大幅度增加弛豫振蕩頻率來實現毫米級外腔半導體激光器的外腔機制轉換?

王永勝趙彤王安幫張明江王云才

1)(太原理工大學,新型傳感器與智能控制教育部重點實驗室,太原 030024)

2)(太原理工大學物理與光電工程學院,光電工程研究所,太原 030024)

大幅度增加弛豫振蕩頻率來實現毫米級外腔半導體激光器的外腔機制轉換?

王永勝1)2)趙彤1)2)王安幫1)2)?張明江1)2)王云才1)2)

1)(太原理工大學,新型傳感器與智能控制教育部重點實驗室,太原 030024)

2)(太原理工大學物理與光電工程學院,光電工程研究所,太原 030024)

混沌,半導體激光器,光反饋,弛豫振蕩頻率

1 引 言

光通信在人們的生活中顯示了越來越重要的作用.混沌作為光通信的一個領域,由于其物理熵源具有寬帶、不可預測、類隨機等特征,近年來在保密通信[1?3]、隨機數生成[4,5]、混沌雷達[6,7]、混沌光時域反射儀等[8,9]方面具有重要的應用.

光反饋半導體激光器系統是混沌激光生成的最重要的方式之一,該系統有兩種不同類型的振蕩,即弛豫振蕩和外腔反饋振蕩[10].一定條件下,腔長固定時,增大弛豫振蕩頻率可以實現由短腔機制到長腔機制的轉換[11],但是它們僅僅改變了注入電流,弛豫振蕩頻率的改變有限,其集成腔為13.5 mm,反饋延遲高達0.25 ns,換算成真空距離為37.5 mm,這個距離遠遠大于蝶形封裝的尺寸.

基于分立器件的混沌半導體激光器存在結構不穩定、體積大、應用受限、成本高等問題,只適用于實驗室.因此混沌半導體激光器的集成成為混沌激光技術實用化的關鍵.與離散器件組成的裝置相比,光子集成電路具有其獨特的優點,如尺寸較小、成本較低、穩定性較好和適用于大批量生產等[12?14].作為光子集成電路中的一種,單片集成半導體激光器因其獨特性引起了廣泛關注[15?34].因此,陸續報道了單片集成半導體激光器的動態特性及其應用,例如光微波生成[24,25]、高速物理隨機數的產生[26?28]、混沌同步和通信[18,29?31]以及時鐘恢復[32,33]等.Ushakov等[16]研究了一種超短集成分布式光反饋單片集成半導體激光器的動態特性,并且觀測到了兩種與不同頻率規則自脈沖有關的霍普夫分岔.Youse fi等[17]報道了單片集成半導體激光器中倍周期進入混沌的現象,并且證明了,與離散器件組成的裝置相比,單片集成半導體激光器在整個壽命周期中都具有更加穩定的動態特性.Argyris等[18,26,31]設計并研制了一種新奇的四段式單片集成半導體激光器,這種集成結構被視為一種結構緊湊并具有潛力的發射器.2011年,Harayama等[27]聯合研制了一種環形的單片集成半導體激光器芯片,此芯片包含一個分布式反饋激光器(DFB)激光器、兩個獨立的光放大區(SOA)、環形無源光波導以及一個快速光電探測器(PD).同年,Harayama等又聯合研制了另外一種單片集成半導體激光器芯片,此芯片包含一個DFB激光器、兩個SOA、一條無源光波導作為直腔反饋裝置以及一個快速光電探測器[20],然后將兩片此種混沌半導體激光器芯片封裝在一個模塊中,并行輸出兩路不相關的混沌電信號[21,28].Tronciu等[19]研制了帶有空氣隙的多反饋光子集成半導體激光器芯片,并在理論和實驗上討論了這種新型結構的動態特性.Wu等[22]設計并研制了一種尺寸為780μm的單片集成放大反饋半導體激光器芯片,并研究了這種單片集成芯片的動態特性.Liu等[23]也設計了一種新型的單片集成混沌半導體激光器芯片,理論上分析了這種結構的動態特性和優點.以上的集成結構里面包含了放大區、相位區或者高反射層中的一種及以上,這些區域集成的成本較大,且集成的工藝復雜度及難度較大,更致命的是其生成混沌的參數空間較小,混沌態對參數的變化很靈敏.

