（物理电子学专业论文）光反馈半导体激光器的若干应用问题的基础研究.pdf

太原理一l ：大学硕+ 研究生学位论文 光反馈半导体激光器的若干应用问题的基础研究 摘要 半导体激光器以其独特的优点，体积小、成本低、直接调制速率 高等，已经成为种重要的普遍应用的光源，并且，在适当的光反馈 条件下可呈现有益的特性，如线宽窄化、混沌激光等。实际应用中， 在通信领域，作为大容量、长距离高速光纤通信系统的主要光源，增 益开关d f b 激光器的较宽的光谱线宽及较大的啁啾会引入较大的色 散，增大误码率，限制通信容量等。在遥感领域，混沌激光以其特殊 的类噪声特性，可以实现距离无关的高分辨率距离测量。 本文围绕光反馈压缩半导体激光器线宽和产生混沌激光两方面 特性，针对增益开关d f b 激光线宽和混沌激光测距进行了如下工作： 1 、运用行波放大模型推导了描述光反馈和光注入半导体激光 器的载流子密度、光子密度以及相位变化的速率方程。 2 、 实验和理论研究了脉冲光注入压缩增益开关d f b 激光器的 光谱、降低线宽，同时研究了注入时间及注入强度对增益开关d f b 激 光线宽的影响。得到了种子光脉冲有效压窄线宽的注入时间窗口，并 分析了其存在的原因。实现了线宽窄化、降低啁啾，并得到了近变换 极限的超短光脉冲。 3 、理论研究了利用类噪声的混沌激光的相关特性实现目标距 太原理i ：人学硕十研究生”j - 7 1 能论文 离的测定方法。研究并比较了不同光反馈状态下半导体激光器产生的 混沌激光的特性。分析了混沌激光自相关曲线的半峰全宽和旁瓣水平 与表征其混沌状态的最大李雅普诺夫指数及关联维数的关系。同时， 模拟研究了波形误差对混沌激光测距的影响，并分析了不同混沌态的 波形误差的抗噪声能力和波形误差容忍度。 关键词：半导体激光器，光反馈，光注入，线宽，混沌，测距 太原理l 。人学硕k 研究生学能论文 f u n d a m e n t a lr e s e a r c ho ns o m e a p p l i c a t i o n so fs e m i c o n d u c t o r l a s e r sw i t h0 p t i c a lf e e d b a c k a b s t r a c t l a s e rd i o d e sh a v eb e e nu s e d w i d e l y i n m a n ya p p l i c a t i o n s ， b e c a u s et h e ya r es m a l l ，i n e x p e n s i v e ，e a s yt om o d u l a t ed i r e c t l y ，a n d e s p e c i a l l yc a nl a s ew i t hn a r r o wl i n e w i d t ho rc h a o t i cs t a t eu n d e rp r o p e r o p t i c a l f e e d b a c k w h i l eu s e da st h e l i g h t s o u r c ei n h i g h - c a p a c i t y , l o n g h a u la n dh i g hs p e e df i b e r - o p t i cc o m m u n i c a t i o n s ，g a i n s w i t c h e d d f bl a s e rd i o d e w i t hl a r g el i n e w i d t ha n dh i g hc h i r pc o u l di n c r e a s e d i s p e r s i o n ，r a i s eb i t e r r o r - r a t i o ，a n dr e s t r i c tc a p a c i t y i na d d i t i o n ，c h a o t i c l a s e rw i t hn o i s e l i k e p r o p e r t i e s c a nb eu s e dt or a n g ew i t hh i g ha n d d i s t a n c e n o n d e p e n d e n tr e s o l u t i o n f o c u s i n g o nn a r r o w i n gl i n e w i d t hf o rg a i n - s w i t c h e dd f bl a s e r d i o d e sa n dr a n g ef i n d i n gw i t hc h a o t i cl a s e rg e n e r a t e df r o ml a s e rd i o d e s w i t ho p t i c a lf e e d b a c k ，t h i st h e s i sm a i n l yi n c l u d e st h a t ： 1 t h en u m e r i c a lm o d e lo fl a s e rd i o d e sw i t ho p t i c a lf e e d b a c ko r i i i 太原理1 人学硕。 ：研究! e 学协论文 i n j e c t i o ni sd e r i v e db yt r a v e l i n gw a v ea m p l i f i e rm o d e lo fa c t i v ec a v i t y 2 s p e c t r a ll i n e w i d t hn a r r o w i n go fg a i n s w i t c h e dd f bl a s e rd i o d e w i t hp u l s ei n j e c t i o ns e e d i n gi ss t u d i e de x p e r i m e n t a l l ya n dn u m e r i c a l l y t h el i n e w i d t hr e d u c t i o nr e l a t e dt oi n j e c t i o nt i m ea n di n j e c t i o ns t r e n g t hi s o b t a i n e d t h ea p p r o x i m a t e l y10 0 p st i m e w i n d o wi nw h i c h s p e c t r a l l i n e w i d t hc a nb en a r r o w e d d r a m a t i c a l l y i so b t a i n e da n da n a l y z e d n e a r - t r a n s f o r m - l i m i t e d ，l o w c h i r pu l t r a s h o r to p t i c a lp u l s e si sa c h i e v e d e x p e r i m e n t a l l y 3 r a n g ef i n d i n g w i t hc h a o t i cl a s e rt r a i n g e n e r a t e d f r o m s e m i c o n d u c t o rl a s e r sw i t ho p t i c a lf e e d b a c ki si n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l y t h ep r o p e r t i e so fd i f f e r e n tc h a o t i cl a s e ra r ec o m p a r e d b o t hf u l lw i d t ha t h a l fm a x i m u ma n dp e a ks i d e l o b el e v e lo fc r o s s - c o r r e l a t i o nt r a c er e l a t e d t oc h a o t i cw a v e f o r mc h a r a c t e r i z e dw i t ht h e l a r g e s tl y a p u n o ve x p o n e n t a n dc o r r e l a t i o nd i m e n s i o na r es t u d i e dn u m e r i c a l l yt os e l e c ta ni d e a l c h a o t i cl i g h tu s e dt of i n dd i s t a n c e t h ei n f l u e n c e so nr a n g ef i n d i n go f s i g n a lw a v e f o r me r r o ra r ep r e s e n t e da n dt h et o l e r a n c eo fn o i s ea n ds i g n a l w a v e f o r l t le r r o rw i t hd i f f e r e n tc h a o t i cs t a t ei sd e m o n s t r a t e d k e yw o r d s ：l a s e rd i o d e ，o p t i c a lf e e d b a c k ，o p t i c a li n j e c t i o n ，l i n e w i d t h ， c h a o s ，r a n g ef i n d i n g i v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 童垒盏 日期：趔 ：兰! 