平行光注入垂直腔面发射激光器的偏振态双稳特性研究
发布时间：2020-11-05 18:24
半导体激光器(Semiconductor lasers,SLs)因其体积小、成本低和可靠性高等优势,在通信、科技、研究和生活等领域都占有极其重要的地位。SLs在受到外部光注入时会呈现单周期、倍周期、准周期和混沌振荡以及偏振转换和注入锁定等一系列非线性动力学现象,这些动力学特性在光生微波、光保密通信、混沌雷达、光信息处理等方面有着巨大的应用前景。垂直腔面发射激光器(Vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL)是一类发展较快的SL,具有阈值电流低、光纤耦合效率高、制作成本低廉以及易于集成高密度二维阵列等特点,且外部扰动下VCSEL发生的双稳现象在光学逻辑开关、光存储、光互连等领域具有重要的应用价值。研究表明,在系统可控参量沿不同路径变化时,平行光注入下的VCSEL会发生偏振态双稳(State bistability,SB)现象:即一种路径下VCSEL只呈现注入锁定(Injection locking,IL)或其他动力学行为的单独偏振模式状态,另一种路径下VCSEL发生偏振转换(Polarization switching,PS)呈现混合偏振模式状态。目前,已有学者分别在实验和理论方面报道了一些相应的研究成果,但可控参量对双稳环宽度的影响还没有被详细研究。本文利用理论和实验相结合的方式探索了平行光注入VCSEL的单模和混合模之间的SB现象。基于自旋反转模型对SB特性进行仿真分析,且注入光方向总是沿着自由运行VCSEL的激射偏振方向。一方面,在注入光频率小于激射偏振频率的情况下,沿不同路径变化注入强度(P_(inj))会导致VCSEL发生SB现象,即I类SB;进一步地,分析了频率失谐?ν(定义为注入光与自由运行VCSEL激射模式的频率差异)对双稳环的影响。对于不同的?ν,随着|?ν|5 GHz的增大,较小P_(inj)处双稳环(H2)的宽度没有较大的波动,而较大P_(inj)处双稳环(H1)的宽度呈现明显增大的趋势;此外,分析了逐渐增加P_(inj)的过程中自由运行VCSEL被抑制模式发生开关所需的最小P_(inj),即开关点,随?ν的变化。另一方面,理论仿真了II类SB,即给定注入强度P_(inj),沿不同路径变化?ν也会导致VCSEL呈现SB特性,并且两个双稳环也都发生在?ν0的条件下。随着P_(inj)的增大,较大|?ν|处双稳环(H4)的宽度呈现稳定的递增趋势,而较小|?ν|处双稳环(H3)的宽度突然地增大到一定的值然后开始小幅度的递减。在此基础上实验观测了平行光注入下VCSEL的I类SB现象。实验结果表明:除去注入光的激光器端面反射部分对自由运行VCSEL激射模式输出强度的影响,所观测到的I类SB的实验结果与理论仿真分析结果完全一致。
【学位单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN248.4
【部分图文】：
单异质结激光器的阈值电流密度约为 8000A/cm2，不同于同质结的是，降低了 1 2个数量级。不久，阿尔费罗夫等人就成功研制了双异质结构半导体激光器[10]。在双异质结半导体激光器的两侧激活区分别有两个异质结，图 1-1(c)就是其基本结构。阈值电流密度又一次降低了 1 2 个数量级，也是半导体激光器进入第三发展阶段的标志。自此以后，各种不同材料和结构的双异质结构半导体激光器不断涌现，并且其各种性能都有很大的提高，在各个领域的应用也不断成熟，促进了人类社会的发展。1.2.2 两类发射方式的半导体激光器一般的半导体激光器的结构都包括谐振腔、衬底、有源层，而谐振腔是器件的重要组成结构，通常用衬底材料的晶体作解里面以此形成光学谐振腔或使用光栅结构作为选择性谐振腔。随着结构的优化、制造技术和需求性能的提高，器件不同的结构都有不同的发射方式。按发射方式进行划分，有两种基本类型的半导体激光器：边发射激光器和面发射激光器[11]。
1977 年日本东京工业大学的伊贺健一(Kenichi Iga)提出 VCSEL 一直作为新一代光存储和光通信应用的核心器件，其在各个领域中获得了长足的进展。在其发展的过程中，VCSEL 的圆形对称光斑、易于二维集成、可调制性等依次被挖掘的独特优势和性能，使其更好的生活。典型的 VCSEL 结构是顶发射，结构示意图如图 1-4 所示 在市场中的需求日益多样化，国内外各大公司和研究机构不断优化 V及提高输出功率。在未来，VCSEL 将会为我们的生活提供更多的便导体激光器的相关应用信息化时代以来，半导体激光器作为半导体光电子技术的关键性器信息的载入、传输、处理、存储和互联等技术的发展有着巨大的贡献器在很多应用领域中都有涉猎，图 1-5 给出了器件在一些主要的应用波长、功率以及线宽范围。下面就讲述几个典型的应用领域[13-20]。 光纤通信。利用光纤传输携带信息的光波从而实现通信的目的，可图 1-4 面发射激光器的结构示意图[12]
