（光学专业论文）光注入半导体激光器的电流双稳特性研究.pdf

独创性声明 4 i i ii 1i ii l li i1i ii 1 1 1 1 1 i e l li i l l l y 18 8 2 8 6 2 学位论文题目： 迸注坐昱签邀迸墨电流巫氇挂：篷丝硒究 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加了 特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同仁 在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 学位论文作者：王茹l 签字日期：劲l 年r 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院( 筹) 可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：主翻导师签名： 趸笔靠 签字日期：功f 年夕月 日签字日期： 矽年了月l 日 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 引言一l 1 2 半导体激光器的工作原理。1 1 3 半导体激光器的工作特性2 1 3 1 半导体激光器的阈值特性2 1 3 2 半导体激光器的模式特性2 1 3 3 半导体激光器的谱线特性。3 1 3 4 半导体激光器的动态特性。3 1 4 几种常见的半导体激光器5 1 4 1 法布里珀罗激光器( f p l d ) 5 1 4 2 分布反馈半导体激光器( d f b l d ) 6 1 4 3 波长可调谐的半导体激光器8 1 5 本文研究的内容和目的8 参考文献9 第二章半导体激光器非线性动力学行为。1 3 2 1 引言13 2 2 附加自由度的半导体激光的基本理论1 3 2 2 1 调制驱动电流1 3 2 2 2 光注入1 4 2 2 3 光反馈1 4 2 2 4 光电反馈1 5 2 3 光学双稳16 2 3 1 光学双稳态16 2 3 2 光学双稳态的发展历程1 7 2 3 3 光学双稳态的类型1 7 参考文献18 第三章光注入半导体激光器的注入功率双稳特性研究2 3 3 1 引言2 3 3 2 实验装鹭2 3 3 3 实验结果与讨论2 4 3 4 结论2 7 参考文献2 8 第四章光注入半导体激光器的电流双稳特性研究3 0 4 1 引言3 0 4 2 实验装置3 0 4 3 实验结果和讨论3 l 4 4 结论3 7 参考文献3 7 第五章结束语4 0 攻读硕士期间发表论文4 l 致谢4 2 两南大学硕十学伊论文 摘要 曼寰曼曼曼曼曼曼曼曼蔓皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼笪! 曼! 曼曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼鼍! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼i i i 。i 曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼皇寡 光注入半导体激光器的电流双稳特性研究 光学专业全日制硕士研究生：王莉 指导教师：夏光琼教授 摘要 光学双稳因其在光学逻辑开关、光储存、全光信号整形、全光波长转换等光 计算以及光通信领域的广泛应用而受到人们的关注。在外光注入下，半导体激光 器具有丰富的非线性动力学行为，在合适的工作条件下系统输出可能呈现光学双 稳现象。早期的研究结果表明：通过沿不同路径连续变化主激光器的光功率或激 射频率、或者副激光器的偏置电流均可使光注入激光器的输出功率呈现双稳现象 ( 功率双稳) 。而最近的报道显示：在一个光注入半导体激光器中可能存在另外一 种新型的双稳现象，即锁定态与两模共存态之间的态双稳。本文将着重对这种新 型的态双稳现象进行深入的研究。 本文基于两个半导体激光器构成的主副系统，实验研究了在主激光器输出光 的注入下，副激光器输出呈现的双稳现象。文中，双稳是通过以下两种方式得到： ( 1 ) 激光器工作在阈值附近，通过固定频率失谐a f ( a f 弼，知，居分别对应 主副激光器的自由振荡频率) 而沿着不同的路径改变主激光器的注入光功率，称 之为注入功率变化引起的双稳。实验结果表明：在副激光器偏置电流一定的情况 下，只有频率失谐厂为负值时才会出现态双稳，并且态双稳环宽度随频率失谐绝 对值的增大而增大；态双稳环宽度随偏置电流的增加而增加，但是当偏置电流增 加到1 2 6 m a 时激光器输出行为变得复杂，两模共存态与锁定态之间的态双稳消 失；( 2 ) 固定注入功率，在阈值电流附近连续增加副激光器的偏置电流到一定值 再逐渐减小，此时观测到的双稳称之为电流变化引起的双稳。