基于外光注入互耦合垂直腔面发射激光器的混沌随机特性研究

通过在互耦合垂直腔面发射激光器(VCSELs)系统中增加外光注入, 建立了一种基于偏振可调光反馈VCSEL驱动互耦合VCSELs混沌系统模型, 分析了增加外光驱动对互耦合激光器随机特性的影响. 以不可预测度作为随机特性的评价指标, 采用信息论中的排列熵作为相应量化工具, 对系统输出混沌信号的不可预测性进行定量分析.数值研究了光强度、时延、偏振旋转角度以及驱动激光器与耦合激光器间的频率失谐对输出信号随机特性的影响.结果表明: 外光注入能够增大互耦合VCSELs输出混沌信号的排列熵, 即外光注入能够有效提高耦合系统的随机特性; 驱动激光器可调偏振片偏转角度调节到45° 附近, 注入强度适中, 满足耦合强度大于驱动激光器自反馈强度条件, 系统输出信号的排列熵较大; 在耦合时延与驱动激光器反馈时延不相等的同时, 增加驱动激光器与耦合激光器频率失谐, 外光注入互耦合VCSELs的随机特性能够得到进一步提高.     

连续可变偏振光注入垂直腔面发射激光器的偏振开关及双稳特性

基于垂直腔面发射激光器(VCSELs)的自旋反转模型(SFM),理论研究了连续可变偏振光注入VCSEL所产生的偏振开关及双稳特性。研究结果表明,在合适的注入参数设置下,通过连续正向扫描和反向扫描注入光偏振角,VCSEL的偏振分量可产生由偏振角度诱导产生的偏振开关(PS)及偏振双稳(PB)效应,且正反向PS点位置随扫描周期的变化而发生偏移,进而导致PB区域宽度发生改变。当注入强度一定时,正反向PS点位置随扫描周期的增大呈现相反的变化趋势,且更小的扫描周期和更大的频率失谐均有助于增加PB区域的宽度;对于频率失谐给定的情形,注入光强度的变化对PS和PB宽度也有着较大的影响,较小的注入强度及扫描周期更易于PB宽度的扩展。当给定注入强度和频率失谐时,正反向PS点所对应的偏振角度随偏置电流的增强均呈现近似增大的趋势,而PB区域宽度则表现出较大的起伏,且扫描周期越大,对应的PB宽度越小。此外,自旋反转速率也会影响VCSEL输出偏振分量的PS和PB特性,当注入参数一定时,较小的自旋反转速率更易于产生较大的PB宽度。     

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.     

基于偏振旋转耦合1550nm垂直腔面发射激光器环形系统产生多路高质量混沌信号

提出了一种基于三个单向偏振旋转耦合1550 nm垂直腔面发射激光器(1550 nm-VCSELs)构成的环形系统获取多路高质量混沌信号的方案.利用自旋反转模型,数值研究了该环形系统中三个VCSELs的偏振分辨非线性动力学特性;利用自相关和互信息方法讨论了注入强度和频率失谐对三个VCSELs中各偏振分量输出时间序列的时延特征(TDS)的影响.研究结果表明:通过选择合适的注入强度和频率失谐,三个VCSELs均可同时输出X-偏振分量(X-PC)和Y-偏振分量(Y-PC)的平均功率可比拟的混沌信号,而且这些混沌信号的TDS通过进一步优化耦合参数可得到较好的抑制.在此基础上,进一步对三个VCSELs输出的六路混沌信号之间的相关性进行了分析,给出了除同一VCSEL输出的X-PC与Y-PC之间存在较强的相关性外其他信号之前关联性较弱的参数范围.     

基于双光注入锁定1550 nm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1550 nm 垂直腔表面发射半导体激光器(1550 nm-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1550 nm 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. 关键词： 垂直腔表面发射激光器 双光注入 毫米波 调制深度     

时变电流注入下光电负反馈垂直腔表面发射激光器的偏振双稳特性

基于光电负反馈垂直腔表面发射激光器(VCSELs)的理论模型,数值研究了时变电流注入下反馈率大小和注入电流扫描周期对VCSELs偏振双稳特性的影响.研究结果表明:增大反馈率将使双稳区域向更大电流方向移动,同时双稳区宽度增加;增大注入电流扫描周期将使双稳区宽度减小.因此,通过调整光电负反馈的大小以及注入电流的扫描周期,可实现对VCSELs偏振双稳特性的控制.     

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.     

共振声子太赫兹量子级联激光器研究

本文综述了共振声子太赫兹(THz)量子级联激光器(QCL)载流子输运及其光电特性的研究结果。我们采用Monte Carlo方法模拟了不同有源区结构的共振声子THz QCL,如四阱有源区和三阱有源区结构等,优化了THz QCL的器件参数。计算表明,器件的增益依赖于注入势垒的宽度、掺杂浓度和声子抽运能级间隔等参数。单阱注入的THz QCL可以获得低的激射频率,而三阱有源区结构的THz QCL具有更高的工作温度。我们数值模拟了这两种器件结构在不同寄生电压下的电子输运、增益以及温度特性等。同时,我们实验测量了THz QCL的发射谱偏压和温度效应,计算结果与实验相吻合。研究结果表明,随着偏压增加发射谱出现了明显的频率蓝移,多模激射仅出现在大电流注入情形。与偏压的密切依赖关系不同,激射频率对温度的变化并不敏感。     

