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.     

主副垂直腔面发射激光器动力学系统混沌输出的时延特征及带宽分析

基于垂直腔面发射激光器(VCSEL)的自旋反转模型, 数值研究了由一个光反馈VCSEL (定义为主VCSEL, M-VCSEL)输出的混沌光单向注入到另一个VCSEL (定义为副VCSLE, S-VCSEL)所构成的主副VCSELs系统的混沌动力学特性, 分析了注入强度、M-VCSEL与S-VCSEL之间的频率失谐以及M-VCSEL所受到的光反馈强度对系统混沌输出时延特征(包括强度时延特征(I-TDS) 和相位时延特征(P-TDS))以及输出带宽(BW)的影响. 结果显示: 通过调节注入强度和频率失谐, 该系统混沌输出的两个偏振分量(X-PC和Y-PC)的P-TDS和I-TDS可以同时得到抑制; 进一步分析注入强度和频率失谐对混沌BW的影响, 发现在较大负频率失谐区域, 系统可输出BW超过30 GHz 的X-PC和Y-PC混沌信号; 结合系统混沌输出信号的TDS与BW在注入强度和频率失谐参量空间下的演化特性, 可确定宽带宽、低时延特征混沌信号输出的参量空间区域. 此外, 通过合理调节M-VCSEL 所受到的光反馈强度, 可以显著优化系统的混沌输出信号质量.     

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.     

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     

混沌光注入垂直腔面发射激光器混沌输出的时延和带宽特性

提出并仿真论证了利用一个双光反馈垂直腔面发射激光器(定义为主VCSEL,M-VCSEL)产生的混沌光平行单向注入到另一个VCSEL(定义为副VCSEL,S-VCSEL)使所产生的混沌信号的延时特征(TDS)和带宽特性得以优化的技术方案.首先,基于VCSELs自旋反转模型,结合自相关分析方法,通过对系统参量进行优化,可使双光反馈M-VCSEL的X偏振分量(X-PC)和Y偏振分量(Y-PC)均输出混沌信号,且两路混沌信号的平均强度相当、TDS均较弱;在此基础上,将双光反馈M-VCSEL在优化条件下得到的混沌信号平行单向注入到S-VCSEL中,以获得两路TDS得到抑制、带宽更宽的混沌信号.通过考察两个偏振分量输出混沌信号的TDS以及混沌带宽在注入强度和频率失谐构成的参数空间的演化规律,确定了系统获取两路TDS被抑制、宽带宽的混沌信号所需的注入参数范围.     

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。     

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     

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Δν(Δν=ν_m-ν_s, ν_m, ν_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Δν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.     

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     

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.     

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.     

Complex-enhanced chaotic signals with time-delay signature suppression based on vertical-cavity surface-emitting lasers subject to chaotic optical injection

A chaotic system is constructed on the basis of vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs), where a slave VCSEL subject to chaotic optical injection (COI) from a master VCSEL with the external feedback. The complex degree (CD) and time-delay signature (TDS) of chaotic signals generated by this chaotic system are investigated numerically via permutation entropy (PE) and self-correlation function (SF) methods, respectively. The results show that, compared with master VCSEL subject to optical feedback, complex-enhanced chaotic signals with TDS suppression can be achieved for S-VCSEL subject to COI. Meanwhile, the influences of several controllable parameters on the evolution maps of CD of chaotic signals are carefully considered. It is shown that the CD of chaotic signals for S-VCSEL is always higher than that for M-VCSEL due to the CIO effect. The TDS of chaotic signals can be significantly suppressed by choosing the reasonable parameters in this system. Furthermore, TDS suppression and high CD chaos can be obtained simultaneously in the specific parameter ranges. The results confirm that this chaotic system may effectively improve the security of a chaos-based communication scheme.