Frequency offsets in frequency-locked semiconductor lasers

A commonly used technique for frequency locking a laser is dithering the laser frequency and monitoring the first derivative of the laser transmission through an absolute reference. In semiconductor lasers, this frequency dithering can be obtained easily by dithering the injection current. However, this dithering also modulates the laser output power. Here we show that this modulation of the laser output power results in an offset of the locked laser frequency from the reference frequency. We derive analytical expressions for these frequency offsets for semiconductor lasers frequency-locked to a Fabry-Perot transmission peak, a Gaussian absorption line, and a Lorentzian absorption line.     

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。     

半导体激光器混沌输出的延时特征和带宽

外腔延时特征和带宽是影响混沌激光应用的两个重要参量.本文将一个单路光反馈的半导体激光器输出的激光部分地注入到另一个双路滤波光反馈的半导体激光器中,从而构成一个具有外光注入的双路滤波光反馈半导体激光器系统,即主从激光器系统,用于抑制混沌激光的延时特征并研究其带宽.数值研究了外光注入系数、反馈强度、抽运因子和滤波器带宽对系统输出混沌激光的延时特征的影响,然后将该系统对延时特征的抑制效果和具有外光注入的单路光反馈半导体激光器系统、具有外光注入的双路光反馈半导体激光器系统、具有外光注入的单路滤波光反馈半导体激光器系统以及无光注入双路滤波光反馈半导体激光器系统进行对比和分析,结果表明本文提出的方案对延时特征的抑制效果最好.然后在本文提出的具有外光注入的双路滤波光反馈半导体激光器系统中,延时特征被有效抑制的参数条件下研究系统输出混沌激光的带宽,结果表明,通过适当选择参数的取值,本文提出的方案可以提高系统输出混沌激光的带宽.     

Experimental characterization of DFB and FP chaotic lasers with strong incoherent optical feedback

We have experimentally investigated chaotic power oscillations in single-longitudinal mode DFB and multi-longitudinal mode FP lasers as a function of incoherent optical feedback strengths of up to 42%. We have demonstrated the existence of chaos in the output oscillations of both laser types using classical experimental tools such as RF spectrum, standard deviation, and maximum Lyapunov exponent, which all increase with increasing of feedback strength for both in single-longitudinal mode DFB lasers and multi-longitudinal mode FP lasers. It is also shown that power switching among longitudinal modes of multimode FP semiconductor laser is a considerable portion of the chaotic power oscillations for both strong and weak incoherent optical feedback.     

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.     

Power fluctuations of a weakly optically-injected semiconductor laser in a period-one state

The frequency spectrum and the power output of a weakly optically-injected semiconductor laser in a period-one state are investigated. It is found that the oscillations in the power output consist of three components each caused by different physical effects, namely the relaxation oscillation frequency, the detuning between master and the slave laser frequency and the photon roundtrip time. For each set of parameters the spatio-temporal dynamics are obtained and the same internal oscillations occur.     

用直接模拟法分析量子阱半导体激光器瞬态响应

根据光增益与载流子密度的对数关系 ,通过适应于多量子阱激光器的速率方程的直接模拟分析 ,得到了注入电流、阱数和腔长对多量子阱激光器的激射阈值、开关延迟时间、弛豫振荡频率和光输出等参量之间的依赖关系 .运用相图确立了在瞬态过程中 ,载流子数密度和光子数密度之间的转化过程 .从而为改善量子阱激光器的高频调制特性以及优化设计器件结构参数提供了理论依据     

用直接模拟法分析量子阱半导体激光器瞬态响应

根据光增益与载流子密度的对数关系,通过适应于多量子阱激光器的速率方程的直接模拟分析,得到了注入电流、阱数和腔长对多量子阱激光器的激射阈值、开关延迟时间、弛豫振荡频率和光输出等参量之间的依赖关系.运用相图确立了在瞬态过程中,载流子数密度和光子数密度之间的转化过程.从而为改善量子阱激光器的高频调制特性以及优化设计器件结构参数提供了理论依据.     

