线宽增强因子对外光注入半导体激光器非线性单周期振荡特性的影响

线宽增强因子是影响半导体激光器输出特性的一个重要参量,不同材料不同结构类型的半导体激光器的线宽增强因子有较大的差异.利用光注入半导体激光器的单模速率方程模型,数值研究了线宽增强因子对外光注入半导体激光器的非线性单周期振荡特性的影响.结果表明:外光注入半导体激光器的动态特性对线宽增强因子的变化极为敏感,随着线宽增强因子的...     

外部光注入空间耦合半导体激光器高维混沌系统的增频与控制研究

提出外部光注入空间耦合半导体激光器系统,研究 外部光注入两激光器混沌振荡频率增强以及混沌控制等特点, 给出稳定频率失谐公式.研究表明,当单激光器注入时,注入激光器 呈现出三个混沌扩频区域;发现在强激光注入条件下,随着注入程度的 增加,注入激光器混沌振荡频率增强非常有效且可达到 3.5倍以上(尽管另一个激光器频率会缓慢下降); 随着注入光正频率失谐的增加,两激光器混沌振荡都能进一步增 强;发现混沌控制窗口,即在弱注入条件下两激光器可以被控制到单周 期、双周期、四周期、六周期等.当双激光器注入时,随着注入程度 的增加,两激光器混沌振荡频率 进一步增加, 且可达到3.5倍和2.65倍以上; 随着注入光正频率失谐增加, 两激光器混沌振荡频率增加.双激光器注 入控制混沌的一个窗口也被发现:即在强注入条件下两激光器可以被 控制到单周期、三周期、六周期等.最后详细给出了单激光注入系 统从单周期模式锁定到类周期再进入混沌增频的发展路径以及双 激光注入系统从混沌到类周期再进入单周期模式锁定的演化控制路径等.     

光注入半导体激光器产生单边带效应的研究

在光注入半导体激光器中,为了更好地利用单周期振荡的单边带效应产生光载无线通信(Ro F)系统所需的单边带光,通过数值模拟的方法研究产生单边带效应的注入条件和影响因素。通过在不同注入强度和频率失谐下仿真光注入半导体激光器的速率方程,找到了产生单边带效应的条件范围。选取弱注入与强注入两种特定情况分别研究各参数对产生单边带效应的影响。结果发现,无论是弱注入还是强注入时,单边带效应都随偏置电流和线宽增强因子的减小而更加明显。弱注入时单边带效应随频率失谐的增大而变好,而强注入时需减小频率失谐才能得到较好的单边带效应。此外,强注入时单边带效应还会随着腔衰减率的增大而增强。因此,要想获得好的单边带光,需选取合适的激光器类型与外部注入参数。     

基于次谐波调制光注入半导体激光器获取窄线宽微波信号的实验研究

实验研究了处于单周期振荡的光注入半导体激光器在频率等于单周期振荡频率一半的1/2次谐波调制下所产生的微波信号的特性.实验结果显示:在合适的注入条件下,处于单周期(P1)振荡的光注入半导体激光器可输出频率可达26.5 GHz、光谱具有单边带结构的光生微波信号,但微波信号的线宽比较宽(MHz量级);通过采用频率为单周期振荡频率一半的次谐波信号调制光注入半导体激光器,可将微波线宽从十几MHz压缩到几十k Hz.进一步分析了次谐波调制信号的功率以及频率对微波信号的相位噪声的影响,并在由次谐波调制信号的功率和频率构成的参数空间绘制出了能实现次谐波频率锁定的分布区域.     

外光注入半导体激光器实现重复速率可调全光时钟分频

采用Fabry-Perot半导体激光器作为全光时钟分频器件,利用光注入半导体激光器产生的非线性动力学特性,实现了光脉冲的重复速率在9.0 GHz到19.8 GHz范围内连续可调的全光时钟分频. 同时利用半导体激光器速率方程,对脉冲光注入半导体激光器产生时钟分频进行了数值模拟. 实验和模拟结果表明半导体激光器在光注入的驱动下处于一周期振荡状态,当一周期振荡的二次谐波频率接近脉冲光的重复速率时,其二次谐波和基频被脉冲光同时锁定,此时将输出频率为脉冲光重复速率一半的时钟信号. 同时研究了波长失谐量和注入光功率对 关键词： 周期振荡 时钟分频 光注入 非线性动力学     

光注入半导体激光器产生可调谐高频微波

利用光注入半导体激光器产生的单周期振荡,实验获得了61—129 GHz范围内频率连续可调的微波光信号.同时利用半导体激光器速率方程,对光注入半导体激光器产生高频微波进行了数值模拟.模拟和实验结果均表明微波信号产生于注入光和激光器腔模之间的拍频现象,其频率随着注入光强度和波长失谐的增大而增大,模拟结果预测该方法可以产生频率大于40 GHz的高频微波. 关键词： 光通信 光生微波 拍频 半导体激光器     

