（通信与信息系统专业论文）垂直腔面发射激光器外光反馈非线性动态特性的研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第l 页 摘要 垂直腔面发射激光器( v c s e l s ) 具有体积小、阈值低、功耗小、单纵模、 与光纤耦合效率高以及易形成高密度二维阵列等优点，在光通信、光互连、光 存储和光传感等领域有广阔的应用前景，相关研究是近期光电子领域的热点 然两在v c s e l a 实琢应用中普遍存在外光反馈阚题，微量反馈便可使其出现复 杂非线性现象，对系统性能造成极大影响对该问题的研究有助于深入揭示此 类激光器在外部扰动下特殊的物理和光学特性，为激光器和通信系统性能优化 提供理论指导本文研究目的在于；通过考虑v c s e l a 结构特点和外光反馈的 影响。深入剖析外部反馈下v c s e l s 呈现的各类静态和动态特性，探究这些复 杂现象的外在表现形式和内在物理成因，并探寻相应的控制措施研究内容包 括v c s e l s 多横模特性、单模和多横模v c s e l 8 外光反馈特性、注入和互注入 非线性效应、外腔v c s e l s 混沌同步及其在混沌光通信领域的应用等热点问题 处理方法上，主要借助s i m u l i n k 开发可视化且易于拓展的动态仿真模型， 并结合特殊的控制和处理程序进行分析；针对弱折射率导引v c s e l s ，利用光 波导理论得到横模空间分布函数，并借助计算机绘图得至4 横模传播常数和空间 分布特征：对v c s e l s 多横模相关闯题则分别采用二维有限差分法和有源区积 分消元法进行处理这些方法具有高效和拓展性强等优点，可广泛用于光电子 领域的研究 主要研究结论： 对v c s e l s 多横模特性研究表明：窄 宽) 的盘型或靠近有源区中心( 边 缘) 的环型电流注入利于低( 高) 阶横模激射；模式强度空问不均性导致载流 子在径向和角向呈不均匀分雍。弓l 发空闻烧孔( s r b ) 效应；载流子扩散会削 弱s f i b 效应；盘型注入下偏置电流增加或注入电流扩散会降低器件单模特性。 首次对单模和多横模v c s e l a 外光反馈特性做了详细探讨除得到短外腔 下静态特性和长外腔下的分岔和混沌振荡等典型非线性特性外，发现可通过调 控自发辐射因子等内部参数或引入外光注入或外光电反馈来抑制反馈所致非线 性行为考虑多横模反馈时，各模在常规反馈下呈相同动力学特征，且模问竞 争会引发反相交化；模式或极化选择反馈下，虽只有一个模式矗接受影确，其 余模式仍呈类似非线性特性，并可利用该系统实现极化或模式选择 在单向注入和互注入系统中同样存在分岔和混沌等典型非线性现象。两类 系统中，频率失谐均会增加系统复杂度，互注入情形，该参量还将导致系统输 出对应频率的周期振荡。首次分析了多横模v c s e l a 在常规和模式选择性注入 下的非线性和模式锁定行为。对于常规注入，各模均呈前述典型动力学特征， 并在强注入下簸对应模式镄定：选择性注入时，仅与注入光具有相同或平行极 化方向的模式呈现上述行为，与之正交的模式则在竞争中被抑制。 第1 i 页西南交通大学博士研究生学位论文 外腔v c s e l s 混沌同步系统中存在全同步和普通注入锁模同步，激光器自 发辐射噪声对全同步影响极大( 表现为系统相关度的急剧下降和同步误差的急 速增加) 。对普通同步的影响则可以忽略。首次分析了常规注入和模式选择性注 入下多横模v c s e i s 混沌同步特性结果表明。常规注入下，两端激光器对应 模式及总功率问可实现高质量同步；选择性注入下，仅直接受注入光泵浦的模 式才能与对应注入模同步，其余则受到极大抑制，相关度低。 对外腔v c s e l s 混沌通信系统研究表明，混沌调制( c m ) 、混沌隐藏( c m s ) 和混沌键控( c s k ) 三种调制方式下发射端发送的数字或模拟信号在系统达到 混沌同步后均可在接收端得以正确恢复，与实验报道吻合首次得出：由于注 入锁模同步对参数失配过度容忍，基于该类同步的混沌通信系统安全性有待提 高；外部光组件引起的附加光反馈可导致有用信息完全暴露子载波之外，使系 统安全性大为降低；可通过减小强注入引起的收发两端混沌信号强度差来提高 系统解码性能；可在系统中实现类似频分复用的多路信号混沌传输；级联混沌 通信系统可实现全同步、普通同步和混合型同步，发送端所传信息在中间激光 器和从激光器中均可得到正确解调。系统具备中继特性 关键词：光通信；垂直腔面发射激光器( v c s e l s ) ：混沌光通信；外光反馈 西南交通大学博士研究生学位论文第1ii 页 a b s tr a c t v e r t i c a l - c a v i t ys u r f a c e - e m i t t i n gl a s e r s ( v c s e i s ) a r ep r o m i s i n gf o ra p p l i c a t i o n s i no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n , o p t i c a li n t e r c o n n e c t , o p t i c a ls t o r a g e ，o p t i c a ls e n s i n g , a n d o t h e rf i e l d sb e c a u s eo ft h e i ru s e f u lc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha ss m a l lv o l u m e , l o w t h r e s h o l dc u r r e n t , l o wp o w e rc o n s u m p t i o n , s i n g l e - l o n g i t u d l n a l - m o d e , e f f e c t i v e c o u p l