一 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文： 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：皇堑錾日期： f 导师签名：当z 互j 日期： 鱼：。纽一 太原理j i ：大学硕十研究生学位论文 第一章绪论 1 1 光反馈半导体激光器的非线性动力学特性简述 半导体激光器( l a s e rd i o d e ，l d ) 已经广泛应用于各种领域，包括激光遥感 ”“、数据存储与读取。3 、光谱技术“1 、固体激光器的抽运源”1 以及光通信网络中 的光源”3 、放大器。1 、复用器”3 、波长转换器。1 等。如此广泛的应用得益于其独特 的优点：首先，体积小，典型f a b r y p e r o t 腔激光器( f p l d ) 的谐振腔由晶体两 个解理面构成，其长度只有几百微米；其次，可以直接电流调制，且调制速率快， 无外加措施情况下调制带宽己达到2 5 g h z “。 阳e d b o c k “” 嚣黔“9 凛勰 图1 - 1 光反馈半导体激光器示意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cp l a no f l a s e rd i o d ew i t ho p t i c a lf e e d b a c k 半导体激光器对外部反射光十分敏感，实际应用中，光纤、透镜等外部器件 表面反射引入的反馈光将不可避免地增加半导体激光器输出的强度噪声和相位 噪声，恶化其性能。因此，从半导体激光器产生开始，人们不断地研究光反馈对 激光器的影响及应用。图1 - 1 为光反馈的示意图，光反馈半导体激光器系统的状 态取决于激光器的偏置电流、外腔长度、反馈强度和反馈相位。反馈强度表示反 馈光与激光器输出端面处的腔内反射光的功率比，反馈相位为反馈光延迟引入的 相位，决定了反馈光与腔内激光的相干性。不同的反馈状态，系统呈现不同的非 线性动力学现象。 太原理i 。人学硕f j 研究生学托论文 图1 2 光反馈影响半导体激光器输出状态的区域 f i g 1 - 2o p t i c a lf e e d b a c kr e g i m e s 图卜2 定量表明了光反馈半导体激光器表现某一特性所对应的反馈状态的 区域。区域i 对应的反馈强度很低( 反射镜的反射率小于1 0 ) ，反馈光对线宽的 影响主要取决于反馈相位，同相减小线宽，反相增大线宽“，此区域主要是由外 部器件反射引起的；区域i i 中激光器出现跳模现象1 ，这是由于反馈光增大了激 光的强度噪声和相位噪声，导致了相邻模式的竞争；区域i 对应的是稳定的单纵 模输出状态，此区域内，振荡模式取决于反馈相位，线宽最小的模式相位最稳定， 激光器以最小线宽模式稳定振荡“”“；区域的反馈光使激光器呈现出动态不稳 定特性，即混沌状态。，其中包括相干坍陷“、低频波动“8 1 等：在强反馈的区域 v ，激光器输出线宽窄、强度噪声低的稳定单纵模“，此区域对应于外腔半导体 激光器( e x t e r n a lc a v i t yl a s e rd i o d e e c l d ) 。 2 于 叮 矿 b 矿 旷 旷 矿 b 旷 ljflumljm芷面uj a1山m1。aj击 太原n _ i ：人学硕十研究生学位论文 1 2 压缩线宽与混沌激光测距的意义 在许多特殊的领域，如高分辨率光谱测量、外差传感测量、相干检测等，要 求光源线宽很窄，即使是分布反馈式( d i s t r i b u t e df e e d b a c k ，d f b ) 半导体激光 器( 线宽约几兆至几十兆) 也无法满足，但采用光反馈方法可以抑制强度和相位噪 声“、实现窄线宽输出“，大大拓展了半导体激光器的应用范围。同样，对于大 容量、长距离高速光纤通信系统，动态单模且低啁啾的半导体激光器是必须的。 d f b 激光器具有足够的阈值增益差，可实现动态单模，是光通信的主要光源。然 而由于动态调制，增益开关d f b 激光器的光谱远大于其静态线宽，并且调制速率 越高，光谱越宽，从而在光通信系统中会引入较大的色散，增大误码率，限制通 信容量等。因此压缩增益开关d f b 激光器的线宽具有很高的研究和应用价值。 由图卜2 区域可知，光反馈半导体激光器可以很容易( 外部反射率约 1 0 。= l 1 0 。1 ) 产生类似于噪声的混沌激光。混沌激光波形的随机性有利于掩埋信号并 且信号解码需要严格的硬件要求，故混沌激光在保密通信中有重要的应用。2 “2 。 此外，混沌的随机波形具有万函数线形的相关特性曲线，因此可以用于测距”“， 其分辨率高、且不受距离影响。