光反馈下双态量子点激光器的非线性动力学研究

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量子点激光器(Quantum dot lasers,QDLs)的有源区为零维结构的量子点,载流子被约束在几十个纳米尺度的半导体晶体中。由于载流子受到三维量子限制,QDLs展现出低阈值电流密度、低啁啾、高光束质量、在高温下稳定工作等优点,在光子集成、光通信、量子通信等领域拥有广阔的应用前景。QDLs分立的能级结构和有限的带内弛豫时间使得QDLs存在多种激射模式:基态(Ground state,GS)激射、激发态(Excited state,ES)激射及GS和ES同时激射(双态激射)。对于具备双态激射模式的QDLs我们称之为双态QDLs。与其他类型的QDLs相比,双态QDLs因其具有更低的强度噪声和更大的调制带宽,并能够同时产生双波段的信号而备受关注。目前针对双态QDLs的研究主要集中在外部扰动下的模式竞争、双稳、全光开关等特性,对于光反馈下双态QDLs非线性动力学态的分布和演化的相关研究还未见报道。本文基于载流子动力学对称的双态QDLs三能级理论模型,研究了光反馈作用下双态QDLs的非线性动力学特性,分析了反馈强度、相位偏移及线宽增强因子(Linewidth enhancement factor,LEF)等参数对GS与ES激射模式的非线性动力学特性的影响,并对这两种激射模式间的动力学行为的异同点进行了比较与分析。研究结果表明:在较大的偏置电流下,双态QDLs工作在GS和ES同时激射时,通过调节反馈强度或相位偏移量,两种激射模式都能展现出丰富的非线性动力学行为如稳态(S)、单周期态(P1)、倍周期态(P2)、多周期态(MP)以及混沌态(C)。但ES激射模式输出的振荡幅度均明显高于GS模式,并且ES的混沌频谱更为平坦光滑。同时还发现,单独改变反馈强度和单独改变相位偏移量时,两个激射模式进入混沌的演化路径存在差异。进一步研究反馈强度与相位偏移量构成的参数空间中GS与ES模式的动力学分布情况,发现GS与ES激射模式的非线性动力学状态分布基本一致,随着反馈强度的增加,两种模式混沌区域的面积逐渐扩大并且存在多种形式的进入混沌演化路径。此外,本文还分析了LEF对双态QDLs非线性动力学状态分布的影响,发现GS与ES激射模式的混沌区域面积随着LEF的增大而增加。
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