i n gw i t h 石b t 瓦a n de a s yt of o r mh i g hd e n s i t yt w o - d i m e n s i o n a la r r a y t h e r e s e a r c h e sa b o u tv c s e l ah a v ea l r e a d yb e c o m et h eh o t s p o to ft h eo p t o e l e c t r o n k f i e l d h o w e v e r , i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n so fv c s e l s , e x t e r n a lo p t i c a lf e e d b a c k o ! o f b lp h e n o m e n o ni so f t e ne n c o u n t e r e da n de v e nt i n yf e e d b a c k 啪l e a dt h el a s e r 幻e x h i b i tr i c hn o l d i n e a rd y n a m i 璐，w h i c hg r e a t l yi n f l u e n c et h es y s t e mp e r f o r m a n c e t h e s t u d yo ne o f bp h e n o m e n o no fv c s e l si sb e n e f i c i a lt od e e p l yr e v e a l i n gt h e s p e c i a l l yp h y s i c a la n do p t i c a lc h a r a c t e r i s t i c ss h o w nb yt h i sk i n do fl a s e r sw i 也 e x t e r n a lp e r t u r b a t i o na n dp r o v i d i n gt h e o r e t i c a li n s t r u c t i o n sf o rt h eo p t i m i z a t i o no f v c s e l sa n do p t i m a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h ep u r p o s e so ft h i st h e s i sa r et o d e e p l yi n v e s t i g a t ee o f b - i n d u c e dp r o f o u n ds t a t i ca n dd y n a m i cb e h a v i o r so fv c s e l s b yt a k i n ga c c o u n to ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fv c s e l sa n dt h ee f f e c t so fe o f b t o e x p l o r et h ee x t e r i o re x h i b i t i o n s a tw e l la st h ei n t r i n s i cp h y s i c a lo r i g i n so ft h e s e b e h a v i o r s , a n dt os e e kt h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o l l i n gm e t h o d s m yr e s e a r c hi n c l u d e s f o l l o w i n gi m p o r t a n ti s s u e s ：m u l t i - t r a l l s v e g s e - m o d eb e h a v i o r so fv c s e l s , f e e d b a c k - i n d u c e ds t a t i ca n dd y n a m i cb e h a v i o r si ns i n # e - m o d ea n dm u l t i t r a n s v e r s e - m o d e v c s e l s d y n a m i c so fu n i d i r e c t i o n a l l ya n dm u t u a l l yi n j e c t e dv c s e l s , c h a o s s y n c h r o n i z a t i o no fe x t e r n a l - c a v i t yv c s e l sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n st oc h a o t i co p t i c ! c o m m u n i c a t i o n s i nt h ea s p e c to fr e s e a r c h i n gm e t h o d , s o m ev i s u a la n de a s y - e x t e n s i b l es i m u l a t i o n m o d e l sa r ee s t a b l i s h e db yu s i n gs i m u l i n ks o f t w a r ea n dt h er e s e a r c hi st h e nd o n eb y d i n to ft h e s em o d e l st o g e t h e rw i t ho t h e rs p e d a lc o n