与利用随机信号调制半导体激光器进行测距“1 以 及高峰值功率脉冲激光测距“3 相比，混沌激光测距具有不需要外部调制信号、探 测信号容易产生等优点。进一步研究光反馈产生连续波混沌激光测距的情况，以 及混沌波形对测距的影响也是必要和有意义的。 本文研究了压缩增益开关d f b 激光器线宽的注入时间窗口以及利用光反馈 产生的连续波混沌激光进行测距的方法，具有重要的理论指导意义和应用价值。 1 3 光反馈压缩光谱以及混沌激光应用的研究动态 1 3 1 光反馈压缩光谱 1 9 8 1 年m w f l e m m i n g 等人、s s a i t o 等人以及1 9 8 2 年l g o l d b e r g 等 人”实验直接观察到外部光反馈减小半导体激光器线宽，并可以控制其光谱行 为。此后，学者们重视并开始研究光反馈对光谱的影响。主要的理论研究方法是 利用l a n g k o b a y a s h i 速率方程模型”1 ，并考虑到描述白发辐射噪声的l a n g e v i n 噪声项。”以及载流子密度的动态情况“”。23 来分析光反馈导致的光谱行为。实验 太原理l ：人学硕一f i 研究生学能论文 上采用选频器件获得更窄的线宽，女n l i t t r o w 光栅。“1 、l i t t m a n m e t c a l f 光栅”“、 光纤光栅i “1 、标准具”“3 、共焦谐振腔j “以及与电反馈相结合j ”等。实验上，已 得到小于1 k i t z 的光谱线宽。随着研究的深入，学者们开始利用反馈光影响光谱 的这一特性进行干涉测量“”3 、测定半导体激光器的线宽增强因子”3 1 等。 作为重要的超短光脉冲源，增益丌关半导体激光器较宽的光谱引起了人们重 视。1 9 9 4 年l p b a r r y 等人”利用光纤环镜自注入增益开关d f b 激光器，在注入 脉冲与增益开关光脉冲之间无时间延迟下，中心模式的光谱线宽被大大压缩： 2 0 0 1 年e u r a f a i l o v 等人“”利用波长无关的平面反射镜实现了对中心波长 9 8 0 n m 的增益开关l d ( 脊形波导i n g a a s g a a sl d ) 光谱线宽从无反馈时的1 ln m 降低到o 0 5n m 的压缩；2 0 0 4 年y h u 等人“”利用光栅外腔增益开关i n g a n 激光器实 现8 1 2 倍的光谱压缩比。但是关于有效压缩光谱的注入时间窗口问题，尚未有深 入研究。 1 3 2 混沌激光测距 利用随机信号的相关特性进行测量是一种很重要的遥感技术。最初将激光应 用到这一技术的是采用随机信号调制半导体激光器方法产生强度随机的激光信 号“1 。但这种方法需要外部随机信号源，并且测距的性能受限于调制速度等。混 沌激光测距是另外一种利用随机信号测距的方法。2 0 0 1 年k m y n e n i 等人首先 进行了混沌激光测距的研究，他们利用光反馈半导体激光器产生的混沌激光脉冲 序列实验实现了目标距离的测量”“，实验示意图如图1 - 3 。2 0 0 4 年刘佳明等人提 出用连续波混沌激光测距的方法”，如图1 - 4 所示，利用主激光器注入从激光器 产生并控制混沌激光，然后利用混沌波形的相关特性实现测距。 混沌激光测距的性能，如分辨率、抗噪声、测量距离等都与系统产生的激光 的混沌状态密切相关，因此研究混沌波形对测距的影响是必要的。混沌激光测距 起步较晚，有待于进一步深入研究。 4 太原理j f ：人学硕十研究生学位论文 图1 3 混沌激光脉冲序列测距示意图( k m y n e n ie l a l ) f i g 1 3s c h e m a t i cs e t u po f r a n g e f i n d i n g w i t hc h a o t i cp u l s e t r a i n s ( k m y n e n ie t 日，) 图1 4 混沌激光雷达测距示意图( 刘佳明等人) f i g 1 4s c h e m a t i cs e t u po f r a n g ef i n d i n gw i t hc h a o t i cl i d a r ( j m l i ue ta 1 ) 1 4 研究的主要内容 基于山西省自然科学基金“高质量增益开关f p 激光脉冲的产生研究 ( 2 0 0 4 1 0 4 2 ) ”以及国家自然科学基金“基于光注入半导体激光器实现全光波长转 换和时钟恢复( 6 0 5 7 7 0 1 9 ) ”的项目资助，并结合本课题的研究方向，本文主要做 了以下工作： 1 运用行波放大模型推导了描述光反馈和光注入半导体激光器的载流 子密度、光子密度以及相位变化的速率方程，分析了光反馈半导体 太原理1 人学硕十研究生学位论文 3 4 激光器的振荡条件。 实验和理论研究了脉冲光注入压缩增益开关d f b 激光器的光谱、降 低线宽，同时研究了注入时间及注入强度对增益开关d f b 激光线宽 的影响。得到种子光脉冲有效压窄线宽的注入时间窗口并分析其存 在的原因。