实验结果表明：当 注入功率较低时，只能感测到态的双稳现象。当注入功率较大时，功率双稳和态 双稳都可以被明显地观察到。而进一步增大注入功率，态双稳和功率双稳都将消 失。另外，注入功率的大小对双稳环宽度也有一定影响。 关键词：光注入；频率失谐；注入功率；偏置电流：功率双稳；态双稳 两南大学硕十学伊论文 a b s t r a c t c u r r e n t - d r i v e nb i s t a b i l i t yi nas e m i c o n d u c t o rl a s e r s u b j e c tt oo p t i c a li n je c t i o n m a jo r ：o p t i c s a d v i s i o r ：p r o f g u a n g q i o n gx i a a u t h o r ：l iw a n g a b s t r a c t t h eo p t i c a lb i s t a b i l i t y ( o b ) o fs e m i c o n d u c t o rl a s e r sa t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o nf o ri t s p o t e n t i a la p p l i c a t i o n si no p t i c a lc o m p u t a t i o na n do p t i c a lc o m m u n i c a t i o nf i e l d s ，s u c ha s o p t i c a ll o g i cs w i t c h ，o p t i c a lm e m o r y , o p t i c a ls i g n a lr e s h a p ，o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r t e r , e t c s u b j e c tt ot h eo p t i c a li n j e c t i o n , s e m i c o n d u c t o rl a s e r sb e h a v ep l e n t yo f n o n l i n e a r d y n a m i c s a tt h ea p p r o p r i a t ew o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h es y s t e mo u t p u tm a yb ep r e s e n t o p t i c a lb i s t a b i l i t yp h e n o m e n o n e a r l yr e s u l t ss h o w ：t h eb i s t a b i l i t yc a l lb ea c h i e v e db y v a r y i n gt h ei n j e c t i o no p t i c a lf r e q u e n c yo rt h ei n j e c t i o no p t i c a lp o w e ro fm a s t e rl a s e r ( m l ) ，a n dc a na l s ob ea c h i e v e db yv a r y i n gt h eb i a sc u r r e n to ft h es l a v el a s e r ( s l ) w h e nt h ea b o v ep a r a m e t e r sa r ev a r i e da l o n gd i f f e r e n tr o u t e st ot h es a m ev a l u e ，t h e o u t p u tp o w e r o ft h es e m i c o n d u c t o rl a s e rm a yb ed i f f e r e n t ，t h u st h ep o w e r - b i s t a b i l i t yc a n b eo b t a i n e d b u tr e c e n tr e p o r t ss h o w ：an e ws t y l eb i s t a b i l i t yh a sb e e no b s e r v e di na d f bs e m i c o n d u c t o rl a s e ru n d e ro p t i c a li n j e c t i o n ，n a m e l ys t a t e b i s t a b i l i t yb e t w e e n l o c k i n ga n db i m