光注入与光电正反馈共同作用下VCSELs的动力学特性研究

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单个外部扰动下半导体激光器系统呈现的不同的非线性动力学状态由于在混沌保密通信、激光雷达以及微波光子学等领域中具有广泛的应用价值而受到人们的关注,相关的研究结果已有大量的报道。而包含多个扰动的系统由于具有比单一扰动系统更好的可调控能力、以及能实现采用一些单一扰动时无法实现的特殊应用需求,正逐渐成为业界的研究热点。目前,对多个外部扰动下半导体激光器动力学行为的研究大多局限于常规的边发射半导体激光器(EELs),而针对近年来蓬勃发展的垂直腔表面发射激光器(VCSELs),这方面的研究还非常缺乏.由于VCSELs具有低阈值电流、大的调制带宽、容易与光纤耦合、易集成形成激光阵列、制作成本低廉等优势,将成为光通信、光信号处理、传感等领域的关键器件,因此研究VCSELs在多个扰动下的非线性动力学特性具有非常重要的意义。本文基于VCSELs的自旋反转模型(SFM),数值分析了在光注入与光电正反馈共同作用下VCSELs的非线性动力学特性以及各动力学态的演化,并讨论VCSELs处于混沌输出时,注入强度与反馈强度对混沌带宽的影响。研究结果表明:一个受到主VCSEL (M-VCSEL)光注入的副VCSEL (S-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Δv (=vm-vs, vm、vs分别为主、副VCSEL自由运行时的振荡频率)的变化而发生改变。当频率失谐△v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S-VCSEL在更大的参数范围内能实现混沌输出;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S-VCSEL混沌输出带宽得到显著增加。
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