实现了线宽窄化、降低啁啾，并得到了近变换极i j p d t , j 超 短光脉冲。 理论研究了利用类噪声的混沌激光的相关特性实现目标距离的测定 方法。研究并比较了不同光反馈状态下半导体激光器产生的混沌激 光的特性。分析了混沌激光自相关曲线的半峰全宽和旁瓣水平与表 征其混沌状态的最大李雅普诺夫指数及关联维数的关系。同时，模 拟研究了波形误差对混沌激光测距的影响，并分析了不同混沌态的 波形误差的抗噪声能力和波形误差容忍度。 总结全文的工作，并对今后的工作方向提出建议。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章光反馈半导体激光器的速率方程模型 2 1 光反馈半导体激光器 光反馈或光注入半导体激光器的速率方程是分析和模拟系统特性的理论基 础，本节先推导光反馈半导体激光器的电场速率方程- - l a n g k o b a y a s h i 方程。， 并分析了振荡条件。为方便分析，将半导体激光器的参量及各参量的关系分别列 入表2 - 1 和表2 2 。 表2 - 1 激光器参量的意义 t a b l e2 - 1q u a n t i t yo f p a r a m e t e r s 表2 - 2 参量之间的关系 t a b l e2 - 2r e l a t i o n s h i p so f p a r a m e t e r s 损耗 。= 盯n c s o口。= 一( 1 2 l ) 1 1 1 ( 蜀坞) 寿命 印一= 3 ：g ( t z i 。t + 口。)f = 4 i ，+ b + l ：2 增益g = g w ( n w o ) 厂g f = d ，卅+ q 。t 阈值 厶= e z n , t n n , h = n o + 】( f g n r e ) 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 1 光反馈半导体激光器速率方程 z - oz _ l阻+ l e 图2 - 1 光反馈f a b r y p e r o t 谐振腔示意图 f i g 2 - 1f a b r y - p e r o tc a v i t yw i t ho p t i c a lf e e d b a c k 图2 1 为光反馈的示意图，激光谐振腔两端面的反射率分别为r l 、r 2 ，腔 长为l ，外部反射镜的反射率为r 、距离为厶= c r 2 ，f 为激光在外腔中环行 一次的时间。f 、e 一分别表示正向、负向传播的时变电场的复振幅。 激光的动态变化行为取决于增益，因此可以将增益作为算子。激光在腔内环 行一次的增益为 g r = 撕- i e x p ( 一i 2 k l + ( f g o t i 。) ) ( 2 1 ) 将其变为指数形式，上式可变为 g ，= e x p ( - i 2 k l + ( r g 一口。一哦。) 三) ( 2 2 ) 其中k = n c o c 为波数。实际上，激光器有源区内载流子密度n ( t ) 随时间的变化 将导致介质折射率和振荡频率的变化。因此将波数在无光反馈阈值点( y l t h ，c o , h ) 展开 竺* 1 e 2 t h ( d ) t h + 丝罢( 一) + 皇( c o - c ) ( 2 3 ) ccc0 1 vc 其中，n g ：l l t h + 罢为介质的群折射率。将( 2 3 ) 式代入( 2 2 ) 中，并将g ，分解 d 成g = g 1 瓯，其中： 频率无关项 g i2 e x p ( f g a m 一口m ) 三】e x p ( - i ( 2 c l c ) 面o n ( 一心) ) ( 2 - 4 ) 频率相关项 8 太原理一i ：火学硕十研究生学( 市论文 g 。：e x p - f 碰一i 2 n g l ( 一，) 】( 2 - 5 ) 由于至蜓是2 刀的整数倍，并且角频率为卯的单色波电场满足关系式泐：。d ， 瓯可改写为算子 g m = e x p ( i ( 1 j t h r l ) e x p ( 一乱导) ( 2 6 ) d t 由于激光器振荡频率在阈值附近，即c o * 。，因此对时变复电场e ( o 可引入慢变 化复电场振幅e ( t 1 = ie ( t ) ie x p ( 徊( m ，即 酗= e ( t ) e x p ( i c o , ) 其中掣：一。dt 。 ( 2 7 ) 考虑z = 处的前向行波的时变复电场；( f ) ，对于环形增益g r 应满足 e ( ，+ f l ) = g i 6 0 p ( ，+ f l ) + p “r ( ，+ i l ) ( 2 - 8 ) 实际上，算子e x p ( 一t 罢) 是将被作用的函数时延吒，因此结合( 2 - 6 ) 、( 2 - 7 ) 和( 2 - 8 ) 式，可得复电场的差分方程 e + 0 + 吒) = g 。 