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

1、近年來(lái)，混沌激光已被廣泛應(yīng)用于保密通信、高速隨機(jī)數(shù)生成、混沌激光雷達(dá)、混沌光時(shí)域反射儀、光纖傳感和測(cè)距等方面，同時(shí)這些應(yīng)用正逐步向?qū)嵱没褪袌?chǎng)化邁進(jìn)。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(diǎn)。結(jié)合混沌應(yīng)用和集成芯片的優(yōu)勢(shì)，光子集成的混沌半導(dǎo)體激光器應(yīng)運(yùn)而生，它將是混沌應(yīng)用實(shí)用化和市場(chǎng)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(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(zhǎng)度下可以縮短反饋延遲時(shí)間。內(nèi)外參數(shù)對(duì)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(qiáng)因子較大且其他參數(shù)合適的半導(dǎo)體激光器芯片來(lái)生成高帶寬混沌；二是外部參數(shù)：選擇腔長(zhǎng)較短的半導(dǎo)體激光器芯片來(lái)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(duì)比，該集成具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shì)。接著測(cè)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(duì)這種外腔半導(dǎo)體激光器模塊動(dòng)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(shí)，此種結(jié)構(gòu)的輸出光經(jīng)歷從穩(wěn)定狀態(tài)、準(zhǔn)

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(shí)，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(dá)70 GHz，接著分析了這種高帶寬混沌生成的機(jī)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(duì)外腔半導(dǎo)體激光器馳豫振蕩頻率的影響，進(jìn)而分析了馳豫振蕩頻率對(duì)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(huì)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(fù)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(huì)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(shí)延對(duì)外腔振蕩頻率的影響和外腔腔長(zhǎng)及反饋功率比對(duì)頻譜帶寬的影響。分析結(jié)果表明：

6、頻譜帶寬對(duì)短腔機(jī)制下外腔半導(dǎo)體激光器的腔長(zhǎng)變化極其敏感，0.1毫米的偏差就會(huì)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(jí)別的外腔半導(dǎo)體激光器的馳豫振蕩來(lái)掩蓋反饋的時(shí)延特征，并分析了時(shí)延對(duì)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(duì)外腔半導(dǎo)體激光器時(shí)延特征的影響規(guī)律。接著討論了單倍時(shí)延峰和多倍時(shí)延峰的相對(duì)大小，找到了兩種抑制時(shí)延特征值的情形。當(dāng)外腔反饋時(shí)延是弛豫振蕩時(shí)間的整數(shù)倍時(shí)，一般情況下單倍時(shí)延峰大

7、于多倍時(shí)延峰，但是在一定條件下存在兩倍時(shí)延值反而大于時(shí)延特征值的情形。
　　6、毫米級(jí)別的外腔半導(dǎo)體激光器對(duì)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(jī)制下，輸出混沌態(tài)不穩(wěn)定，0.1毫米的偏差就會(huì)導(dǎo)致混沌態(tài)與非混沌態(tài)之間的轉(zhuǎn)化；長(zhǎng)腔機(jī)制下，輸出混沌態(tài)穩(wěn)定，輸出混沌區(qū)域較大，證明長(zhǎng)腔機(jī)制下更有益于獲得寬帶連續(xù)的混沌區(qū)域。針對(duì)這一特性，本文同時(shí)調(diào)節(jié)注入電流和載流子壽命來(lái)大幅度的增加弛豫振蕩頻率，從而在腔長(zhǎng)為毫米級(jí)時(shí)實(shí)現(xiàn)由短腔機(jī)制到