o d a lr e g i o n i nt h i sp a p e r , t h en e ws t y l es t a t e - b i s t a b i l i t yh a sb e e n s t u d i e df u r t h e r i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h em a s t e r - s l a v ec o n f i g u r a t i o no fs e m i c o n d u c t o rl a s e r s ，t h e b i s t a b i l i t yo fm a s t e rl a s e r so u t p u th a v eb e e ni n v e s t i g a t e do ne x p e r i m e n t ，h e r e ，m a s t e r l a s e ri n j e c t e db ys l a v el a s e r i nt h ee x p e r i m e n t ，t h eb i s t a b i l i t yc a nb eo b t a i n e db yt h e f o l l o wt w ow a y s ：( 1 ) w h e nt h el a s e ri sb i a s e dn e a r b yt h et h r e s h o l d ，s w e e p i n gt h ep o w e r o fm la l o n gd i f f e r e n tr o u t e sw i t ht h e 缸c df r e q u e n c yd e t u n i n g4 厂凹f = f m 一厶血居 c o r r e s p o n d i n gm a i ns l a v el a s e rf r e e r u n n i n gf r e q u e n c i e s ) ，t h eb i s t a b i l i t y c a nb e o b s e r v e d ，t h i sb i s t a b i l i t yc a l l e dp o w e rd r i v e nb i s t a b i l i t y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a t ：w h e nb i a sc u r r e n to ft h es l a v ei sf i x e d ，t h eb i s t a b i l i t yi se x i s t sa tn e g a t i v e f r e q u e n c yd e t u n i n g , a n ds t a t e - b i s t a b i l i t yl o o pw i d t hi n c r e a s i n gw i t hf r e q u e n c yd e t u n i n g i n c r e a s i n g ；a n ds t a t eb i s t a b i l i t yl o o pw i d t hi n c r e a s i n gw i t hb i a sc u r r e n ti n c r e a s i n g ，b u t w h e nb i a sc u r r e n ti n c r e a s et o12 6m a ，t h eb i s t a b i l i t yw i l ld i s a p p e a r s ；( 2 ) f i x e dt h e i l 两南大学硕十学伊论文a b s t r a c t i n j e c t i o np o w e r , s w e e p i n gt h ec u r r e n to fs ln e a r b yi t st h r e s h o l db a c ka n df o r t h , t h e b i s t a b i l i t y c a r lb eo b s e r v e d t h i s b i s t a b i l i t yc a l l e d c u r r e n td r i v e nb i s t a b i l i t y t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ：f o rm u c hl o w e ri n j e c t i o np o w e r , o n l ys t a t e - b i s t a b i l i t y c a nb eo b s e r v e d f o rs u i t