线宽增强因子对光反馈半导体激光器混沌信号生成随机数性能的影响

基于光反馈半导体激光器产生的宽带混沌信号作为物理熵源生成物理随机数已得到广泛研究.线宽增强因子的存在会导致半导体激光器出现大量不稳定动态特性,因此,本文着重研究半导体激光器的线宽增强因子对生成随机数性能的影响.数值仿真结果表明:随着线宽增强因子的增加,光反馈半导体激光器输出混沌信号的延时峰值逐渐减小、最大李雅普诺夫指数逐渐增大.基于不同线宽增强因子下产生的混沌信号提取随机数,并利用NIST SP 800-22软件对生成随机数的性能进行测试.测试结果表明,选取线宽增强因子较大的半导体激光器产生混沌信号作为物理熵源易于生成性能良好的随机数.     

外部光注入混沌激光器产生超宽带微波信号的研究

利用外部光注入混沌激光器产生了完全符合美国联邦通信委员会关于室内无线通信频谱限定的超宽带(UWB)微波信号.基于外部光注入光反馈半导体激光器的速率方程组,理论研究了外部及内部参量对半导体激光器输出混沌UWB脉冲信号的影响.研究表明,UWB信号的-10 dB带宽随着光注入强度、注入失谐量以及线宽增强因子的增大而增大,随着激光器偏置电流的增大而减小.同时,UWB信号的中心频率在5–8 GHz范围内变化.在实验中,通过设定其他参量和调节光注入强度,得到中心频率及带宽可调谐的混沌UWB微波信号,传输速率达到500 Mbit/s.实验结果与理论分析相符合. 关键词： 半导体激光器 混沌激光 光生微波技术 超宽带信号     

交叉相位调制提高半导体激光器混沌载波发射机带宽方法

提出半导体激光器混沌交叉相位调制(XPM)光反馈提高混沌载波发射机带宽方法,建立了有外腔光纤传输反馈XPM控制下的激光动力学物理模型.理论导出XPM作用下激光双反馈频率失谐公式,指出XPM产生的非线性相移影响了激光器增益和线宽增强因子,其光纤二阶非线性效应使激光振幅和相位变化更加丰富,而非线性相移的出现进一步增加了新的频率分量并使频谱展宽.数值结果表明,XPM使激光器混沌带宽增加到4倍以上,使激光混沌张弛振荡频率增加到2.85倍,其光纤长度、入纤光功率、面镜反射系数、光纤二阶非线性系数等都能影响激光混沌带宽.     

基于法布里-珀罗半导体激光器实现高重复频率光脉冲的时钟分频

实验研究了重复速率为6.32 GHz的光脉冲注人法布里-珀罗(Fabry-Perot)半导体激光器实现3.16 GHz光脉冲输出的时钟分频现象,讨论了 Fabry-Perot半导体激光器的偏置电流、注入光功率、注入光光谱以及光谱线宽等因素对时钟分频的影响.利用光注入半导体激光器产生的周期二振荡非线性动力学特性.实现了高重复速率光脉冲的时钟分频.研究表明,当注入光的光谱较窄且锁定Fabry-Perot半导体激光器某一纵模时,在较低的偏置电流和一定的注入光功率时,时钟分频才能发生.采用半导体激光器的速率方程.通过数值模拟,研究了半导体激光器的偏置电流和线宽增强因子以及注入光功率对时钟分频的影响,所得结果与实验结果相吻合.     

Control of period-one oscillation for all-optical clock division and clock recovery by optical pulse injection driven semiconductor laser

The period-one oscillation produced by an external optical pulse injection driven semiconductor laser is applied to clock recovery and frequency division. By adjusting the repetition rate or injection power of the external injection optical pulses to lock the different harmonic frequencies of the period-one state, the clock recovery and the frequency division （the second and third frequency divisions） are achieved experimentally. In addition, in frequency locking ranges of 2 GHz and 1.9 GHz, the second and third frequency divisions are obtained with the phase noise lower than 100 dBc/Hz, respectively. Our experimental results are consistent well with the numerical simulations.     