t r o l l i n ga n dh a n d l i n gp r o g r a m s ； f o rw e a k l y i n d e xg u i d e dv c s e l s ，t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o nf u n c t i o n so ft r a n s v e r s e m o d e sh e l db yt h i st y p eo fl a s e ra r eo b t a i n e db ye m p l o y i n go p t i c a lw a v e g u i d et h e o r y , a n dt h ep r o p a g a t i o nc o n s t a n t sa sw e l l 鹞t h es p e c i f i cs p a t i a ld i s t r i b u t i o n sa l eo b t a i n e d i nv i r t u eo ft h ec u r v e sp l o t t e db yc o m p u t e ra c c o r d i n gt ot h ee i g e n v a l u ee q u a t i o n s ；f o r m u l t i t r a n s v e r s e - m o d ev c s e l 5 t w o - d i m e n s i o n a lf i n i t e - d i f f e r e n c e - d i v i s i o nm e t h o d a n di n t e g r a t i o ns i m p l i f i c a t i o nm e t h o da r eu s e d ，r e s p e c t i v e l y t h e s em e t h o d sa r e e f f i c i e n ta n de a s y e x t e n s i b l ea n dc a l lb ew i d e l ya p p l i e dt oo p t o e l e c t r o n i cr e s e a r c h e s t h e s t u d yo nm u l t i - t r a n s v e r s e m o d eb e h a v i o r so fv c s e i 上s h o w s t h a tan a r r o w ( b r o a d ) d i s cc o n t a c to rac e n t e r - v i c i n i t y ( e d g e v i c i n i t y ) r i n gc o n t a c ti sf a v o r a b l ef o r 第l v 页西南交通大学博士研究生学位论文 e x c i t a t i o no fl o w - o r d e r ( h i g h - o r d e r ) t 1 1 m s v e r s cm o d e s t h es p a t i a lu n u n i f o r m i t yo f m o d a li n t e n s i t yi e a d st h e l t i e rt oe x h i b i ts i m i l a rn o n u n i f o r md i s t r i b u t i o na n dr e s u l t i ns p a t i a lh o l eb u r n i n g ( s h b ) e f f e c t s , w h i c ha r es e e nt ob es u p p r e s s e db yc a r r i e r d i f f u s i o n f o rd i s cc o n t a c t , i ta l s os h o w st h a tv c s e l sh a v eb e t t e rs i n g l e m o d e p e r f o r m a n c e sf o ral o w e ri n j e c t i o nc u r r e n to rac u r r e n tw i t hw e a k e rd i f f u s i o n 1 r i 嶂f e e d b a c kc h a r a c t e r i s t i c so fs i n g l e a n dm u l t i m o d ev c s e i sa r cs t u d i c di n d e t a i l b e s i d e st h es t a t i cb e h a v i o r su n d e rs h o r te x t e r n a lc a v i t i e sa n dt h et y p i c a l n o n l i n e a rd y n a m i c ss u c ha sb i f u r c a t i o na n dc h a o su n d e rl o n ge x t e r n a lc a v i t i e s , i ti s a l s ob r o u g h tf o r w a r da n dv e r i f i e dt h a te o f b - i n d u c e dn o n l i n e a rd y n a m i c si n v c s e i _ s 啪b es u p p r e s s e de f f e c t i v e l yb ya d j u s t i n gs o m ed e v i c ep a r a m e t e r s ( s u c ha s t h es p o