a b l e i n j e c t i o np o w e r , b o t hp o w e r - b i s t a b i l i t y a n d s t a t e - b i s t t a b i l i t y c a nb e o b s e r v e d ，a n d f o rm u c h l a r g ei n j e c t i o np o w e r , t h e p o w e r - b i s t a b i l i t ya n ds t a t e b i s t a b i l i t yw i l ld i s a p p e a r a d d i t i o n a l l y , t h eb i s t a b l i l i t yl o o p w i d t hi sa f f e c t e db yt h ei n j e c t i o no p t i c a lp o w e r k e y w o r d s ：o p t i c a li n j e c t i o n ；f r e q u e n c yd e t u n i n g ；i n j e c t i o np o w e r ；b i a sc u r r e n t ； s t a t e - b i s t a b i l i t y ；p o w e r - b i s t a b i l i t y i i i ?喜缝琵霪嚣姥蟹嚣器攀簋霉雾；、 两南大学硕十学伊论文 绪论 第一章绪论 1 1 引言 如今信息技术正在从各个领域影响着国防的建设和国民经济的发展。光电子 业的发展主要是以依靠材料科学和量子力学为基础的，其中最引以瞩目的当属半 导体的发展。自世界上的首台半导体激光器于1 9 6 2 年问世以来，在近十几年来得 到了长足的发展。如今，发展势头迅猛的半导体激光器，已经成为了- - i - 世界上 发展速度最快的激光技术。并在很大程度上推动着其他技术学科的发展。半导体 激光器因其小体积、轻重量、低能量输入、高转换效率、简单的结构、与其它半 导体器件集成能力强、长寿命、低廉价格及调制容易等优点，被广泛应用于相干 激光雷达、光谱、通信等领域。已经成为信息技术的关键器件覆盖于整个光学领 域。如今全光通信网络【1 3 】的兴起，更使半导体激光器的研究受到广泛的关注。基 于此，本章主要对半导体激光器的工作原理、工作特性、几种常见的半导体激光 器进行讨论。 1 。2 半导体激光器的工作原理 半导体激光器的结构示意图如图1 1 所示。在n 区和p 区之间所形成的过渡区 域称为有源区。p n 结面与两边的端面相互垂直，构成了激光器的光学谐振腔， 我们把这样的腔称作本征腔或内腔。要使半导体激光器能够产生激光必须得具备 以下三个基本的条件【4 】： l = = = = = 爿2 图1 1半导体激光器的基本结构示意图 粒子数反转：也就是所说的增益条件【5 1 。对于半导体激光器来说粒子数反转实 际上就是半导体激光器中的载流子反转。在半导体中电子的能量是一系列看似连 ， ，0 fll壹震辨嚣繁謦雾髫罐茹箩 两南大学硕十学位论文 绪论 续的能级所构成的能带【6 】，所以要在半导体中实现粒子数反转，必须使处在高能级 的电子数要比处在低能级的空穴数多川，这就需要给异质结或同质结加一个正向的 偏压，使必要的载流子注入到有源层，将电子从低能带激发到高能带去。当大量 空穴与电子复合时，受激发射作用便产生了。 受激辐射的光放大：要获得相干的受激辐射可以让光波在两个端面反射镜之间 多次反馈来得到【胡。半导体激光器两端面的反射镜是晶体的本身的解离面这样就构 成了半导体谐振腔【9 】，通常会在光不出射的一端镀上许多层反射率高的介质膜，而 在光出射的那一面镀上降低反射率的介质膜d o 。 泵浦：由于激光从腔面输出以及在谐振腔中会引起光损耗，为了使振荡稳定， 弥补这一损耗必须使激光媒质提供的增益足够大，从而不断地增强谐振腔内部的 光场强度【1 1 1 。这就必须注入足够强的电流来提供足够的反转粒子数【1 2 】，反转的粒 子数越多，获得的增益就会越大。这就要求电流必须满足一定的条件，我们把满 足这一条件称为阈值当激光器在阈值以上工作时，满足谐振条件的光波长就会在 谐振腔内得到光放大【1 3 1 4 】，最后形成连续地输出激光。 1 3 半导体激光器的工作特性 半导体激光器的发明问世与发展，很大程度上推动了科技的发展。半导体激光 器由于具有结构简单、体积小、输入能量低、寿命较长、价格低廉及易于调制等 优点，在整个光学领域获得了广泛的应用。作为光纤数据传输和远程通信的核心 器件在全光通信兴起的今天，受到了更广泛关注和研究。半导体激光器具有的工 作特性主要有以下几个方面1 15 j ： 1 3 1 半导体激光器的阈值特性 应该说阈值特性是所有激光器所具有的属性，除了垂直腔发射激光器 、( v c s e l ) 1 睨13 和氮分子激光器。