外腔半導體激光器的外腔機制包括長腔機制和短腔機制,弛豫振蕩頻率小于或接近于外腔振蕩頻率時,外腔半導體激光器輸出態是短腔機制;弛豫振蕩頻率大于外腔振蕩頻率時,外腔半導體激光器輸出態是長腔機制.外腔機制轉換方法有兩種情形:一是固定弛豫振蕩頻率,調節外腔振蕩頻率;二是固定外腔振蕩頻率,調節弛豫振蕩頻率.弛豫振蕩頻率的影響因素有載流子壽命、注入電流比、光子壽命、增益系數和閾值載流子密度等,外腔振蕩頻率與外腔長度有關.總之,改變外腔長度、載流子壽命、注入電流比、光子壽命、增益系數和閾值載流子密度等都可能實現短腔機制向長腔機制的轉換.本文研究了蝶形封裝尺寸下集成混沌半導體激光器的特性,發現毫米級別的外腔半導體激光器對激光器內部參數和外部參數的變化都極其敏感.這一特性勢必會給混沌集成外腔半導體激光器的制作帶來一定的難度,故而我們在集成尺寸下將短腔機制轉換到長腔機制,進而保障集成外腔半導體激光器混沌態的穩定性.本文同時調節注入電流和載流子壽命來大幅度地增加弛豫振蕩頻率,從而實現由短腔機制到長腔機制的轉換,進而分析長腔機制下毫米級外腔半導體激光器輸出混沌態的穩定性,為混沌外腔半導體激光器的集成化提供理論支撐.制作集成混沌激光器時,需要首先確定外腔腔長和外腔反饋率,本文重點分析了外腔反饋率和外腔腔長對頻譜帶寬和混沌區域的影響.

2 理論模擬

2.1 原理圖

本文提出的光子集成混沌激光器的設計原理,用半透半反鏡取代高反射層,根據預先測試的激光器芯片的內部參數和仿真結果,構建高帶寬混沌產生所需的條件和結構,即外腔腔長和外腔反饋功率比等.將所需的激光器芯片、半透半反鏡、準直透鏡和耦合透鏡蝶形封裝在圖1所示的結構中.封裝之后,穩定蝶形封裝模塊的內部參數,精確控制外部注入電流,有效保證整個模塊的穩定性.如圖1所示,DFB激光芯片的一部分輸出光經過紅色虛線所示的路徑進行傳播,并在半透半反鏡處將光反饋回到DFB激光芯片,形成光反饋.最后經耦合透鏡將混沌光輸出.

圖1 面向蝶形封裝的混沌外腔半導體激光器的原理圖Fig.1. Schematic diagram of a chaotic integrate external-cavity semiconductor lasers face to butter fly packaging.

2.2 理論模型與速率方程

針對如圖1所示的裝置圖,采用典型的單反饋半導體激光器的速率方程(1)—(3)模擬半導體激光器的電場振幅A、相位Φ和腔內載流子密度N.

方程(1)—(6)中各個參數的具體含義及其單位如表1所列.方程(5)是弱反饋時激光器固有的弛豫振蕩頻率的方程[35].由方程(5)可知,弛豫振蕩頻率的大小與注入電流和載流子壽命有關.由于弛豫振蕩頻率的大小與注入電流比和載流子壽命有關,因此本文通過調節注入電流比和載流子壽命來實現弛豫振蕩頻率的大幅度增加,進而實現毫米級外腔半導體激光器的腔長機制的轉換.載流子壽命是指載流子間的復合使載流子逐漸消失時,其平均存在的時間.一般來說,載流子壽命取決于復合概率和材料中的載流子濃度,實際操作中可以利用縮減激光器基底區厚度的方法將載流子壽命縮減到ps量級.挪威科技工業研究院的Bjerkan等[36]以及Wen[37]測了三組半導體激光器的載流子壽命的范圍為0.2—0.4 ns.根據以上小組的測試范圍及我們課題組使用激光器載流子壽命的范圍,選擇載流子壽命在0.1—2 ns的范圍進行了理論仿真.對方程(6)求微分可得