基于双光反馈垂直腔面发射激光器的双信道混沌同步通信

利用双光反馈垂直腔面发射半导体激光器(VCSELs) 两个正交偏振模式输出的两个混沌信号作为混沌载波, 构建了一个双信道的混沌保密通信系统, 并对该系统的通信性能进行了数值仿真研究.研究结果表明: 通过合理的选取反馈参量, 双光反馈VCSELs两个偏振模式输出的混沌信号能很好地隐藏外腔反馈延时特性; 双光反馈VCSEL两个偏振模式输出的混沌信号通过偏振保持注入到接收VCSEL中, 在强注入锁定条件下可以实现很好的混沌同步, 同步性能对频率失谐的容忍性随着注入强度的增加而加强; 在附加混沌调制加密方式下, 500 Mbit/s的信号在传输过程中能够得到很好的隐藏, 同时在接收端可以成功解调; 随着通信速率的增加, Q因子呈现下降的趋势, 但对于 6 Gbit/s的信息, Q因子仍大于6. 关键词： 垂直腔面发射激光器 双光反馈 双信道 混沌通信     

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.     

Polarization switching characteristics in a 1550nm VCSEL subject to circularly polarized optical injection

Polarization switching(PS) characteristics in a 1550 nm vertical-cavity surface-emitting laser(VCSEL) subject to circularly polarized optical injection(CPOI) are experimentally investigated.The results show that,under different biased current,a solitary 1550 nm VCSEL can oscillate at y polarization mode(y mode),two polarization components(PCs) coexistence or x polarization mode(x mode).The PS characteristics induced by CPOI for the VCSEL operating at y mode and x mode are analyzed and the evolutions of dynamical states with the injected power are discussed.Additionally,the mappings of nonlinear dynamical states are given in the parameters space of the injected power and frequency detuning.     

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.     

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.     

径向桥电极高功率垂直腔面发射激光器

为改善高功率垂直腔面发射半导体激光器的热特性,提高它的输出功率,研制了新型径向桥电极高功率垂直腔面发射半导体激光器器件,对新型半导体激光器的结构模型进行理论分析表明,采用径向桥式电极可以降低器件P型DBR电阻,减小焦耳热;降低热阻,提高器件的散热能力。实验制备了出光孔径同为200μm的径向桥电极与常规电极的高功率垂直腔面发射半导体激光器,并对器件的性能进行了实验对比测试。结果表明径向桥电极高功率垂直腔面发射半导体激光器器件的微分电阻为0.43Ω;室温下最大输出功率可达340 mW,是常规电极垂直腔面发射半导体激光器的1.7倍;器件的热阻为0.095℃/mW,在80℃时,仍能正常激射,具有良好的热特性,径向桥电极高功率垂直腔面发射半导体激光器的光电特性与温度特性要远好于常规电极的高功率垂直腔面发射半导体激光器器件。     

N-DBR和双氧化限制层对VCSEL电、光、热特性的影响

根据增益波导垂直腔面发射激光器直接耦合的准三维理论模型，通过有限差分法对注入电流密度、载流子浓度、光场和热场分布方程求自洽解.研究了垂直腔面发射激光器的电、热和光波导特性，同时提出了一种具有双氧化限制层的增益波导垂直腔面发射激光器结构，并通过对比研究了N-型分布布喇格反射镜和双氧化限制层对增益波导垂直腔面发射激光器特性的影响.计算结果表明，如果忽略N-型分布布喇格反射镜的影响将与实际的垂直腔面发射激光器有较大偏差；双氧化限制层结构对激光器特性有较大的改善，它为增益波导垂直腔面发射激光器提供了一种降低阈值，抑制高阶横模的方法.     

Enhanced thermal stability of VCSEL array by thermoelectric analysis-based optimization of mesas distribution

The thermal stability of a vertical-cavity surface-emitting laser(VCSEL) array is enhanced by redesigning the mesa arrangement. Based on a thermoelectric coupling three-dimensional(3D) finite-element model, an optimized VCSEL array is designed. The effects of this optimization are studied experimentally. Power density characteristics of VCSEL arrays with different mesa configuration are obtained under different thermal stress in which the optimized device shows improved performance. Optimized device also shows better stability from measured spectra and calculated thermal resistances. The experimental results prove that our simulation model and optimization is instructive for VCSEL array design.     

Improved efficiency of GaAs-based VCSEL by utilizing fan-pad metallization and trench patterning

Emphasizing the Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) device packaging, fan-pad metallization and trench patterning are demonstrated for VCSEL operating at 850 nm of the electromagnetic spectrum. The fabricated devices are observed to exhibit low threshold current and series resistance, contributing thereby to higher VCSEL efficiency. It is also observed that the output spectral characteristics of the fabricated device show stable multimode operation. The results indicate that the proposed VCSEL packaging exhibits superior device performance as compared to the VCSEL device packaged with square-pad metal.     

表面液晶-垂直腔面发射激光器阵列的热特性

液晶与垂直腔面发射半导体激光器(VCSELs)阵列结合可实现波长可调谐、偏振精确控制等,同时液晶的引入也会改变垂直腔面发射半导体激光器阵列的热特性,本文设计了表面液晶-垂直腔面发射激光器阵列结构,并开展了阵列的热特性实验研究.对比分析了向列相液晶层对VCSEL阵列热特性的影响,实验结果表明,1×1,2×2,3×3三种表面液晶-VCSEL阵列的阈值电流温度变化率最高可降低23.6%,热阻降低26.75%;同时,激光器阵列各发光单元之间的温度均匀性显著提高,出光孔与周围温差小于0.5℃.综上所述,VCSEL阵列中液晶层的引入不仅大大加速激光器阵列单元热量扩散,而且降低了有源区结温,提高了VCSELs激光器阵列热特性,为实现高光束质量的单偏振波长可控VCSEL激光器阵列打下了良好的理论和实验基础.