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.     

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.     

光电负反馈下1550nm垂直腔表面发射激光器的动力学特性

基于激光输出的时间序列、功率谱以及相图,对1 550 nm垂直腔表面发射激光器(1 550 nmVCSELs)在光电负反馈作用下的动力学特性进行了研究.结果表明:固定偏置电流,在不同反馈强度下,光电负反馈1 550 nm VCSEL可呈现规则脉冲态、准周期态、混沌脉冲态等非线性动力学态;固定反馈强度,偏置电流取不同值时.1 550 nm-VCSEL也可呈现脉冲态、准周期态、混沌脉冲态等不同的非线性动力学状态.给出了1 550 nm VCSEL非线性动力学状态在偏置电流和反馈强度构成的参量空间分布.分析了激光器的动态演化路径,结果表明:在较小偏置电流和弱光电反馈下,激光器主要工作在稳态:随着偏置电流增加,激光器输出的动力学态通常随反馈强度的增加以规则脉冲态-准周期态-规则脉冲态的方式循环演化到混沌脉冲态;当偏置电流增加到一定值后,激光器输出的动力学态随反馈强度的增加主要以规则脉冲态准周期态混沌脉冲态的方式循环演化.     

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.     

980 nm大功率垂直腔面发射激光器偏振特性

大功率垂直腔面发射激光器单管器件出光口径大、横向模式多。随着注入电流和工作温度的改变出射光偏振态在两个正交偏振基态上转换。为分析输出光偏振特性,采用500μm出光口径980nm底发射器件,通过控制器件热沉温度,利用偏振分光镜分离正交偏振基态为透射波和反射波,半导体综合参数测试仪测量其功率、中心波长等参量。分析得出:两个偏振态的光功率温度特性与未加偏振分光镜时的总输出光的温度特性基本一致,中心波长差随温度升高缓慢增加。在温度低于328K时,随着注入电流的增大,反射波首先达到阈值,形成激射。但透射光波形成激射后其斜效率大于反射波。因此在达到某个电流后两个偏振态的功率变化曲线出现交替。当温度升高到328K以上时两个偏振态的功率曲线却没有明显的交替。根据对大尺寸VCSEL器件偏振特性的研究,提出通过外腔选频的方法来控制偏振的方案,分析计算后得出外腔腔长大约为0.45mm。     

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1 550nm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1 550nm垂直腔面发射激光器,使该1 550nm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15dB)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1 550nm垂直腔面发射激光器(阈值电流为2.6mA)偏置在11.5mA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30dB);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80GHz的光学频率梳。     

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.     

1550 nm垂直腔面发射激光器的特征参量随温度的变化

在采用自旋反转模型分析垂直腔面发射激光器（VCSELs）动力学行为的过程中,为了正确预测VCSELs的动力学行为,需要准确给出自旋反转模型中光场衰减速率k、总反转载流子衰减速率γ_N、线性二向色性系数γ_a、线性双折射系数γ_p、自旋反转速率γ_s和线宽增强因子α这6个特征参量.本文对1550 nm VCSELs在自由运行和平行光注入下的输出特性进行实验分析,获取了这6个特征参量的值,并着重研究了当激光器温度在10.00–30.00 ℃范围内变化时,这6个特征参量呈现的变化趋势.研究结果表明,随着温度的逐渐升高,γ_p整体呈现逐渐增加的趋势,γ_a,γ_s,γ_N和k呈现复杂的变化趋势,而α则呈现逐渐减小的趋势.     

高速1550nm垂直腔面发射激光器研究进展

垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有生产成本低、调制速率高等优点,在光通信领域占有重要地位。随着数据需求量的飞速增长,在长距离信息传输中,具有低损耗的1 550 nm波长的VCSEL引起了研究人员的兴趣。本文首先介绍了1 550 nm VCSEL的结构,然后讨论了其带宽限制因素以及相应的改进方法,接着从NRZ(不归零)调制和PAM4(四电平脉冲幅度)调制两方面对近年来高速1 550 nm VCSEL的研究进展进行了综述,最后展望了高速1 550 nm VCSEL在未来光通信领域的发展和应用。     

1310nm垂直腔面发射激光器芯片制备技术的研究进展

垂直腔面发射激光器(VCSELs)在光纤通讯领域有着广泛的应用前景,国际上对VCSELs需求逐年增加,而国内目前VCSELs的产业化尚属空白。本文从两方面着手综述1 310 nm VCSELs制备方法。将可以制备出1 310 nm VCSELs的4种材料,从理论、制备、量产时需要考虑的因素等方面进行较为全面的汇总分析;同时对两种主流的制备方法从工艺步骤分析其在产业化方面的优势与不足。     

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     

808nm大孔径垂直腔面发射激光器研究

垂直腔面发射激光器(VCSEL)中的载流子聚集效应使注入到有源区的工作电流只是通过边缘环形区域很窄的通道,激光功率密度分布不均匀;尤其当器件尺寸较大时,激射光斑呈现环状,环中间光强很弱.这是研制电抽运高功率大尺寸VCSEL尤为突出的技术难题.采用新型结构成功研制出808 nm波段高功率大孔径VCSEL,在注入电流为1A时,室温下连续输出功率达0.3 W. 关键词： 半导体激光器 垂直腔面发射激光器 高功率 大孔径     

基于1550 nm垂直腔面发射激光器的长距离双向双信道光纤混沌保密通信研究

基于同一混沌信号光注入下两个1550 nm垂直腔面发射激光器 (VCSELs) 中两对应线性偏振模式之间的混沌同步, 提出了一种可实现信息的长距离双向双信道光纤混沌保密通信的系统模型, 并对该系统的同步、双向双信道通信以及光纤信道对信息传输的影响等性能进行了相关仿真研究. 结果表明: 在由驱动混沌激光器所产生的同一混沌光注入下, 两响应激光器中对应的两线偏振模式之间均可实现高质量的等时混沌同步, 且驱动激光器与两响应激光器间的同步系数较低; 基于两响应激光器之间对应线偏振模式的高质量混沌同步, 可实现双向双信道混沌通信; 采用单模保偏光纤 (或色散位移保偏光纤) 作为通信信道, 2.5 Gbit/s信息在传输60 km (或200 km) 后解调信息的Q因子能保持在6以上. 关键词： 垂直腔面发射激光器 (VCSELs) 双向双信道 混沌通信 光纤     

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.     

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     

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     

Light polarization fingerprints on nonlinear dynamics of vertical-cavity surface-emitting lasers

In this paper we summarize the recent results on nonlinear dynamics of vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) which are bearing the fingerprints of the particular polarization properties of VCSELs. Due to the surface emission and cylindrical symmetry, VCSELs lack strong polarization anisotropy and may undergo polarization switching and polarization mode-hopping. This provides new specificities to the rich nonlinear dynamics induced in VCSELs by an external perturbation. We unveil both experimentally and theoretically these new specificities for the case of optical feedback, optical injection, and unidirectional synchronization between VCSELs.