n t a n e o u se m i s s i o n f a c t o o o r i n t r o d u c i n g c o n t r o l l a b l ee x t e r n a lo p t i c a t i n j e c t i o no re x t e r n a lo p t o e l e c t t o n i cf e e d b a c k f o re o f b - d r i v e om u l t i m o d ev c s e k a l lm o d e ss h o wi d e n t i c a ld y n a m i c su n d e rc o n v e n t i o n a lf e e d b a c k ；m o r e o v e r , a n t i p h a s ev a r i a t i o n si n d u c e db ym o d ec o m p e t i t i o ni so b s e r v e d i ti sa l s of o u n dt h a t , f o rp o l a r i z a t i o n - o rm o d e s e l e c t i v ee o f b s , o t h e rm o d e su n a f f e c t e db yf e e d b a c ks t i l l e x h i b i tt h ef a m eb e h a v i o r s - st h o s ew i t hf e e d b a c k , d e s p i t eo n l yo n em o d ei sa f f e c t e d d i r e c t l y n cm o d e ( p o l a r i z a t i o n ) s e l e c t i o nc a nb er e a l i z e dt h r o u g hm o d e - s e l e c t i v e ( p o l a r i z a t i o n - s e l e c t i v e ) f e e d b a c k r i c hd y n a m i c si n c l u d i n gb i f u r c a t i o na n dc h a o t i cf l u c t u a t i o na r eo b s e r v e di n b o t hu n i d i r e c t i o n a l l ya n dm u t u a l l yi n j e c t e dv c s e i as y s t e m s i nb o t hs y s t e m s , f r e q u e n c yd e t u n i n g 啪i n c r e a s et h es y s t e mc o m p l e x i t y f o rm u t u a lc o u p l i n gc a s e f r e q u e n c yd e t u n i n g na l s od r i v et h es y s t e mt oo s c i l l a t ew i mt h es a m ef r e q u e n c y n o n l i n e a ra n dm o d e 1 0 c k i n gb e h a v i o r sa r ea n a l y z e df o rt h ef i r s tt i m ef o rb o t h c o n v e n t i o n a la n dm o d e s e l e c t i v ei n e c t i o n s r e s u l t ss h o wt h a ta l lm o d ee x h i b i t s i m i l a rn o n l i n e a rb e h a v i o r sa n da r el o c k e ds u c c e s s f u l l yb yt h ec o r r e s p o n d i n g i n j e c t i n gm o d e s ；w i t hm o d e s e l e c t i v ei n j e c t i o n , o n l yt h o s em o d e sw i t ht h ef a m eo r p a r a l l e lp o l a r i z a t i o nd i r e c t i o nw i t ht h ei n j e c t i n gm o d e ss h o wp r e c e d i n gb e h a v i o r s , w h i l et h eo t h e r sp o l a r i z e dp e r p 6 n d i c u l a r l ya t es u p p r e s s e dd u et om o d ec o m p e t i t i o n c o m p l e t ea n di n j e c t i o n l o c k i n gs y n c h r o n i z a t i o n s a r eo b s e r v e di nc h a o t i c s y n c h r o n i z a t i o ns y s t e mc o n s i s t e do ft w ou n i d i r e c t i o n a l l yc o u p l e de x t e r n a l - c a v i t y v c s e l s i ti sf o u n dt h a tt h ec o m p l e t es y n c h r o n i z a t i o nw i l lb ea