由方程(7)可知,腔長變化量相同時,外腔振蕩頻率增量與腔長的平方成反比,腔長越小時,外腔振蕩頻率增量越大;反之,外腔振蕩頻率增量越小.腔長長度較小時,外腔振蕩頻率會嚴重影響頻譜的帶寬,生成的混沌的參數空間區域較小,這也是集成混沌激光器方面國內外各個小組所面臨的難題之一.另外腔長的長短機制是相對的,它是由外腔振蕩頻率和弛豫振蕩頻率這兩個參數的相對比來決定的,外腔長度只是參考量,并不是其本質因素.這也是后面模擬結果中短腔長變化時,外腔半導體激光器的動態在混沌與非混沌之間波動的兩個主要原因.

表1 基于光反饋混沌激光系統的不同參數Table 1.Different parameters of chaotic system based on optical feedback semiconductor laser.

2.3 帶寬計算

頻譜的帶寬是指該信號所包含的各種不同頻率成分所占據的頻率范圍,本次計算的是80%能量所占的頻率范圍.

3 模擬結果

3.1 5.6 GHz的弛豫振蕩頻率

圖2 當弛豫振蕩頻率為5.6 GHz時,不同反饋腔長下混沌外腔半導體激光器的頻譜帶寬Fig.2.Spectral bandwidth value of the output from the chaotic external-cavity semiconductor lasers under different external-cavity length when relaxation oscillation frequency is 5.6 GHz.

為了分析外腔腔長對頻譜帶寬的影響,圖2給出了不同反饋腔長下、弛豫振蕩頻率為5.6 GHz時混沌外腔半導體激光器的頻譜帶寬的變化曲線.由圖可知,增大腔長,頻譜帶寬會出現波浪式下降和上升;另一方面,與腔長為40—100 mm的區間相比,頻譜帶寬對1—20 mm外腔半導體激光器的腔長變化極其敏感.腔長為1—20 mm時,隨著腔長變化,頻譜帶寬會在0和高帶寬之間波動,而造成波動范圍較大的原因是隨著腔長變化,外腔半導體激光器的動態在混沌與非混沌之間波動;腔長為40—100 mm時,隨著腔長變化,頻譜帶寬只在很小的區域波動,造成波動范圍較小的原因是隨著腔長變化,外腔半導體激光器的動態在混沌態內波動.為了探究波動峰與谷的區別,放大7—14 mm這個區間,頻譜帶寬在7.6 mm處出現極大值,頻譜帶寬在11.5 mm處出現極小值.總之,頻譜帶寬并沒有隨腔長的增加而減小,而是波浪式下降和上升.短腔機制下,頻譜帶寬對腔長變化極其敏感,外腔半導體激光器的動態會在混沌與非混沌之間波動;長腔機制下,頻譜帶寬對腔長變化不太敏感,頻譜帶寬值會小范圍變化,但外腔半導體激光器的動態一直都是混沌態.

為了得出外腔反饋率和外腔長對外腔半導體激光器頻譜帶寬的影響規律,圖3給出了當弛豫振蕩頻率為5.6 GHz時,外腔半導體激光器的頻譜帶寬在外腔反饋率和外腔長的參數空間中的分布,其中圖3(b)為圖3(a)的放大圖,黑色區域頻譜帶寬小于1 GHz,則被確定為非混沌區域;其他顏色區域為混沌態,不同顏色代表不同值.腔長為1—20 mm時,隨著腔長變化頻譜帶寬會在0和高帶寬之間波動,造成波動范圍較大的原因是隨著腔長變化,外腔半導體激光器的動態在混沌與非混沌之間波動;腔長為30—60 mm時,隨著腔長變化,頻譜帶寬只在很小的區域波動,而造成波動范圍較小的原因是隨著腔長變化,外腔半導體激光器的動態在混沌態內波動.弛豫振蕩頻率為5.6 GHz,對應的弛豫時間是0.179 ns,相應的長度為26.7 mm.可見穩定混沌區域與非穩定混沌區域的分界處在短腔與長腔的分界處附近.總之,短腔機制下,頻譜帶寬對腔長變化極其敏感,頻譜帶寬不連續變化,外腔半導體激光器的動態會在混沌與非混沌之間波動;長腔機制下,頻譜帶寬對腔長變化不太敏感,頻譜帶寬值會小范圍變化,但外腔半導體激光器的動態一直都是混沌態.

