振特性. 通过分析交叉偏振效应强度和入射角变化的规律, 发现交叉偏振效应越强, 光自旋霍尔效应中的自旋分裂越大. 为便于实验观察, 将入射角选在光自旋霍尔效应较强的布儒斯特角附近, 观测到了强的交叉偏振效应. 增大交叉偏振分量的同时减小初始偏振分量, 可显著增强光自旋霍尔效应. 这一调控方法为研制基于光自旋霍尔效应的新型光子器件提供了理论基础.     

Polarization Switching Bistability and Dynamics in Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser under Orthogonal Optical Injection

Bistability as well as dynamics associated to polarization switching in a vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) submitted to orthogonal optical injection from an external master laser are investigated. Intensity-polarization switching bistability is studied by increasing and decreasing the intensity of the injected beam and for a fixed frequency detuning, i.e. the frequency offset between master and the free running VCSEL. Depending on the frequency detuning, bistable switching is experimentally found to occur with or without injection locking of the fundamental mode to the master laser frequency. For large positive detuning, injection locking of the first-order transverse mode with a strong depression of the fundamental mode has been observed. The case of frequency – polarization switching bistability, i.e. when the frequency detuning is first decreased and then increased for a fixed injected power, has also been theoretically analyzed. Qualitative comparison with previous experimental work is presented for the dependence of the width of the bistable switching region on the injection strength level. Finally we show an experimental result of complicated dynamics including period doubling route to chaos that accompany polarization switching and which motivates future theoretical investigations.     

Power-induced polarization switching and bistability characteristics in 1550-nm VCSELs subjected to orthogonal optical injection

The polarization switching(PS) and polarization bistability(PB) characteristics of a 1550-nm vertical-cavity surfaceemitting laser(VCSEL) subjected to orthogonal optical injection are systematically investigated.The simulated results show that the PS and polarization-resolved nonlinear dynamical states of the VCSEL are critically dependent on the changing paths of the injected power.The polarization dynamics for different scanning directions of the injected power is presented to explain the polarization evolution during the formation of PS.In the case of forward scanning injected power,with the increase of frequency detuning level between the VCSEL and the injected light,the injected power required for PS gradually increases for negative frequency detuning but exhibits fluctuations for positive frequency detuning.In the case of reversely scanning injected power,the injected power required for PS displays fluctuant changes within the whole frequency detuning range.Specifically,PS may disappear under certain negative frequency detuning and large bias current.Furthermore,the hysteresis width as a function of the frequency detuning is calculated,and the regions for the appearance and disappearance of PB have been determined in the parameter space of the bias current and frequency detuning.     

光电负反馈下垂直腔表面发射激光器偏振开关特性研究

基于扩展的自旋反转模型, 对光电负反馈下垂直腔表面发射激光器的偏振开关特性进行了数值仿真和理论分析. 研究结果表明: 对于不同的自旋反转率, 反馈强度和延迟时间对激光器偏振开关特性产生较大影响.在慢自旋反转率下运行时, 随着反馈强度的增加, 开关点电流呈线性增加, 导致X偏振模被压缩, 这与报道的基于各向同性光反馈的情景相反, 产生这一现象的原因是由于光电负反馈提高了X偏振模的阈值; 延迟时间对开关点电流的影响随反馈强度的变化而不同.在快自旋反转率下运行时, 反馈强度对开关点电流的影响与慢自旋反转率时的情形不同, 开关点电流经历先增加后减小的过程, 开关点电流受反馈强度的影响更加敏感; 而延迟时间的影响规律和慢自旋反转率时相似. 此外, 还发现自发辐射噪声对激光器偏振开关特性有较大影响. 关键词： 垂直腔表面发射激光器 偏振开关 光电负反馈 自发辐射噪声     

Polarization switching in a quasi-isotropic microchip Nd:YAG laser induced by optical feedback

This paper demonstrates the influence of external optical feedback on the polarization state of longitudinal modes in quasi-isotropic microchip Nd:YAG lasers. Under optical feedback, the polarization state of longitudinal modes in quasi-isotropic lasers relies strongly on the intracavity anisotropy loss and mode competition. When the intracavity anisotropy loss is small, external optical feedback can cause polarization switching and strong mode competition between two orthogonal linearly polarized eigenstates of one laser longitudinal mode, which leads to the distortion of laser intensity modulation waveform. The polarization switching is independent of the initial external cavity length. By increasing the intracavity anisotropy loss, one polarization eigenstate can be suppressed and the laser works in single-polarization state. A theoretical analysis based on the compound cavity model is presented, which is in good agreement with the experimental results. The results offer guidance to the development of laser feedback interferometers.     

弱光反馈下正交时变光注入VCSEL的双稳特性研究

基于垂直腔面发射激光器(VCSEL)的自旋反转模型(SFM),研究了弱光反馈下正交时变光注入VCSEL的双稳特性。研究结果表明,当副激光器(S-VCSEL)受到主激光器(M-VCSEL)正交时变光注入时,弱光反馈的引入不改变正交时变光注入VCSEL的双稳宽度随光注入扫描速率增大而增大的性质;对于确定的光注入扫描速率,随着反馈强度的增大,双稳宽度将变窄;当M-VCSEL与S-VCSEL之间存在频率失谐Δν(等于νm-νs,νm、νs分别为主、副激光器自由运行时的频率)时,随着Δν从负值逐渐增加到正值,双稳宽度总体呈现先减小后增大的趋势,无反馈时在负频区域双稳环宽度呈现的较大波动在引入光反馈后可得到一定程度的抑制。     

Numerical investigation on photonic microwave generation by a sole excited-state emitting quantum dot laser with optical injection and optical feedback

Based on three-level exciton model, the enhanced photonic microwave signal generation by using a sole excited-state(ES) emitting quantum dot(QD) laser under both optical injection and optical feedback is numerically studied. Within the range of period-one(P1) dynamics caused by the optical injection, the variations of microwave frequency and microwave intensity with the parameters of frequency detuning and injection strength are demonstrated. It is found that the microwave frequency can be continuously tuned by adjusting the injection parameters, and the microwave intensity can be enhanced by changing the injection strength. Moreover, considering that the generated microwave has a wide linewidth, an optical feedback loop is further employed to compress the linewidth, and the effect of feedback parameters on the linewidth is investigated. It is found that with the increase of feedback strength or delay time, the linewidth is evidently decreased due to the locking effect. However, for the relatively large feedback strength or delay time, the linewidth compression effect becomes worse due to the gradually destroyed P1 dynamics. Besides, through optimizing the feedback parameters, the linewidth can be reduced by up to more than one order of magnitude for different microwave frequencies.     

用半导体环形激光器产生混沌信号

提出了一种由一个分布式反馈激光器为主激光器和一个半导体环形激光器为从激光器组成的主从式激光混沌系统方案,主激光器产生的光单向注入到从激光器中,通过调整注入系数、主从激光器的失谐频率和从激光器的偏置电流,使从激光器工作在混沌状态,输出混沌信号。从基于光注入条件下的环形激光器的速率方程组入手,数值模拟了主从激光器的失谐频率、注入系数和从激光器的偏置电流3个工作参量对从激光器输出动态的影响。研究表明:外光注入条件下,半导体环形激光器可以产生混沌信号。通过分析得出:当失谐频率为3.9 GHz、注入系数为0.07、偏置电流为81 mA时,环形激光器可以产生功率谱平坦、带宽较宽的高质量混沌信号。     

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.