硕士学位论文 第 2 章 VCSEL 的基本理论L 的三种基本特性。入锁定特性入锁定是一种特殊且稳定的动力学特性，它可以窄化光谱、增强频率啁啾[76-78]。最早提出的注入锁定的理论是关于经典振荡器981 年 Kobayashi 和 Kimura 报道了激光器注入锁定的第一个实验具有两个偏振模式的从激光器而言，注入锁定(即从激光器的偏激光器的频率处的现象)被用来传输，而且大量的研究使其传输从理论基础知识和半导体激光器的构造原理方向解释的话，光注和激光器偏振模式之间的模式竞争。系统中半导体激光器发生决于注入强度和频率失谐，分别为主激光器注入到从激光器中光器振荡频率与从激光器振荡频率之间的频率差。
【参考文献】
本文编号：2872016
【学位单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN248.4
【部分图文】：
单异质结激光器的阈值电流密度约为 8000A/cm2，不同于同质结的是，降低了 1 2个数量级。不久，阿尔费罗夫等人就成功研制了双异质结构半导体激光器[10]。在双异质结半导体激光器的两侧激活区分别有两个异质结，图 1-1(c)就是其基本结构。阈值电流密度又一次降低了 1 2 个数量级，也是半导体激光器进入第三发展阶段的标志。自此以后，各种不同材料和结构的双异质结构半导体激光器不断涌现，并且其各种性能都有很大的提高，在各个领域的应用也不断成熟，促进了人类社会的发展。1.2.2 两类发射方式的半导体激光器一般的半导体激光器的结构都包括谐振腔、衬底、有源层，而谐振腔是器件的重要组成结构，通常用衬底材料的晶体作解里面以此形成光学谐振腔或使用光栅结构作为选择性谐振腔。随着结构的优化、制造技术和需求性能的提高，器件不同的结构都有不同的发射方式。按发射方式进行划分，有两种基本类型的半导体激光器：边发射激光器和面发射激光器[11]。
1977 年日本东京工业大学的伊贺健一(Kenichi Iga)提出 VCSEL 一直作为新一代光存储和光通信应用的核心器件，其在各个领域中获得了长足的进展。在其发展的过程中，VCSEL 的圆形对称光斑、易于二维集成、可调制性等依次被挖掘的独特优势和性能，使其更好的生活。典型的 VCSEL 结构是顶发射，结构示意图如图 1-4 所示 在市场中的需求日益多样化，国内外各大公司和研究机构不断优化 V及提高输出功率。在未来，VCSEL 将会为我们的生活提供更多的便导体激光器的相关应用信息化时代以来，半导体激光器作为半导体光电子技术的关键性器信息的载入、传输、处理、存储和互联等技术的发展有着巨大的贡献器在很多应用领域中都有涉猎，图 1-5 给出了器件在一些主要的应用波长、功率以及线宽范围。下面就讲述几个典型的应用领域[13-20]。 光纤通信。利用光纤传输携带信息的光波从而实现通信的目的，可图 1-4 面发射激光器的结构示意图[12]
硕士学位论文 第 2 章 VCSEL 的基本理论L 的三种基本特性。入锁定特性入锁定是一种特殊且稳定的动力学特性，它可以窄化光谱、增强频率啁啾[76-78]。最早提出的注入锁定的理论是关于经典振荡器981 年 Kobayashi 和 Kimura 报道了激光器注入锁定的第一个实验具有两个偏振模式的从激光器而言，注入锁定(即从激光器的偏激光器的频率处的现象)被用来传输，而且大量的研究使其传输从理论基础知识和半导体激光器的构造原理方向解释的话，光注和激光器偏振模式之间的模式竞争。系统中半导体激光器发生决于注入强度和频率失谐，分别为主激光器注入到从激光器中光器振荡频率与从激光器振荡频率之间的频率差。
【参考文献】
相关期刊论文 前4条
1 李明月;何君;;国外军用大功率半导体激光器的发展现状[J];半导体技术;2015年05期
2 李艳华;胡黎明;;半导体激光器在医疗领域的新应用与进展[J];光机电信息;2010年07期
3 王德,李学千;半导体激光器的最新进展及其应用现状[J];光学精密工程;2001年03期
4 李学千;半导体激光器的最新进展及其应用[J];长春光学精密机械学院学报;1997年04期
本文编号：2872016
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