偏置电流高于阈值以后，半导体激光器才可以出 现净增益激射光波，因此闺值代表着激光器的损耗与增益的平衡点。半导体激光 器的阈值通常用电流或电流密度来表示。它是将直接注入其中的电流电子转换为 光子的器件。半导体激光器阈值特性主要受器件结构、材料、温度等因素的影响。 1 3 2 半导体激光器的模式特性 半导体激光器的工作模式可分作空间模与纵模2 2 1 。空间模是描述光强或光功 率在空间几何位置的分布情况或者也可以说是输出光束围绕轴线某点的光强分 布，也称远布；纵模反映的却是所发射光束的光功率在不同的波长或频率上的分 布它描述的是一种频谱。不管是空间模还是纵模都可能出现单模或多模的情况。 2 _j，；。叠蛩纛谚臻帮铿馥器西疆蔷_器置薯 两南大学硕十学位论文 绪论 具有非圆形对称波导结构的边发射激光器，在与结平面方向平行的侧向和与异质 结平面方向垂直的横向对光场都有限制的情况。横向与侧向的结构也有所不同， 横向的折射率波导由异质结构成，而在侧向多为折射率波导，也可采用增益波导， 所以又可以把空间模式分为横模和侧模，如图1 2 所示： 图1 2 半导体激光器的空间模式 1 3 3 半导体激光器的谱线特性 可以用半导体激光器的光谱线宽度定量地描述它具有的时间相干性，一般谱 宽的定义是光谱曲线在半峰值处所具有的宽度( f w h m ) 。在阂值以下半导体激光 器谱宽一般在6 0 n m 左右，而半导体激光器在阈值以上的谱度宽会变窄，约为2 - 3 n m 或者更小，由于阈值以上谱宽很窄所以常称谱宽为线宽【2 3 1 。光谱宽度在激光器出 现的早期，曾是用来测量半导体激光器的阈值的手段。通常可用五来表示线宽。 影响半导体激光器的线宽的主要原因有两个方面：一是由于腔面反射率低、腔长 短所导致的品质因数q 值降低；其次是由于处于有源区内密度变化的载流子所引 起激光器内部介质折射率的变化而导致输出相位出现起伏。 1 3 4 半导体激光器的动态特性 半导体激光器有一个最重要特点就是可以被交变信号进行直接调制l m 3 2 j 。在 光纤通信的系统中，目前激光器所能达到的最高直接调制为2 0 g b s 信号。整个调 制过程半导体激光器要求不能有调制畸变产生，换句话说，数字信息不能有大的 误码，图像信息不能有失真；光谱线宽不会因直接调制明显加宽；不会产生因为 调制而有害的效应。这与直流状况下工作的l d 不同，有些有害效应会在直接高速 的调制情况下出现，成为约束l d 调制带宽的主要因素。 1 张弛振荡现象 半导体激光器在没有外部扰动时，注入电流在超过阈值时，其输出会经历短 两南大学硕十学伊论文 绪论 暂的驰豫振荡后 2 3 1 ，会很快地达到稳定状态。图1 3 描述的是半导体激光器瞬念弛 豫震荡过程。 时间 图1 3 半导体激光器的瞬态弛豫过程 弛豫振荡有几乎与共振频率一样的振荡频率。为了可以抑制张弛振荡己实践 过的方法有： ( 1 ) 外部光注入可以有效地增加自发辐射因子，不仅可以削弱弛豫振荡，而且 可以防止多个纵模的出现。上述注入锁定的方式必须要保持注入光波长和被注入 光波长一致，所具有的技术难度较大。 ( 2 ) 光反馈注入或光电反馈。光反馈是将半导体激光器输出的一部分通过反馈 镜再一次注入自身腔内其延迟时间为弛豫振荡周期的o 2 至0 3 倍，通过这种方法 可以很好地削弱张弛振荡。而光电反馈则是将光信号转化为电信号注入其有源区 进而抑制弛豫震荡现象。 ( 3 ) 减小半导体激光器的线宽能削弱载流子的扩散影响，形成稳定的横模，从 而达到减弱张弛振荡现象的效果。 2 、寄生电容与电感 不同的半导体激光器由于其内部结构的不同导致其电路的参数与等效电路也 不同。比方说p - n 结的面积大小，芯片与内引线的联接方式以及衬底是不是半绝缘 都会对电容的大小产生影响；会造成电路分布的参数发生改变。普通l d 的等效电 路为r l c 电路。这种电路依靠合理的外部电路设计与l d 的阻抗相互匹配，以致 4 两南大学硕十学伊论文绪论 高频信号可以高效地与l d 耦合；这样不但能够被用来平坦弛豫震荡峰还可以调制 弛豫震荡的灵敏性。 3 、啁啾限制 不论是对那一种半导体激光器进行高速的直接调制，都会导致对时间取平均 值的谱线加宽、高速增益开关脉冲或者自脉冲，从而使系统的性能退化，我们把 这种现象称为“啁啾限制”。对于进行高速的直接调制l d 来说，是难以避免啁啾 的，它可以导致线宽加宽零点几个纳米。激射波长的啁啾成因主要是因为在阻尼 弛振荡过程中，载流子密度的起伏引起了折射率调制，使得光脉冲相对于中心位 置的波长发生了一定的漂移。 1 4 几种常见的半导体激光器 随着光纤通信技术向高速、大容量反向的不断发展，对通信光源的要求也不 断地提高。而激光器的问世恰恰解决了这一要求。半导体激光器自问世以来，就 因其体积小、易于调制、重量轻、价格低廉以及效率高等优点，被广泛地应用于 国民经济建设和国防防御等各个领域，发挥其重要的作用，被公认为二十世界人 类的最伟大发明之一。