基于外部扰动下半导体激光器的非线性动力学获取微波及微波频率梳研究

发布时间：2020-05-19 05:53

【摘要】：微波信号及微波频率梳(Microwave frequency comb,MFC)信号在通信、军事、医疗、信息等领域发挥着重要作用。由于传统电学方法主要是利用二极管、晶体三极管等电子器件的非线性效应来产生微波信号及MFC信号,但受所用电子器件的带宽限制,基于电学方法很难获得高频的毫米波和宽带的MFC。同时,通过电学方法产生的毫米波信号及MFC信号还面临频率不稳定、幅频特性差、相位噪声大等问题。针对上述电子“瓶颈”,光子学方法以其高速率、大带宽、低损耗、抗电磁干扰等特性展现出了极大的优势,因而,探索基于光学的手段和方法产生高频纯净毫米波信号以及宽带优质MFC信号无论从学术层面还是从应用层面均具有重要意义。由于半导体激光器(Semiconductor laser,SL)具有体积小、重量轻、成本低、可集成、可直接高速调制等自身独特的优势,在光注入、光反馈、光电反馈等外部扰动下能够输出单周期、多周期、混沌、频率锁定、规则脉冲、混沌脉冲等丰富的动力学状态,这些复杂的动力学状态在光生微波、光混沌保密通信、卫星通信、雷达系统、高速物理随机数产生以及MFC获取等诸多领域具有重要应用。基于此,本论文将围绕SL的非线性动态以及基于SL的高频毫米波和宽带MFC生成技术为选题,探索新颖的高频低噪单频微波信号和宽带优质MFC信号的产生方法。主要工作及研究结果如下:1.实验研究了双光注入SL的非线性动态特性及其演化规律。基于双光注入SL的实验系统,分析了注入强度及频率失谐对激光器输出不同复杂动力学态的影响;讨论了不同频率失谐组合下,双光注入SL呈现的不同动态类型。结果表明:在三种不同的频率失谐组合下,双光注入SL均存在A、B、C三种动态类型,且每种类型又包括一些典型的非线性动力学状态。再者,A、B、C三种动态类型与两个注入光的强度ξ_1和ξ_2密切相关。当注入强度ξ_1和ξ_2均较小时,双光注入SL呈现C类型动态;当其中一个注入强度增加时,双光注入SL呈现B类型动态;当注入强度ξ_1和ξ_2均较大时,双光注入SL一般呈现A类型动态。此外,通过对双光注入SL输出的动态类型在由ξ_1和ξ_2构成的参数空间的分布图进行分析,我们发现:两个注入光之间的竞争和平衡共同决定双光注入SL的动力学行为及动态类型,并且双光注入SL一般历经B类型到A类型、最后到AB类型的动态演变趋势。2.提出并实验验证了一种基于SL的高频纯净60 GHz带毫米波信号的产生方案。首先,基于光注入及电流调制SL的实验系统,探索了低阶的1/3和1/4次谐波微波锁定技术。研究结果表明:对于光注入SL单周期振荡产生的微波信号,通过引入频率约为微波信号频率的1/3和1/4的次谐波信号弱调制光注入下的SL,可使单频微波信号的线宽及相噪得到明显降低。同时,当改变调制功率P_m或调制频率f_m时,微波信号将历经失锁—锁定—失锁的变化过程,且存在一定的P_m或f_m可调区间,在该区间内微波信号能被有效锁定。基于上述低阶的次谐波锁定技术,进一步探索了高阶的次谐波锁定技术,并对采用1/4和1/9次谐波锁定技术获取高频纯净60 GHz带毫米波信号进行了研究。实验结果表明:对于基频f_0为49.43 GHz(45.02 GHz)的单频微波信号,在采用1/4(1/9)次谐波调制以后,一个频率高达61.28 GHz(65.07 GHz)、相噪低于-96dBc/Hz(-98 dBc/Hz)的优质毫米波信号被获取。同时,对于1/4和1/9次谐波调制,通过改变调制频率f_m并匹配相应的调制功率P_m,可以在实验上获得频率在一定范围内连续可调的高频低噪60 GHz带毫米波信号。3.提出并实验验证了一种基于SL的可调谐超宽带MFC的产生方案。对比了直接调制SL输出的种子MFC以及光注入到直接调制SL以后优化输出的最终MFC的性能;研究了注入功率P_i、调制频率f_m、调制功率P_m变化对MFC的性能影响。研究结果表明:对于直接调制SL输出的种子MFC,当引入外部光注入以后,从光注入直接调制SL输出的最终MFC的性能将明显提升,MFC的带宽将显著增加,相位噪声将明显减少。再者,通过研究不同注入功率P_i、调制频率f_m、调制功率P_m对MFC带宽的影响,结果发现:MFC带宽随P_i、f_m、P_m改变而发生变化,同时在适当且相互匹配的上述参数取值下,我们可以获得可调谐超宽带MFC信号。4.提出并实验验证了一种基于SL的宽带均衡MFC的产生方案。基于光脉冲注入SL的实验系统,分析了直接调制SL1脉冲振荡产生的种子MFC以及将光脉冲进一步注入到另外一个SL2输出的最终MFC的性能;绘制了最终MFC的带宽随注入功率P_i及调制频率f_m变化的曲线。实验结果表明:对于直接调制SL1输出的功率不均衡且带宽仅为14.4 GHz的种子MFC,进一步将该种子MFC注入到另外一个激光器SL2以后,能够从光脉冲注入SL2输出功率均衡且带宽高达33.6 GHz的最终MFC,同时所获最终MFC具有纯净的谱线特性和较低的相位噪声。再者,我们也讨论了最终MFC的带宽随注入功率P_i及调制频率f_m变化的趋势。结果表明:随着注入功率P_i增加,最终MFC的带宽呈现先增加后减少的变化趋势,且在一定的注入功率范围内,能够获得功率均衡、带宽超过30.0 GHz的最终MFC。此外,所获MFC的梳距也具有广泛的可调谐性。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN248.4

【参考文献】