外光注入半导体激光器实现时钟分频

从理论和实验上研究了利用光注入半导体激光器对高重复速率光脉冲产生的周期振荡和时钟分频现象.结果表明，光注入半导体激光器引起的二倍周期振荡是使注入脉冲重复频率分频的直接原因.通过耦合速率方程，数值模拟了半导体激光器在外光注入时输出光的时间序列和功率谱，并且分析了激光腔内各种周期振荡的特征.研究表明，当注入光使半导体激光器出现稳定的二倍周期振荡，且注入光的重复频率为此振荡频率的二倍时，时钟分频即可产生实验中，采用重复频率为6.32GHz的光脉冲注入Fabry-Perot激光器，实现了3.16GHz时钟分频信号 关键词： 周期振荡 时钟分频 光谱侧带 光注入     

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.     

基于自制超稳定F-P腔压窄632.8nm外腔半导体激光线宽的实验研究

窄线宽激光由于其具有单色性好、稳定度高、相干长度长等优点,广泛应用于光电检测领域,包括相干通信、精密测量、光学频率标准、吸收光谱计量以及光与物质相互作用研究等.目前频率稳定的氦氖激光器线宽可以达到M Hz量级,分布反馈式(DFB)光纤激光器线宽可达kHz量级,DFB半导体激光器线宽可以达到M Hz量级,然而光栅反馈半导...     

高功率半导体激光泵浦源研究进展

高功率半导体激光器是固体激光器和光纤激光器的主要泵浦源。激光泵浦源性能的大幅提升直接促进了固体激光器、光纤激光器等激光器的发展。主要介绍了8xx nm和9xx nm系列半导体激光泵浦源的最新研究进展,8xx nm单管输出功率已达18.8 W@95μm,巴条输出功率已达1.8 kW(QCW),9xx nm单管输出功率已达35 W@100μm,巴条输出功率已达1.98 kW(QCW)。谱宽<1 nm的窄谱宽半导体激光器输出功率可达14 W。展望了未来半导体激光器泵浦源的发展趋势。     

短波红外激光在光电侦察与反侦察中的应用

分析了磷化体半导体激光器、掺铒光纤激光器、掺铒固体激光器和基于光学参量振荡器的固体激光器等4种典型短波红外激光器的技术特点与现状,叙述了它们在光电主动侦察和反侦察中的应用。为了满足军用光电系统对激光设备的小型轻量化要求,如何提高半导体激光器、光纤激光器和掺铒固体激光器输出功率/能量,已经成为短波红外激光器发展的主流方向。指出基于光学参量振荡器的固体激光器在远距离选通观察、闪光成像雷达和激光损伤方面的优势依然非常明显,还应进一步提高激光输出能量和激光重复频率。     

808nm大功率半导体激光迭阵偏振耦合技术

随着半导体激光器在工业、军事、核能等领域的应用越来越多,单个迭阵输出的光功率密度已经不能满足实际的需求,这就需要将多个半导体激光迭阵的光束耦合成为一个共同的光束,以提高输出功率和亮度.所以采用怎样的光束耦合技术能实现高亮度、高质量的激光输出就成了一个关键性的问题.对于该技术的研究,国内还没有实验方面的报道.主要介绍了大功率半导体激光器偏振耦合原理、实验的技术路线,以及对808nm半导体激光迭阵进行耦合实验的结果及分析.对2个bar、功率为40W/bar的808nm连续半导体激光迭阵,实现偏振耦合的总效率超过90%,聚焦得直径为3mm光斑,输出功率达到134W,总体效率超过84%.对7个bar、峰值功率100W/ba、r占空比20%的808nm准连续半导体激光迭阵进行了偏振耦合,其效率达到67%,得到4.5mm×4.5mm的光斑.     