目前，光纤通信所用的光源主要包括：法布里珀罗激光器 ( f p l d ) 、分布反馈式半导体激光器( d f b l d ) 和波长可以选择的激光器。 1 4 1 法布里珀罗激光器( f p l d ) 法布里珀罗激光器( f p l d ) 的制作技术可以说是相当成熟了，目前普遍采用 的是双异质结多量子井的有源层、载流子数光子分别受限制的结构。这里提一下， 异质结是指由两种不同的半导体材料构成的结，如图1 4 ( b ) 所示。在异质结结构中， 两种材料的晶格常数要相互匹配，以减少界面的态数，要不然载流子将会在界面 复合掉，就不会产生注入、放大发光的作用。异质结禁带宽度的差会造成高的注 入比特性，将助于粒子束建立反转，而两种材料折不同的射率为光波导提供了可 能性，减少了光在谐振腔以外的光损失。 两南大学硕十学伊论文 绪论 话j 两质缩掏f b ) 并鹰镶构 图1 4 ( a ) 同质结构和( b ) 异质结构激光器示意图 g u b a n o v 于1 9 5 1 年首先提出了异质结。美国的k r o e m e r t 3 3 j 与前苏联的 a l f e r o v 3 4 】等于1 9 6 3 年提出了用不同的带隙材料构成器件，可以提高半导体激光器 的性能，并且把这种结构的半导体激光器称做“异质结结构h e t e r o s t r u c t u r e ： ( h e s ) 激光器。后来p a n i s h 与h a y a s h i 在1 9 6 7 年利用液相外延的技术于g a a s 上生长出a l x g a l x a s 的外延层，获得了低阈值电流的激光器，阈值电流密度在室 温为8 6 1 0 3 a c m 2 ，1 9 6 9 年4 月发表其成果【3 5 】，上述由个同质结和一个异质 结构成的激光器就被称为单异质结激光器，几乎在同一时期，前苏联的科学家 a l f e r o v 与他的同事将一个窄带隙的半导体夹在了两个带隙较宽的半导体之耐酌j ， 制出了双异质结构激光器。回过头在说f p l d ，由于法布里珀罗激光器利用的是 一对平行的平面镜进行纵模的选择的，而通常的激光器的长度的数量级却是数百 个微米，所对应的模式间隔的数量级就为l n m ，那么激光器的增益宽度就可达几 十个纳米，激射多个纵模的可能性非常大【37 1 。 1 4 2 分布反馈半导体激光器( d f b l d ) 由于本实验是用分布反馈半导体激光器( d f b l d ) 作为实现双稳介质的，所 以接下来主要介绍一下d f b l d 的结构和耦合波理论方程，作为阐明双稳的理论 基础。 分布反馈半导体激光器( d f b l d ) 是利用布拉格光栅实现光反馈。分布反馈 半导体激光器与法布里珀罗激光器的主要区别是没有用来集中反射谐振腔和平面 镜，分布反馈半导体激光器自身是具有模式选择能力的，使用全息光刻法可以在 有源区介质的表面形成周期性波纹型，这个光栅分布于谐振腔，被称为分布反馈。 d b f l d 与f p l d 相比，最主要的优点是在高速调制状态下仍然可以单纵模的工 作状态。如图1 5 所示【j 引。 6 两南大学硕十学位论文 绪论 曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼| ； i i ii曼曼, , 鼍曼 图1 5 in g a a s p in p 分布反馈半导体激光器结构器示意图 有两种反馈方式存在于d f b l d 中，其中一个是周期性变化的折射率所引起 的向后的布拉格反射，称作折射率耦合，如图1 6 ( a ) 所示。另一种是周期性增 益变化所引起的分布反馈，被称作增益耦合，如图1 6 ( b ) 所示。与f p l d 相比 前者所激射的波长对应着不同的谐振腔损耗，换句话说d f b l d 所具有的谐振腔 自身具备选择模式的功能。另外，波长为光栅周期一半的整数倍时折射率耦合型 的半导体激光器在位置对称处存在两个能量损耗最低并且相同的模式。换句话说， 在理论上折射率耦合型半导体激光器激发的应该是双纵模模式而增益耦合型半导 体激光器激射的确实单一波长，而这个波长的能量损耗最低并且恰好在布拉格波 长匕【3 9 】。 圈： 图1 6 两种不同的d f b - l d 结构示意图 分布反馈半导体激光器( d f b l d ) 工作的原理并不是很复杂，利用的就是我 们较为熟悉的布拉格散射原理。当照射光波的入射角是0 时，就会在周期性变化的 波浪结构上发生散射现象。而这些散射波之间存在着一定的相位关系，如果这些 光波的出射角满足【4 0 】： 2 2 s i n o = m 2 ，z 时各个散射光波就会产生叠加作用而加强，其余地方的散射波则会相互抵消掉。 因此，矿只在系列值上会有反射光波，即布拉格反射。它具有的波长就称之为 两南大学硕十学传论文 绪论 布拉格波长，上述这些也说明了波长是具有选择性的。