面向蝶形封裝的混沌外腔半導(dǎo)體激光器的設(shè)計及動態(tài)特性.pdf

1、近年來，混沌激光已被廣泛應(yīng)用于保密通信、高速隨機數(shù)生成、混沌激光雷達、混沌光時域反射儀、光纖傳感和測距等方面，同時這些應(yīng)用正逐步向?qū)嵱没褪袌龌~進。與離散器件構(gòu)成的裝置不同，集成芯片具有尺寸較小、功耗較低、穩(wěn)定性較好和適用于大批量生產(chǎn)等優(yōu)點。結(jié)合混沌應(yīng)用和集成芯片的優(yōu)勢，光子集成的混沌半導(dǎo)體激光器應(yīng)運而生，它將是混沌應(yīng)用實用化和市場化的關(guān)鍵所在。
　　減小集成成本和降低集成工藝復(fù)雜度，本文在現(xiàn)有蝶形封裝基礎(chǔ)上進行改進，設(shè)計了一種

2、新型的面向蝶形封裝的混沌外腔半導(dǎo)體激光器。其效果是，不需要集成的放大區(qū)和相位區(qū)，因而極大簡化集成工藝并降低集成成本。此外，由于反饋光路以空氣為主，在同等長度下可以縮短反饋延遲時間。內(nèi)外參數(shù)對混沌影響極大，需要選擇合適的參數(shù)。一是內(nèi)部參數(shù)：選擇載流子壽命較小、線寬增強因子較大且其他參數(shù)合適的半導(dǎo)體激光器芯片來生成高帶寬混沌；二是外部參數(shù)：選擇腔長較短的半導(dǎo)體激光器芯片來生成高帶寬混沌。參數(shù)選擇的目的是提高頻譜的特征頻率（即外腔振蕩頻率和弛

3、豫振蕩頻率），從而提高頻譜帶寬。參數(shù)選擇的目的是提高頻譜的特征頻率（即外腔振蕩頻率和弛豫振蕩頻率），從而提高頻譜帶寬。與其他集成結(jié)構(gòu)的對比，該集成具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、特征頻率較大且具有生成超高帶寬混沌的潛力等優(yōu)勢。接著測試了一組半導(dǎo)體激光器的參數(shù)，并在理論上研究了反饋率、注入電流和載流子壽命對這種外腔半導(dǎo)體激光器模塊動態(tài)特性的影響。本文數(shù)值仿真結(jié)果如下：
　　1、調(diào)節(jié)反饋率或者增加注入電流時，此種結(jié)構(gòu)的輸出光經(jīng)歷從穩(wěn)定狀態(tài)、準

4、周期、混沌狀態(tài)再到穩(wěn)定狀態(tài)的周期演化。
　　2、增大注入電流比或者減小載流子壽命時，外腔激光器的馳豫振蕩頻率越大，更容易生成高維高帶寬混沌，有效帶寬高達70 GHz，接著分析了這種高帶寬混沌生成的機理，提供了高帶寬混沌生成的新思路。
　　3、分析了載流子壽命和注入電流比對外腔半導(dǎo)體激光器馳豫振蕩頻率的影響，進而分析了馳豫振蕩頻率對頻譜有效帶寬的影響。分析結(jié)果表明：隨著載流子壽命的增加，外腔半導(dǎo)體激光器的馳豫振蕩頻率和相應(yīng)的頻

5、譜帶寬都會同方向的減小，即載流子壽命與馳豫振蕩頻率和相應(yīng)的頻譜帶寬近似成線性負相關(guān)；隨著注入電流比的增大，外腔半導(dǎo)體激光器的馳豫振蕩頻率和相應(yīng)的頻譜帶寬值都會同方向的增大，即注入電流比與馳豫振蕩頻率和相應(yīng)的頻譜帶寬近似成線性正相關(guān)；隨著馳豫振蕩頻率增加，外腔半導(dǎo)體激光器的頻譜帶寬近似成線性的增大，即馳豫振蕩頻率和頻譜帶寬成線性正相關(guān)。
　　4、分析了反饋時延對外腔振蕩頻率的影響和外腔腔長及反饋功率比對頻譜帶寬的影響。分析結(jié)果表明：

6、頻譜帶寬對短腔機制下外腔半導(dǎo)體激光器的腔長變化極其敏感，0.1毫米的偏差就會導(dǎo)致混沌態(tài)與非混沌態(tài)之間的轉(zhuǎn)化。
　　5、利用毫米級別的外腔半導(dǎo)體激光器的馳豫振蕩來掩蓋反饋的時延特征，并分析了時延對外腔振蕩頻率的影響。分析了外腔反饋功率比、注入電流比和載流子壽命對外腔半導(dǎo)體激光器時延特征的影響規(guī)律。接著討論了單倍時延峰和多倍時延峰的相對大小，找到了兩種抑制時延特征值的情形。當(dāng)外腔反饋時延是弛豫振蕩時間的整數(shù)倍時，一般情況下單倍時延峰大

7、于多倍時延峰，但是在一定條件下存在兩倍時延值反而大于時延特征值的情形。
　　6、毫米級別的外腔半導(dǎo)體激光器對激光器內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)的變化都極其敏感。短腔機制下，輸出混沌態(tài)不穩(wěn)定，0.1毫米的偏差就會導(dǎo)致混沌態(tài)與非混沌態(tài)之間的轉(zhuǎn)化；長腔機制下，輸出混沌態(tài)穩(wěn)定，輸出混沌區(qū)域較大，證明長腔機制下更有益于獲得寬帶連續(xù)的混沌區(qū)域。針對這一特性，本文同時調(diào)節(jié)注入電流和載流子壽命來大幅度的增加弛豫振蕩頻率，從而在腔長為毫米級時實現(xiàn)由短腔機制到