f f e c t e dg r e a t l yb yt h e s p o n t a n e o u se m i s s i o nn o i s e so fb o t hl a s e r s ( t h ec r o s s - c o r r e l a t i o nd e g r e ei sd e c r e a s e d a n dt h es y n c h r o n i z a t i o ne r r o ri si n c r e a s e dg r e a t l y ) ，w h i l et h eg e n e r a l i z e do n es h o w s g r e a tt o l e r a n c e n es y n c h r o n i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e mu n d e rc o n v e n t i o n a l a n dm o d e - s e l e c t i v ei n j e c t i o n sa r ei n v e s t i g a t e df o rt h ef i r s tt i m e r e s u l t ss h o wt h a ta l l m o d e sc a na c h i e v eg o o ds y n c h r o n i z a t i o nf c o n v e n t i o n a lc o n f i g u r a t i o n h o w e v e r , 西南交通大学博士研究生学位论文第v 页 w i t hm o d e - s e l e c t i v ei n j e c t i o n s , o n l yt h o s em o d e sb e i n gp u m p e do p t i c a l l yc a n s y n c h r o n i z ew e l lw i t ht h ei n j e c t i n gm o d e s ；t h eo t h e rm o d e sa l g r e a t l ys u p p 删 w i t hav e r yl o wc o r r e l a t i o nd e g r e e t h ec h a o t i co p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e d0 1 1e x t e r n a l - c a v i t yv c s e l si s i n v e s t i g a t e dd c t a l l e d l y i ts h o w st h a t , c o i n c i d i n gw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e p o r t s , t h e o r i g i n a ld i g i t a l0 fa n a l o gm e s s a g e ss e n ti nt h et r a n s m i t t e rp a r t c a nb ed e c o d e d c o r r e c t l yi nt h er e c e i v e rp a r tb yu s i n gc h a o t i cm o d u l a t i o n ( c 峨c h a o t i cm a s k i n g ( c m s ) o r 吐瓣s h j 矗k e y i n g ( c s i om e t h o d sa f t 口t h ea c h i e v e m e n to fc h a o s s y n c h r o n i z a t i o n i ti sc o n c l u d e df i r s t l yt h a t ：t h et r a n s m i s s i o ns e c u f i t yo ft h es y s t e m b a s e do ni n j e c t i o n l o c k i n gc h a o ss y n c h r o n i z a t i o ns h o u l db ei m p r o v e df i i r t h e l rd u et o t h eu l t r a - t o l e r a n c et op a r a m e t e rm i s m a t c h e ss h o w nb yt h i st y p eo fs y n c h r o n i z a t i o n ； a d d i t i o n ! o l 删f e e d b a c ki n d u c e db ye x t e r n a lo p t i c a lc o m p o n e n tm i g h tl e a dt h e s e n ti n f o r m a t i o nt ob ee x p o s e dc o m p i e t e l yo u to ft h ec h a o t i cc a r r i e r ；, s y s t e m d e c o d i n gc a p a b i l i t yc a ub ei m p r o v e db yd e c r e a s i n gt h ei n j e c t i o n - l o c k i n g - i n d u c e d s t r e n g t hd i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w oc h a o t i cs i g n a l sf i o mt h et r a n s n t i t