如果把介质中从右向左和 从左向右边传播的光看做是入射角和布拉格角都为9 0 度的话，那就只有满足( 1 1 ) 式的光波能够来回在介质中传播，这时行进方向相反的两列波的互相耦合是由结 构为周期性的波纹提供的，而不是由哪一个反射界面来提供的，并且这种耦合的 程度也可以由周期性调制的深度来决定。 1 4 3 波长可调谐的半导体激光器 当今在技术方面还比较成熟的，可调谐波长的激光器主要是分布布拉格半导 体激光器( d r b l d ) 。可是，d r b l d 的调谐是通过变化注入到光栅区的电流来 实现的，这就会导致谱线的较大展宽。此外至少需要调节两个以上的电机电流， 才会固定激射波长，这在实际应用方面造成了不便。另外，由于d b r l d 非常容 易出现模式的跳动所以模式的稳定性比较差。鉴于此，最近几年波长可调的 d r b l d 有关研究活动在一定程度上削弱了。 上世纪八十年代，人们在通过有意地引入平面镜、f p 标准具、体光栅等外部 光反馈器件所构成的外腔半导体激光器( e c s l ) ，此类激光器具备线宽窄、频率 稳定、波长调节范围较宽以及频率选择性好等特性【4 ，从而可获得用于高速的、 光通信激光输出。现己成为宽带数字网、密集波分复用的光纤传输系统 4 2 4 4 j 以及 相干光通信，并在光外差传感、高分辨率的光谱分析、光波器件检测等领域1 4 川。 近些年，光纤光栅的出现会使用光纤光栅为外部反馈的原件构成称为光纤光栅 e c s l 具有除了一般e c s l 的优点以外，它的波长还可以得到更好的控制。所以此 类外腔半导体激光器可更好满足人们的需要。 1 5 本文研究的内容和目的 本文基于实验，对外部光注入分布反馈( d b f ) 激光器在阈值附近由于主激 光器注入功率以及副激光器的偏置电流变化所引起的两模共存态与锁定态的态双 稳特性特性进行了实验研究，本文的结构如下： 第一章绪论部分主要介绍了半导体激光器的工作原理工作特性以及主要的几 种半导体激光器。 第二章介绍了附加自由度半导体激光器基本理论以及非线性动力学行为中的 光学双稳现象。 两南大学硕十学伊论文 绪论 第三章实验研究了外部光注入分布反馈( d b f ) 激光器在阈值附近改变主激 光器的注入功率所引起的两模共存态与锁定态之间的态双稳特性，并给出了相同 偏置电流下态双稳环宽度随频率失谐的变化以及在同一失谐下态双稳宽度随偏置 电流的变化情况。 第四章实验研究了外部光注入分布反馈( d b f ) 激光器改变副激光的偏置电 流所引起的两模共存态与锁定态之间的态双稳特性，并给出了态双稳环宽度随注 入功率的变化曲线。 参考文献 【1 】谭伟贤等编，计算机网络安全教程，国防工业出版社，2 0 0 1 【2 潘立登等，网络通信中的基本安全技术，电子技术应用，n o 3 ，2 0 0 0 【3 】a l s c h a w l o wa n dc h t o w n e s ，i n f r a r e da n do p t i c a lm a s e r s ，p h y s r e v , v 0 1 1 12 ， p 1 9 4 0 ，1 9 5 8 4 m ga b e m a r d ，gd u r a f f o u r g ，l a s e rc o n d i t i o n si ns e m i c o n d u c t o r s ，p h y s s t a t u s s o l i d i ，v 0 1 1 ，p 6 9 9 ，1 9 6 1 5 黄德修半导体激光器及其应用北京：国防工业出版社1 9 9 9 6 】j i p a n k o v e ，pa i g r a i n , o p t i c a la b s o r p t i o no fa r s e n i c - d o p e dg e r m a n i u m p h y s r e v , v 0 1 1 2 6 ，p 9 5 6 ，1 9 6 2 7 j n gb a s o v , 0 n k r o k h i n ，a n dy m p o p o v g e n e r a t i o n ，a m p l i f i c a t i o n ，a n d d e t e c t i o no fi n f r a r e da n do p t i c a lr a d i a t i o nb yq u a n t u m m e c h a n i c a ls y s t e m s s o v p h y s u s p ，v 0 1 3 ，p 7 0 2 ，1 9 6 1 8 m ga b e r n a r d ，gd u r a f f o u r g ，l a s e rc o n d i t i o n si ns e m i c o n d u c t o r s p h y s s t a t u s s