e 一( ，) 月： = g i e + ( ，) + e j 0 ) 】 ( 2 - 9 ) 其中，e ，( f ) 为进入谐振腔的反馈电场复振幅。由于光子在谐振腔内环行一次的 时间很短( 约7 p s ) ，慢变化振幅占( ，) 在一次环行内的变化很小，所以差分方程( 2 - 9 ) 可以近似为一阶微分方程 等= 丢( 叫肌) + 吉g 1 黜) ( 2 - 1 0 ) 上式表明，激光腔内端面r ：，即z = 三处的负向电场复振幅e 一( r ) 是正向电场 复振幅的反射部分与反馈电场复振幅的总和。考虑反射镜的无限次反射，以及谐 振腔外端面反射的半波损失，即z = l 处的外端面的反射率为一i ，反馈电场复 振幅为 太原理工人学硕十研究生学位论文 瓦，( ，) - ( 1 - r ：) 瓜( 一页忑) ”e ( ，一胛f ) e x p ( 一f 胛r ) ( 2 1 1 ) ，t = i 对于弱光反馈情况，即外部反射镜的反射率相对于激光器端面反射率较小 时，可以只考虑单次反射，此时r 即可称为反馈延迟时间。忽略( 2 - 1 1 ) 中的高次 项即可得到弱反馈电场复振幅，代入( 2 - 1 0 ) ，同时考虑激光振荡时6 1 ， ( g l 一1 ) i ng l ，并结合g = g ( 一o ) 以及光子寿命与损耗的关系 1 = v g ( a 。，+ q 。) ，即可得到光反馈半导体激光器的电场速率方程，即 l a n g k o b a y a s h i 方程： 警= 如州州- 0 ) 一+ 叫e x p ( 一 ( 2 - 1 2 ) 其中，盯= ( 1 一r 2 ) 撕口酉，为反馈强度参量，表示反馈光与输出端面处内反射 光的电场幅度之比，k r , 称为反馈速率，单位是5 ，g x = v g g ”为微分增益。 口：一2 旦a n ，o n c f8 9 洲 ( 2 - 1 3 ) 是半导体激光器的线宽增强因子，其典型值在3 7 之间。折射率和增益分别关 联着激光相位和强度，口即表示载流子变化导致的激光相位变化和强度变化的耦 合，其表现为线宽极限的( 1 + 盯2 ) 倍加宽。 2 1 2 速率方程的调整及方程的参量 为方便计算，l a n g k o b a y a s h i 方程描述的复电场速率可以分离成光子密度速 率方程和相位速率方程。考虑到自发辐射、增益饱和等实际因素，载流子密度、 光子密度以及相位的速率方程如下： d 出n = 专一n “一g ( n ，s ) s + 昂( f ) ( 2 - 1 4 ) 霉：! 兰+ f g ( n ，s ) s 一曼+ 2 羔扣丽；石= 五。( 目( ，”+ c ( f ) ( 2 - 1 5 ) l o 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 丝d t = 知c 岍争尝户署s 似肿啪， 其中曰( f ) = c o ，。r + 口( ，) 一函( 卜r ) 表示反馈引入的相对相位。 上述完整的速率方程是对( 2 - 1 2 ) 式做了以下调整： 1 自发辐射 载流子自发辐射产生随机相位随机频率的光子，但是总有一部分是与激光振 荡模式相同，即自发辐射也对振荡模式有贡献。表现在两方面：其一，自发辐射 进入振荡模式的光子的平均效果增加了光子数，则光子密度速率方程应增加右面 第一项f l f n r 。，其中为自发辐射系数；其二，自发辐射的光子的数量、相位 的随机性引入了噪声。若要研究光谱特性、噪声特性等，自发辐射噪声是必须考 虑的，三个速率方程的最后项即表示自发辐射噪声引起的变化速率。厅( f ) 、 尽( 小f o ( t ) 称为l a n g e v i n 噪声项，详见附录l 。 即卜、 2 s ( t 叫i ) f l f ，n ( t ) 船+ j 等等蜘 ( 2 _ 1 7 ) 尽= 2 s ( t , ) f l l w ( t ) 。x ， ( 2 1 8 ) 乃= 击丹孕耳 2 非线性增益 ( 2 1 9 ) 对于高光子密度，即激光输出功率较大时，激光器实际上表现出增益饱和现 象。因此对速率方程引入非线性增益 g ( n 固= 箐群( 2 - 2 0 ) 其中s 为增益饱和系数。 太原理i ：人学硕十研究生学能论文 2 1 3 阈值及单纵模振荡条件 图2 - 2 光反馈的等效复合谐振腔 f i g 2 - 2e q u i v a l e n tc o m p o u n dc a v i t yf o ro p t i c a lf e e d b a c ks h o w ni nf i g 2 - 图2 - 1 所示的光反馈半导体激光器可等价于一个图2 2 所示的复合谐振腔。 利用行波放大模型，可得复合腔的振荡条件： 扣岛e x p ( 一i 2 k l + ( f g 。一= | 2 i n i ) ) = 1 ( 2 2 1 ) 其中，研为z = l 处端面的有效幅度反射率，包含了激光器输出端面强度反射率 尺2 、外部反射镜强度反射率见和反馈光的相位延迟效应，g 为复合腔的增益。 