可调谐半导体激光器的瞬时光谱测量方法研究

可调谐半导体激光器在调谐过程中的瞬时光谱特性,如瞬时的波长、调谐率、功率、线型和线宽等参数影响着以激光器为光源的光学测量和光相干通信系统的精度。然而,能够同时测量这些瞬变参数的技术至今未见报道。提出了一个基于时频分析的测量半导体激光器在调谐过程中瞬时光谱参数的方法,利用一个短时延外差测量系统,利用激光器瞬时光谱参数与差拍信号瞬时参数的关系,最终获得了半导体激光器在连续电流调谐过程中的瞬时光谱。测量系统采用了10 cm光程差的Mach-Zehnder干涉仪,调谐电流是幅度为20~120 mA、频率是1 kHz的锯齿波,差拍信号可视为直流信号、载波信号与噪声的叠加,按照短时延相干光测量原理,差拍信号中的直流分量幅度的大小反映了激光器输出光信号的功率;载波信号是一种多项式相位信号,由其频率可以推算激光器输出光谱的中心频率或波长;噪声信号则与激光器输出光谱的线型和线宽相关,通过对噪声信号进行时频分析,可以获知激光器在连续电流调谐过程中每一时刻或每个电流下的瞬时线型、线宽。采用了趋势局部均值分解方法对差拍信号进行了准确分离,并对分离信号分别进行处理,同时获知了半导体激光器在调谐过程中的瞬时输出光功率、光波长、调谐率及线型、线宽。在去掉弛豫部分后截取的整周期差拍信号对应的调谐电流60~115 mA变化范围内,半导体激光器(FRL15DDR0A31-18950, Furukawa)瞬时输出光功率变化范围是5.16~10.6 mW,瞬时光波长变化范围为1 579.2~1 579.6 nm;激光器的瞬时调谐率在0.004 8~0.011 5 nm·mA-1范围内单调变化;线宽是852.55~954.95 kHz,呈非线性随机分布。基于短时延、局部均值分解和时频分析方法的瞬时光谱参数测量系统可以准确得到各瞬时光谱参数,测量结果与激光器的静特性相符,且测量系统结构简单,使我们更深入地理解激光器的工作原理,具有广阔的应用前景。     

Numerical study of converting beat-note signals of dual-frequency lasers to optical frequency combs by optical injection locking of semiconductor lasers

The optical injection locking of semiconductor lasers to dual-frequency lasers is studied by numerical simulations. The beat-note signals can be effectively transformed to optical frequency combs due to the effective four wave-mixing in the active semiconductor gain medium. The low-noise Gaussian-like pulse can be obtained by locking the relaxation oscillation and compensating the gain asymmetry. The simulations suggest that pulse trains of width below 30 ps and repetition rate in GHz frequency can be generated simply by the optical injection locking of semiconductor lasers. Since the optical injection locking can broaden the spectrum and amplify the optical power simultaneously, it can be a good initial stage for generating optical frequency combs from dual-frequency lasers by multi-stage of spectral broadening in nonlinear waveguides.     

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.     

Stable high optical power in quantum well lasers with profiled reflection and tapered structures

A comprehensive model is presented to study quantum well tapered lasers and quantum well stripe lasers with profiled reflectivity output facets and to obtain lateral stability in high power semiconductor laser. Simulation of semiconductor lasers is performed by numerically solving space-dependent coupled partial differential equations for the complex optical forward and backward waves, carrier density distribution and temperature distribution. The coupled equations are solved by finite difference beam propagation method. The effect of nonlinear parameters like Kerr and linewidth enhancement factors, and precise dependence of linewidth enhancement factor and gain factor on the carrier density and temperature are considered in this paper. We use modal reflector in stripe lasers to confine the lateral mode to the stripe centre and provide the stable operation. We also use unpumped window to reduce the facet temperature and improve the catastrophic optical mirror damage level of tapered lasers.     

Experimental Investigation of Stability Enhancement in Semiconductor Lasers with Optical Feedback

The stability enhancement of laser output power for the change of external cavity position in semiconductor lasers with optical feedback is observed by experiment. The relaxation oscillation frequency which plays an important role in the dynamics of the nonlinear system is also investigated as a function of the external cavity length. The period of the stability enhancement along the position of the external cavity is exactly coincident with the length corresponding to the relaxation oscillation frequency of the solitary laser. The experimental results are compared with theoretical and excellent coincidence between the two is found.     

基于V型腔光反馈法的半导体激光器线宽压窄和频率锁定初步研究

线宽压窄和频率锁定是提高激光器（特别是半导体激光器）性能的重要手段。在理论分析光反馈时的半导体激光器线宽压窄和频率锁定机理的基础上,建立了一套基于高品质V型光学谐振腔的半导体激光器线宽压窄实验系统,并利用该系统开展了初步实验研究。通过对比无有光反馈情况下的V型腔的透射光扫描线形,初步验证了V型腔用于半导体激光器线宽压窄和频率锁定的可行性,为后续研究奠定了基础。