多调制延时耦合半导体激光器的混沌同步与编码

数值研究了非相干光反馈与非相干光注入半导体激光器的多调制延时混沌同步,由于该系统是基于非相干注入的,所以不需要接收激光器的频率与发送激光器频率完全匹配。通过对非相干光反馈半导体激光器输出自相关函数的研究,发现在多调制延时系统中,延时标识可以被隐藏,这一特性可以提高系统的安全性,非常适用于混沌保密通信系统。分别利用混沌移位键控(CSK)及混沌隐藏(CMS)编码方法考查了单向耦合和双向耦合系统的通信性能。     

激光混沌通信中半导体激光器接收机对高频信号的滤波特性

数值研究了基于半导体激光器的混沌通信系统中构成混沌同步的接收半导体激光器对高频信号的滤波特性.分析了闭环结构的接收机对不同频率、不同幅度的加载信号的提取能力.研究发现，混沌保密通信系统对传输信号的提取能力与信号的频率有关.当信号频率较低时，闭环结构的接收机对信号的滤波效果较好；当信号频率接近半导体激光器的弛豫振荡频率时，接收机的滤波效果较差.分析结果同时表明，混沌保密通信系统中接收机对传输信号的提取质量不仅与实现混沌同步的两激光器的同步质量有关，而且依赖于传输信号的幅度. 关键词： 混沌 混沌同步 半导体激光器 滤波     

Low-frequency fluctuation induced by injection-current modulation in semiconductor lasers with optical feedback

Low-frequency fluctuations in semiconductor lasers with optical feedback are investigated when high-frequency modulation is applied to an injection current. Synchronization of the laser output power with the modulation within +/-3 MHz centered at the frequency corresponding to the external cavity mode was observed. However, for modulation of the detuned frequency from the external cavity mode, low-frequency fluctuations were induced in the laser output power, and these fluctuations were observed within a range of modulation of approximately +/-100 MHz at the center frequency of the external cavity mode.     

干涉测量用半导体激光器驱动电源

设计了一种可调制的高稳定度半导体激光器驱动电路。该电路的直流稳定度高达1.5×10-5，输出电流在0～200mA内连续可调，长时间工作（12h以上）电流变化小于1μA；在直流基础上注入100kHz～300kHz的调制电流，其调制深度为0～100mA连续可调，可实现在激光干涉测量中对光波频率和光波强度的调制。将该电路驱动的光栅外腔半导体激光器和辅助温度控制电路应用于光干涉测量技术中，得到了功率稳定、波长单一的激光输出，解决了激光器的跳模现象，完成了对远距离微小振动（纳米量级）的测量。     

大幅度增加弛豫振荡频率来实现毫米级外腔半导体激光器的外腔机制转换

混沌外腔半导体激光器输出明显存在弛豫振荡特征,弛豫振荡频率小于外腔振荡频率时,外腔半导体激光器输出态是短腔机制;反之,外腔半导体激光器输出态是长腔机制.首先对比分析了弛豫振荡频率为5.6 GHz,腔长对频谱有效带宽的影响.然后同时调节注入电流和载流子寿命来大幅度地增加弛豫振荡频率.最后在弛豫振荡频率为40 GHz、腔长为毫米级(4—20 mm)时,实现由短腔机制到长腔机制的转换,进而分析了外腔反馈率和外腔长对外腔半导体激光器频谱带宽的影响.分析结果表明:短腔机制下,输出混沌态不稳定,0.1 mm的偏差就会导致混沌态与非混沌态之间的转化;长腔机制下,输出混沌态稳定,输出混沌区域较大,证明长腔机制下更有益于获得宽带连续的混沌区域.在弛豫振荡频率为40 GHz、外腔长度为毫米级时,实现了外腔半导体激光器的长腔机制,从而增大了高带宽混沌的参数空间.     

掩埋隧道结垂直面激光器速率方程参量提取

为了设计和优化高速激光二极管的高频特性,其速率方程模型参量的精确提取方法非常重要.本文针对新型长波长高带宽的掩埋隧道结垂直面激光器,给出一种速率方程模型参量提取方法.此方法是主要基于阈值电流、输出光功率、张弛振荡频率、阻尼因子和高偏置下增益压缩因子非线性效应等因素,根据已测量的不同偏置下芯片的小信号频率响应来拟合出方程中的张弛振荡频率和阻尼因子.通过考虑增益压缩因子,分别非线性拟合已提取的偏置光功率下的张弛振荡频率和阻尼因子,即可提取速率方程模型中的参量.