圖3 (網刊彩色)當弛豫振蕩頻率為5.6 GHz時,外腔半導體激光器頻譜帶寬在外腔反饋率和外腔長參數空間中的分布,(b)為(a)的放大圖Fig.3.(color online)Mapping of the spectral bandwidth value of the external-cavity semiconductor lasers in the parameter space of power re flectivity and length of the external cavity when relaxation oscillation frequency is 5.6 GHz,(b)is the enlarging figure of(a).

3.2 增加弛豫振蕩頻率來實現腔長機制的轉換

為了大幅度地增加弛豫振蕩頻率,在增大注入電流的同時減小載流子壽命.圖4給出了不同載流子壽命下,固定腔長為5.4 mm(外腔振蕩頻率為27.8 GHz),面向蝶形封裝的集成外腔半導體激光器輸出的頻譜和自相關.第一行載流子壽命為2 ns時,弛豫振蕩頻率為21.6 GHz,小于外腔頻率,屬于短腔機制,自相關曲線在0.05和0.09 ns處有峰值;第二行載流子壽命為0.2 ns時,弛豫振蕩頻率為44.1 GHz,大于外腔頻率,屬于長腔機制,自相關曲線在0.02,0.05,0.07和0.09 ns處有峰值.結果表明:增大注入電流的同時減小載流子壽命可以將弛豫振蕩頻率提高到40 GHz以上.如果弛豫振蕩頻率是40 GHz,對應的弛豫振蕩是0.025 ns,換算成長度為3.75 mm,即腔長大于3.75 mm為長腔機制,這個尺寸完全符合蝶形封裝尺寸的標準.

圖4 不同載流子壽命下,面向蝶形封裝的集成外腔半導體激光器輸出的(a)頻譜,(b)自相關Fig.4.(a)Power spectra and(b)autocorrelation of output from the integrate external-cavity semiconductor lasers face to butter fly packaging under different carrier lifetime.

3.3 40 GHz的弛豫振蕩頻率

為了大幅度增加弛豫振蕩頻率,以期在集成尺寸內達到外腔半導體激光器進入長腔機制所需的條件,在40 GHz的弛豫振蕩頻率下分析了外腔長度對頻譜帶寬的影響.圖5給出了不同反饋腔長下混沌外腔半導體激光器的頻譜帶寬的變化曲線.與腔長為6—12 mm的區間相比,頻譜帶寬對1—6 mm外腔半導體激光器的腔長變化極其敏感.腔長為1—6 mm時,隨著腔長變化頻譜帶寬會在0和高帶寬之間波動,造成波動范圍較大的原因是隨著腔長變化,外腔半導體激光器的動態在混沌與非混沌之間波動;腔長為6—12 mm時,隨著腔長變化,頻譜帶寬只在很小的區域波動,造成波動范圍較小的原因是隨著腔長變化,外腔半導體激光器的動態在混沌態內波動.總之,短腔機制下,頻譜帶寬對腔長變化極其敏感,外腔半導體激光器的動態會在混沌與非混沌之間波動;長腔機制下,頻譜帶寬對腔長變化不太敏感,頻譜帶寬值在小范圍變化,但外腔半導體激光器的動態一直都是混沌態.腔長為6—12 mm時,可以實現比較穩定的混沌態,考慮到實際中集成材料的折射率,相同延遲時間下,可以將實際中的腔長縮短到模擬腔長的1/3左右,這樣就可以實現毫米級的集成混沌外腔半導體激光器的穩定性.

圖5 當弛豫振蕩頻率為40 GHz時,不同反饋腔長下的混沌外腔半導體激光器頻譜帶寬Fig.5.Spectral bandwidth value of the output from the chaotic external-cavity semiconductor lasers under different external-cavity length when the relaxation oscillation frequency is 40 GHz.