o l i d i ，v 0 1 1 ，p 6 9 9 ，1 9 6 1 【9 】rn h a l l ，ge f e n n e r , j d k i n g s l e y , e ta 1 c o h e r e n tl i g h tm i s s i o nf r o mg a a s j u n c t i o n s p h y s r e vl e t t ，v 0 1 9 ，p 3 6 6 ，19 5 2 1o 】m i n a t h a n ，w pd u m k e ，gb u m s ，e ta 1 s t i m u l a t e de m i s s i o no fr a d i a t i o nf r o m g a a sp - nj u n c t i o n s a p p l p h y s l e t t ，v 0 1 1 ，p 6 2 ，19 6 2 11 】n h o l o y a k ，s eb e v a c q u ac o h e r e n t ( v i s i b l e ) l i g h te m i s s i o nf r o mg a ( a s l 哇p x ) j u n c t i o n s a p p l p h y s l e t t ，v 0 1 1 ，p 8 2 ，19 6 2 12 t m q u i s t ，r h r e d i k e r , r j k e y e s ，e ta 1 s e m i c o n d u c t o r m a s t e ro f g a a s a p p l p h y s l e t t ，v 0 1 1 ，p 9 1 ，1 9 6 2 【13 z i a l f e r o v , r f k a z a r i n o v s e m i c o n d u c t o rl a s e rw i t he l e c t r i c a lp u m p i n g u s s r p a t e n t ，v 0 1 8 1 7 3 ，p 2 5 4 ，1 9 6 3 9 两南大学硕+ 学伊论文 绪论 【14 h k r o e m e r ，ap r o p o s e dc l a s so fh e t e r o j u n c t i o nl a s e r s i e e e 【1 5 】黄德修半导体光电子学成都：电子科技大学出版社，1 9 9 4 1 6 】伊贺键一，小由二三夫，而发射激光器基础与应用，第一版，科学出版社， 共立出版，2 0 0 2 1 7 刘立新，赵洪东，曹萌，垂直腔而发射激光器热场特性分析，微纳电子技术， v 0 1 4 ，p 8 ，2 0 0 3 18 高洪海、林世鸣、康学军等，垂直腔而发射激光器热特性的实验研究，光子 学报，v 0 1 2 6 ，p 5 2 2 ，1 9 9 7 1 9 j a l e h m a n ，r a m o r g a n ，d c a r l s o ne ta 1 h i 曲一f r e q u e n c ym o d u l a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fr e d v c s e l s e l e c t r o n l e t t , v 0 1 3 3 ，p 2 9 8 ，19 9 7 2 0 t b s i m p s o n ，j m l 沁a g a v r i e l i d e s b a n d wp r o c ，v 0 1 5 1 ，p 1 7 8 2 ，1 9 6 3 【2 1 l e etp e ta 1 s h o r t c a v i t yi n g a a s p 坷e c t i o nl a s e r s ；d e p e n d e n c eo fm o d e s p e c t r aa n ds i n g l e l o n g i t u d i n a lm o d ep o w e ro nc a v i t yl e n g t h i e e ej o f q u a n t u me l e c t r o n ，v 0 1 1 8 ，p 1 1 0 1 ，1 9 8 2 2 2 c h h e n r yt h e o r yo f t h el i n e w i d t ho fs e m i c o n d u c t o rl a s e r s i e e ej o fq u a n t u m e l e c t r o n ，v 0 1 18 ，p 2 5 9 ，19 8 2 2 3 va l o d i ，s d o n a t i ，m m a n n a , c h a o sa n dl o c k i n gi nas e m