t e ra n dt h e r e c e i v e r ；, b a s e do nt h ef r e q u e n c y - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n gt e c h n i q u e ，m u l t i - s i g n a l t r a n s m i s s i o n 啪b er e a l i z e di nc h a o t i co p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m b e s i d e s , c o m p l e t e ，g e n e r a l i z e d , a n dh y b r i ds y n c h r o n i z a t i o n sa r eo b s e r v e di nc a s c a d ec h a o t i c o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e mc o m p o s e do ft h r e eu n i d i r e c t i o n a l l y - c o u p l e dv c s e l s ； m o r e o v e r , t h e 删g m a lm e s s a g ec a nb ed e c o d e dc o r r e c t l yi nb o t ht h ei n t e r m e d i a t ea n d t h es l a v ep a r t s 。w h i c hs h o w st h a tt h es y s t e mi sw i t hr e l a yc h a r a c t e r i s t i c s k e yw o r d s ：o i 砌c a lc o m m u n i c a t i o n ；v e r t i c a l - c a v i t ys u r f a c e - e r n i t t i n g l a s e r s ( y e s e s ) ；c h a o t i co p t i c a jc o m m u n i c a t i o n ；e x t e r n a lo p t i c a lf e e d b a c k 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库，可以采用影印、缩印或扫 描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后使用本授权书； 2 不保密彤适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：耋怎啐 指导教师签名： 日期：2 胂了年f 月1 5 日日期：& m 多) 年月，日 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体，均 已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： l 基于单向耦合多横模v c s e l s 速率方程，利用有限差分法，首次分析了常规 和模式选择性这两种不同注入条件下多横模v c s e l s 激光混沌系统的同步 特性，发现常规注入下主从激光器对应模式间和总功率间可分别实现高质量 的同步，而选择性注入下仅是受注入光影响的模式才能实现同步。( 发表论 文【2 2 1 】) 2 对外腔v c s e l s 的激光混沌通信系统的通信机理、安全性、解码性能以及系 统的优化和拓展做了深入探讨创新性研究成果包括：发现注入锁模同步的 混沌光通信系统存在安全缺陷；提出通过降低注入锁模放大造成的两端激光 器混沌信号强度差来提高系统解码性能的方案：分析激光器自发辐射噪声和 额外光反馈对系统同步质量、解码性能和传输安全性的影响，首次发现外部 光组件引起的反馈可能导致系统安全性完全丧失；提出可利用该系统实现类 似频分复用的多信号混沌传输，分析了级联混沌光通信系统的同步和解码性 能。主要成果得到国际同行的认可。( 发表论文 2 2 0 。2 2 2 2 2 4 1 ，并被引用) 3 详细分析了v c s e l s 多横模竞争和载流子空间分布特征。针对弱折射率导引 v c s e l s 的多模场特性以及场与器件介质之问相互作用等科学问题，采用独 特的计算机绘图法获得横模特征值和空间分布规律，获得了多横模v c s e l s 横模竞争、l l 特性、载流子空问分布、空间烧孔效应、注入电流空间特性 和载流子扩散等关键问题的物理机理分析结果。( 发表论文 1 6 9 1 7 0 。2 1 8 1 ) 4 首次利用s i m u l i n k 对单模和多横模v c s e l s 外光反馈特性做了全面分析。对 传统小信号近似方法进行了推广。系统地分析了v c s e l s 外光反馈系统的静 态、非线性动态( 分岔、反分岔、周期和混沌振荡等) 、功率谱、相空间、 相对强度噪声、l y a p u n o v 指数等多种特性。通过调控器件参数( 尤其是自发 辐射因子和线宽增强因子) 或引入可调附加自由度( 外光注入和外光电反馈) 可有效抑制反馈所致非线性效应。重点针对极化和模式选择性反馈做了深入 分析，研究结果表明利用此类反馈可提高v c s e l s 单模特性。( 发表论文 f 1 7 5 1 7 7 。1 8 0 ，1 8 1 。1 8 8 ，1 8 9 1 ) 5 在处理方法上，所开发的s i m u l i n k 仿真模型可有效地应用于v c s e l s 非线性 动力学以及激光混沌通信等问题的研究，昕建模型具有很强拓展性。它富有 可视仿真研究的特点，不仅提商了计算效鍪，而且对其它类似有源器件和系 统的研究具有重要的参考价值。 