在不考虑强反馈情况下，只考虑外部反射镜的单次反射，由忽略高次项的 ( 2 - 11 ) 式，可得有效振幅反射率的表达式 _ 仃= 尺2 ( 1 + 盯e 一。) ( 2 2 2 ) 由振荡条件式( 2 2 1 ) 并与无反馈半导体激光器谐振腔的振荡条件相比，复合腔的 谐振条件可表示为： g c , t h = g m 一兰c 。s ( 2 m ) 痧= 2 x r l p v t h ) + j c 臃s i n ( 2 x v r + a r c t a n a ) = 0 ( 2 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) 其中，踟、分别是无反馈时半导体激光器的阈值增益和振荡频率，口为线宽 增强因子。 ，加表示复合腔的闽值增益，它表示光反馈引起的腔内增益的频率分布。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 表示复合腔内往返相位变化较l d 腔内的往返相位变化发生的偏移，它是由有源 区折射率和振荡频率的变化以及反馈光引入的相位延迟等因素造成的。因为要满 足振荡的相位条件，此偏移量必须为零，即= 0 的解为振荡的模式频率。振荡 模式对应的阈值增益可由( 2 - 2 3 ) 式得出。 令反馈系数c = 茁1 + 9 9 2 r 气，若满足( 1 + c c o s ( d r v r + a r c t a n a ) ) 0 ，则 名墅 o ，即妒是频率的单调递增函数，故妒：o 只有一个解。因此，光反馈 半导体激光器单纵模输出的必要条件是：反馈光的强度和相位应满足 ( 1 + c c o s ( 2 ，r v r + a r c t a n a ) ) 0 ( 2 2 5 ) 显然对于满足c 2 0 g h z ) 以及类似于6 函数线形自相关曲线，并且自相关曲线的半峰全宽很窄( 2 0 g h z ) ，并且受混沌状态的影响较小，因此，自相关曲线的 f w h m 小于o i n s ，并且不随状态的改变而改变；高维混沌，频谱平滑，自相关曲 线的p s l 低，其抗噪声干扰能力强，波形误差容忍度大，测量范围大：由于相 关曲线的f w h m 不变，则在测量范围内，测量的分辨率可达到1 5 e r a ，并与测 量距离无关。综上，混沌激光测距具有分辨率高并且与距离无关的特点，同时还 具有抗噪声能力强、波形误差容忍度大等优点。由于其自相关曲线具有很低的旁 4 2 太原理：l ：人学硕十研究生学位论文 瓣水平，高维混沌激光更有利于提高测距系统的性能。并且，频谱平滑且频率范 围宽的高维混沌产生于混沌区域的中心部分。 w a v e f o r me r r o r 图4 - 1 1 ( a ) 信噪比、( b ) 波形误差对三种不同状态的混沌激光的p s l 的影响 f i g 4 - 1 1 p s lo f c o r r e l a t i o n t r a c e s o f t h r e ec h a o t i cs t a t e sr e l a t e d t o ( a ) s i g n a l t o n o i s er a t i oa n d ( b ) w a v e f o r me r r o r 4 3 太原理：【：人学硕十研究生学位论文 工作总结及展望 工作总结 本文围绕光反馈压缩半导体激光器线宽和产生混沌激光两方面特性，针对增 益开关d f b 激光线宽和混沌激光测距所做的工作和结果总结如下： 首先，运用行波放大模型推导了描述光反馈和光注入半导体激光器的载流子 密度、光子密度以及相位变化的速率方程。 其次，实验和理论研究了脉冲光注入压缩增益开关d f b 激光器的光谱、降低 线宽，同时研究了注入时间及注入强度对增益开关d f b 激光线宽的影响。发现只 有在增益开关光脉冲建立之前约l o o p s 的时间窗口内，注入种子方可以有效压缩 增益开关d f b 半导体激光器光谱线宽，并且线宽随着注入光强度的增加而减小， 可产生低啁啾的近变换极限的超短光脉冲。实验证实，在此时问窗口内注入种子 脉冲，增益开关d f b 激光器的光谱线宽从0 4 6 n m 压缩至0 0 8 r i m ，时间带宽积从 2 4 6 降和低至0 7 0 。 最后，理论研究了利用混沌激光的相关特性实现目标距离的测定方法。比较 了不同光反馈状态下半导体激光器产生的混沌激光的特性。分析了混沌激光自相 关曲线的半峰全宽和旁瓣水平与表征其混沌状态的最大李雅普诺夫指数及关联 维数的关系。同时，模拟研究了波形误差对混沌激光测距的影响，并分析了不同 混沌态的波形误差的临界值。结果表明，产生于混沌区域中心部分的频谱平滑且 频率范围宽的高维混沌具有窄半峰全宽和低旁瓣水平的自相关曲线，是理想的测 距激光，其测量分辨率可达1 5 c m 以下，且波形误差容忍度大，测量范围大。在 测量范围内，精度与距离无关。 