面向蝶形封装的混沌外腔半导体激光器的设计及动态特性

发布时间：2017-12-17 04:24

  本文关键词：面向蝶形封装的混沌外腔半导体激光器的设计及动态特性

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【摘要】：近年来,混沌激光已被广泛应用于保密通信、高速随机数生成、混沌激光雷达、混沌光时域反射仪、光纤传感和测距等方面,同时这些应用正逐步向实用化和市场化迈进。与离散器件构成的装置不同,集成芯片具有尺寸较小、功耗较低、稳定性较好和适用于大批量生产等优点。结合混沌应用和集成芯片的优势,光子集成的混沌半导体激光器应运而生,它将是混沌应用实用化和市场化的关键所在。减小集成成本和降低集成工艺复杂度,本文在现有蝶形封装基础上进行改进,设计了一种新型的面向蝶形封装的混沌外腔半导体激光器。其效果是,不需要集成的放大区和相位区,因而极大简化集成工艺并降低集成成本。此外,由于反馈光路以空气为主,在同等长度下可以缩短反馈延迟时间。内外参数对混沌影响极大,需要选择合适的参数。一是内部参数:选择载流子寿命较小、线宽增强因子较大且其他参数合适的半导体激光器芯片来生成高带宽混沌;二是外部参数:选择腔长较短的半导体激光器芯片来生成高带宽混沌。参数选择的目的是提高频谱的特征频率(即外腔振荡频率和弛豫振荡频率),从而提高频谱带宽。参数选择的目的是提高频谱的特征频率(即外腔振荡频率和弛豫振荡频率),从而提高频谱带宽。与其他集成结构的对比,该集成具有结构简单、成本较低、特征频率较大且具有生成超高带宽混沌的潜力等优势。接着测试了一组半导体激光器的参数,并在理论上研究了反馈率、注入电流和载流子寿命对这种外腔半导体激光器模块动态特性的影响。本文数值仿真结果如下:1、调节反馈率或者增加注入电流时,此种结构的输出光经历从稳定状态、准周期、混沌状态再到稳定状态的周期演化。2、增大注入电流比或者减小载流子寿命时,外腔激光器的驰豫振荡频率越大,更容易生成高维高带宽混沌,有效带宽高达70ghz,接着分析了这种高带宽混沌生成的机理,提供了高带宽混沌生成的新思路。3、分析了载流子寿命和注入电流比对外腔半导体激光器驰豫振荡频率的影响,进而分析了驰豫振荡频率对频谱有效带宽的影响。分析结果表明:随着载流子寿命的增加,外腔半导体激光器的驰豫振荡频率和相应的频谱带宽都会同方向的减小,即载流子寿命与驰豫振荡频率和相应的频谱带宽近似成线性负相关;随着注入电流比的增大,外腔半导体激光器的驰豫振荡频率和相应的频谱带宽值都会同方向的增大,即注入电流比与驰豫振荡频率和相应的频谱带宽近似成线性正相关;随着驰豫振荡频率增加,外腔半导体激光器的频谱带宽近似成线性的增大,即驰豫振荡频率和频谱带宽成线性正相关。4、分析了反馈时延对外腔振荡频率的影响和外腔腔长及反馈功率比对频谱带宽的影响。分析结果表明:频谱带宽对短腔机制下外腔半导体激光器的腔长变化极其敏感,0.1毫米的偏差就会导致混沌态与非混沌态之间的转化。5、利用毫米级别的外腔半导体激光器的驰豫振荡来掩盖反馈的时延特征,并分析了时延对外腔振荡频率的影响。分析了外腔反馈功率比、注入电流比和载流子寿命对外腔半导体激光器时延特征的影响规律。接着讨论了单倍时延峰和多倍时延峰的相对大小,找到了两种抑制时延特征值的情形。当外腔反馈时延是弛豫振荡时间的整数倍时,一般情况下单倍时延峰大于多倍时延峰,但是在一定条件下存在两倍时延值反而大于时延特征值的情形。6、毫米级别的外腔半导体激光器对激光器内部参数和外部参数的变化都极其敏感。短腔机制下,输出混沌态不稳定,0.1毫米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。针对这一特性,本文同时调节注入电流和载流子寿命来大幅度的增加弛豫振荡频率,从而在腔长为毫米级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。结果表明:并在外腔长度为毫米级(4 mm-20 mm)时输出了外腔半导体激光器的长腔机制,从而增大混沌带宽连续的参数空间区域。考虑到集成材料的折射率,集成长腔机制下的腔长最小可以达到1mm-2 mm。这种腔长完全符合蝶形封装尺寸的要求。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN248.4

【参考文献】

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1 邹琳;冯野;杨毅彪;王安帮;杨玲珍;张建忠;;High-speed chaotic communication using an optical fibre ring as a key[J];Chinese Physics B;2011年09期

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本文编号：1298733