為了與圖3(b)形成對比,選擇腔長在2—20 mm范圍內進行理論模擬.為了得出外腔反饋率和外腔長對外腔半導體激光器頻譜帶寬的影響規律,圖6給出了當載流子壽命為0.1 ns和弛豫振蕩頻率為40 GHz時外腔半導體激光器的頻譜帶寬在外腔反饋率和外腔長的參數空間中的分布,其中圖6(b)為圖6(a)的放大圖,黑色區域頻譜帶寬小于1 GHz,則被確定為非混沌區域;其他顏色區域為混沌態,不同顏色代表不同值.外腔反饋率從2%增加到11%,外腔長度從2 mm增加到20 mm時,得到了外腔半導體激光器頻譜帶寬的分布圖.腔長為2—4 mm時,隨著腔長變化頻譜帶寬會在0和高帶寬之間波動,波動范圍較大,而造成這種波動的原因是隨著腔長變化外腔半導體激光器的動態在混沌與非混沌之間波動;腔長為4—20 mm時,隨著腔長變化頻譜帶寬只在很小的區域波動,造成波動范圍較小的原因是隨著腔長變化,外腔半導體激光器的動態在混沌態內波動.腔長為4—20 mm時,可以實現比較穩定的混沌態,考慮到集成材料的折射率,相同延遲時間下,可以將實際中的腔長縮短到模擬腔長的1/3左右,可以實現毫米級集成混沌外腔半導體激光器混沌態的穩定性.

圖6 (網刊彩色)弛豫振蕩頻率為40 GHz時,外腔半導體激光器頻譜帶寬在外腔反饋率和外腔長參數空間中的分布圖,(b)為(a)的放大圖Fig.6.(color online)Mapping of the spectral bandwidth value of the external-cavity semiconductor lasers in the parameter space of power re flectivity and length of the external cavity when the relaxation oscillation frequency is 40 GHz,(b)is the enlarging figure of(a).

4 結 論

分析結果表明:短腔機制下,輸出混沌態不穩定,0.1 mm的偏差就會導致混沌態與非混沌態之間的轉化;長腔機制下,輸出混沌態穩定,輸出混沌區域較大,證明長腔機制下更有益于獲得寬帶連續的混沌區域.在弛豫振蕩頻率為40 GHz、外腔長度為mm級時,實現了外腔半導體激光器的長腔機制,從而增大了高帶寬混沌的參數空間.考慮到集成材料的折射率,集成長腔機制下的腔長最小可以達到1—2 mm.這種腔長完全符合蝶形封裝尺寸的要求.

外腔機制轉換方法有兩種情形:一是固定弛豫振蕩頻率,調節外腔振蕩頻率;二是固定外腔振蕩頻率,調節弛豫振蕩頻率.弛豫振蕩頻率的影響因素有載流子壽命、注入電流比、光子壽命、增益系數和閾值載流子密度等,外腔振蕩頻率與外腔長度有關.總之,改變外腔長度、載流子壽命、注入電流比、光子壽命、增益系數和閾值載流子密度等都可能實現短腔機制向長腔機制的轉換.這些轉換方法的綜合應用和效果疊加也許會幫助實現超短尺寸外腔半導體激光器的外腔機制的轉換,生成具有數十GHz外腔振蕩頻率和數百GHz弛豫振蕩頻率的超高帶寬且特性穩定的混沌激光.

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Conversion of external cavity mechanism of millimeter-level external cavity semiconductor laser by significantly increasing relaxation oscillation frequency?

Wang Yong-Sheng1)2)Zhao Tong1)2)Wang An-Bang1)2)?Zhang Ming-Jiang1)2)Wang Yun-Cai1)2)

1)(Key Laboratory of Advanced Transducers and Intelligent Control System of Ministry of Education,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)
2)(Institute of Optoelectronic Engineering,College of Physics and Optoelectronics,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