学位论文作者签名：7 参寿晦 r 期：2 - , v t 年f 月f s 日 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文选题背景和意义 半导体激光器( s i s ) 在光通信系统中主要提供甩作载波的激光【n ，该器侔 是决定系统通信质量的关键，所以制作低成本、高性能s i s 一直是光电子领域 关注的热点过去普遍使用的是从侧面出光的条形边发射半导体激光器( e e l s ) 但该器件制作成本高、在高密度二维阵列集成以及与光纤耦合等方面存在明显 不足 垂直腔面发射激光器( v c s e l s ) 的出现为e e l s 存在的上述问题提供了极 佳的解决方案有鄹于其它激光器，v c s e l s 共振麓与外延生长方向平行，输 出光从垂直面出射，而非传统的侧面发射仅就此一点便可使其在尚未切割和 封装前实现对整个晶片的在线检测，进而大为简化了制作程序，降低了器件生 产成本具体来说，v c s e i s 主要优点可归纳如下 2 , 3 1 ： 体积小、阈值低、功耗小波长和阈值对温度变化不敏感 腔长在激射波长量级单纵模工作可在元件切割前对芯片进行检 与光纤耦合效率高溺，制作成本低 可实现高速调制易形成高密度一维或二维阵列， 使用寿命长实现串接或并行式光纤传输 v c s e i _ s 上述优点为其增加了更多研究和应用领域。图1 - 1 是目e c t r o n i c a s t 公司 对过去以及未来几年v c s e l s 主要应用领域和市场份额所做的调查和预测1 4 1 可见。随着相关技术的逐渐成熟，v c s e l s 应用范围越来越广，目煎己涵盖了 光通信、光互连、光交换、光存储、军事、航天、扫描、打印以及光传感等诸 多领域随着应用领域的不断拓宽，其市场价值随之可得到数十倍的增加( 1 9 9 9 年为2 6 2 亿美元，而到2 0 0 9 年预期可达1 4 1 亿美元) i 螂 2 0 0 42 0 e ， 1 2 6 2m i l l l m 1 3 4b i l l i o n l l 1b i l l i e 图i - ! v c s e i 应用领域及市场价值1 4 1 但是。在这些应用中存在一个普遍印又极为重要的现象：外光反馈1 5 川。所 谓外光反馈现象，简单说就是激光器发射出去的部分激光被与之相连的光纤、 光连接器或光盘等器件的表面反射问谐振腔，回馈光与腔内光相互作用，使器 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 件振荡和输出特性发生变化，影响激光器正常工作s b 对反馈光极为敏感， 微量反馈便可使其呈现复杂的非线性行为，严重影响系统性能。如，当激光器 工作在信号调制下时，由于外光反馈影响，激光器输出强度、阈值、光谱等特 性会发生变化，强反馈下( 实际只有百分之几的反射率) 还会呈现准周期乃至 混沌振荡。并伴随着激光器噪声的急剧增强和输出信噪比的迅速下降，导致系 统无法正常通信1 1 6 1 。对于该现象，人们很早便开始重视，相关研究已开展二十 余年。但过去主要的研究对象是边发射类器件( 如；普通条形激光器、分布b r a g g 激光器和分布反馈激光器等) 由于v c s e i 3 出现较晚，对其外光反馈特性的讨 论还较为匮乏。该类器件在结构和性能上都与e e l s 存在较大差别，如低阈值、 单纵模但多横模工作、极化方向不易控制等等，这些都可能使其呈现出不同的 反馈特性，所以深入分析v c s e l 5 在外部反馈下各类静态和非线性动态行为、 剖析这些现象的内在物理成因、探讨可能的控制和利用措施，对v c s e b 的发 展具有促进意义 由于光反馈会使激光器输出非线性信号对系统影响很大所以过去人们 更多关注的是反馈对系统不利影响的一面，并为消除该影响，提出了各种措旌 最直接的方法是引入光隔离器，阻止反馈光进入激光器谐振腔另外，还可通 过调控器件参数、引入高频电流调制、引入饱和吸收层或利用附加反馈等【舡。 这些方法都能很好的对反馈引起的非线性行为进行抑制但近年来，随着非线 性动力学的兴起人们开始意识到可将混沌等复杂非线性现象应用于许多新领 域，其中关注得最多的是混沌在保密通信领域的应用【肛1 9 l 。由于s 1 , s 在外光反 馈下很容易实现混沌输出，所以对基于外腔s i s 的混沌保密通信的研究是当前 十分前沿的课题。系统实现保密的核心在于利用混沌信号的随机性和对初值的 高度敏感性。由于内部随机性，混沌信号的非周期连续宽带频谱具有类似噪声 的特性。使其具有先天的隐蔽性。另外，混沌信号对于初始条件极为敏感。细 微的差别便可导致系统轨道发生本质变化，变得完全不相关，这使得混沌信号 具有长期不可预测性和极高的复杂度。同时，混沌系统本身又是可确定的，只 要系统方程、参数和初始条件相同，混沌信号可进行再生和复制这些特性为 混沌保密通信提供了可能。混沌保密通信的前提是对于混沌信号的有效控制， 即实现系统两端的混沌同步【”j 。入侵者在不知道系统具体配置和初始条件时， 无法实现收发两端激光器的混沌同步，也就无法窃取有用信息。该保密方案将 加密过程从算法层降低到物理层，使得保密性大为增强。近年来，人们对于混 沌保密通信傲了大量理论和实验研究，取得了丰硕成果1 1 9 蝴l 。 国内对v c s e l s 研究歼展较早的主要有中国科学院半导体研究所集成光电 子国家重点实验室、清华大学、北京大学、中国科学院长春光学精密机械与物 理研究所、o 芦中科技大学激光技术嘲家重点实验室、长春理工大学高功率半导 体激光国家t 重点实验室等几家研究机构。其研究内容涉及器件生长、横模和偏 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 振特性及控制、温度特性，高输出功率v c s e i , s 以及微腔效应等方面。本课题 组对v c s e l s 的研究也已开展多年，在v c s e l s 微腔效应、阀值特性、大信号 调制、常规和共轭反馈非线性特性、噪声以及基于垂直腔结构的半