太原理一人学硕士研究生学侥论文 工作展望 l 、 结合目前承担的国家自然科学基金项目“基于光注入半导体激光器 实现全光波长转换和时钟恢复( 6 0 5 7 7 0 1 9 ) ”，将光反馈压缩线宽以及降低抖 动的作用引入到作为波长转换器的半导体激光器上，以期获得比原信号线 宽窄、抖动低的波长转换信号。 2 、 进步实验实现利用光反馈半导体激光器进行混沌激光测距，并探 索利用同步混沌测距的实现方法。 3 、 混沌激光波形的随机性有利于掩埋信号并且信号解码需要严格的硬 件要求，因此，期望利用光反馈或光注入半导体激光器产生的混沌激光实 现保密通信，并寻求理论上的突破，即如何解释混沌同步以及同步混沌激 光器的滤波特性等。 4 5 太原理1 ：人学硕 ：研究生学位论文 2 3 4 5 6 7 8 3 9 参考文献 n a g a s a w ac ，a b om ，y a m a m o t oh ，e ta 1 ， r a n d o mm o d u l a t i o nc wl i d a r u s i n gn e wr a n d o ms e q u e n c e ，a p p l i e do p t i c s ，1 9 9 0 ，2 9 ( 1 0 ) 。1 4 6 6 1 4 7 0 p e a r s o ng 、，r o b e r t spj ，e a c o c kj r ，e ta 1 ，a n a l y s i so ft h e p e r f o r m a n c eo fac o h e r e n tp u l s e df i b e r1 i d a rf o ra e r o s o lb a c k s c a t t e r a p p l i c a t i o n s ，a p p l i e do p t i c s ，2 0 0 2 ，4 1 ( 3 0 ) ，6 4 4 2 - 6 4 5 0 s h i n a d as ，k o y a m af ，s u z u k ik ，e ta 1 ，n e a r f i e l da n a l y s i so f m i c r o a p e r t u r es u r f a c ee m i t t i n gl a s e rf o rh i g hd e n s i t yo p t i c a ld a t a s t o r a g e ，o p t i c a lr e v i e w ，1 9 9 9 ，6 ( 6 ) ，4 8 6 4 8 8 y a b u z a k it ，m i t s u it ，t a n a k au ，n e w t y p eo fh i g h r e s o l u t i o n s p e c t r o s c o p yw i t had i o d el a s e r ，p h y s i c sr e v i e wl e t t e r ，1 9 9 1 ，6 7 ( 1 8 ) 2 4 5 3 2 4 5 6 l i ujh ，s h a ozs ，m e n gxl ，e ta 1 ，h i g hp o w e rc wn d ：g d v 0 4s o l i d s t a t el a s e re n d p u m p e db yad i o d e l a s e ra r r a y ，o p t i c sc o m m u n i c a t i o n s 1 9 9 9 ，1 6 4 ( 4 6 ) ，1 9 9 2 0 2 w o l f t ，a m a n nmc ，a l b r e c h th ，l a s e rd i o d e sa n di n t e g r a t e d o p t o e l e c t r o n i cc i r c u i t sf o rf i b e ro p t i c a la p p l i c a t i o n s 。e u r o p e a n t r a n s a c t i o n so nt e l e c o m m u n i c a t i o n sa n dr e l a t e dt e c h n o l o g y ，1 9 9 3 ， 4 ( 6 ) ，5 9 9 - 6 1 4 l ihw ，s h a r a i h aa ，a u f f r e tr ，e ta 1 ，h i g h b i t - r a t eb i d i r e c t i o n a l o p t i c a lt r a n s m i s s i o nw i t ht w os e m i c o n d u c t o rl a s e ra m p l i f i e r s ， e l e c t r o n i c sl e t t e r s ，1 9 9 4 ，3 0 ( 6