16 April 2017;revised manuscript

25 June 2017)

Optical chaos has conducted in-depth investigation and attracted widespread attention in recent years,owing to its important applications in chaos-based secure communication,fast physical random bit generation,chaotic laser radar,lidar,chaotic optical time domain reflectometer,distance measurement,and optical fiber sensor.The key to these applications is a compact and broadband chaotic light source,because the integrated circuits have an advantage over those setups composed of discrete components in some unique virtues such as smaller size,lower cost,better stability,and better reproducibility via mass production.In order to combine the advantages of the chaotic application and integrated circuits,the integrated chaotic external-cavity semiconductor laser has aroused great interest.Note that,the integrated chaotic external-cavity semiconductor laser can work in both short-and long-cavity mechanisms,which depends on the laser relaxation oscillation frequency.The output of chaotic external cavity semiconductor laser has obvious relaxation oscillation characteristic.When the relaxation oscillation frequency is less than the external-cavity oscillation frequency,the external-cavity semiconductor laser works in short-cavity mechanism.Otherwise,it works in long-cavity mechanism.In this paper,we comparatively analyze the effects of fine-tuning cavity length on the effective bandwidth of the integrated external-cavity semiconductor laser under both short-and long-cavity mechanisms.

First,we comparatively analyze the effects of fine-tuning cavity length and external-cavity feedback rate on the effective bandwidth of the integrated external-cavity semiconductor laser when relaxation oscillation frequency is 5.6 GHz.At the same time,the injection current and carrier lifetime are adjusted to observably increase the relaxation oscillation frequency.Finally,we comparatively analyze the effects of fine-tuning cavity length and external-cavity feedback rate on the effective bandwidth of the integrated external-cavity semiconductor laser when relaxation oscillation frequency is 40 GHz.Results show that for short-cavity mechanism,the chaotic output is not stable:0.1-mm deviation will lead to the conversion from chaotic state into non-chaotic state.By contrast,for the long-cavity mechanism,the chaotic output is more stable and has a larger chaotic area.It proves that the long-cavity mechanism is more feasible and conducive to the continuous achievement of a broadband chaotic laser and broadband continuous chaotic region.According to this feature,we realize the transition from short to long cavity regime by adjusting the injection current and carrier lifetime to substantially increase the relaxation oscillation frequency at the same time.We realize the transition from short to long cavity regime in a cavity length range from 2 mm to 10 mm,and then analyze the in fluences of the external cavity rate and external cavity length on the spectrum bandwidth of the external cavity semiconductor laser.The results show that under the long cavity mechanism,it is more conducive to the achievement of a broadband continuous chaotic region in a cavity lengt range from 4 mm to 20 mm.Considering the refractive index of integrated material,the external-cavity length for long-cavity mechanism can be shortened to a range from 1 mm to 2 mm.This length fully conforms to the butter fly packaging size.

chaos,integrated semiconductor lasers,optical feedback,relaxation oscillation frequency

PACS:42.55.Px,05.45.Gg,05.40.–aDOI:10.7498/aps.66.234204

*Project supported by the International Science and Technology Cooperation Program of China(Grant No.2014DFA50870)and the National natural science foundation of National Major Scientific Instruments Development Project(Grant No.61527819).

?Corresponding author.E-mail:wanganbang@tyut.edu.cn

(2017年4月16日收到;2017年6月25日收到修改稿)

混沌外腔半導體激光器輸出明顯存在弛豫振蕩特征,弛豫振蕩頻率小于外腔振蕩頻率時,外腔半導體激光器輸出態是短腔機制;反之,外腔半導體激光器輸出態是長腔機制.首先對比分析了弛豫振蕩頻率為5.6 GHz,腔長對頻譜有效帶寬的影響.然后同時調節注入電流和載流子壽命來大幅度地增加弛豫振蕩頻率.最后在弛豫振蕩頻率為40 GHz、腔長為毫米級(4—20 mm)時,實現由短腔機制到長腔機制的轉換,進而分析了外腔反饋率和外腔長對外腔半導體激光器頻譜帶寬的影響.分析結果表明:短腔機制下,輸出混沌態不穩定,0.1 mm的偏差就會導致混沌態與非混沌態之間的轉化;長腔機制下,輸出混沌態穩定,輸出混沌區域較大,證明長腔機制下更有益于獲得寬帶連續的混沌區域.在弛豫振蕩頻率為40 GHz、外腔長度為毫米級時,實現了外腔半導體激光器的長腔機制,從而增大了高帶寬混沌的參數空間.

10.7498/aps.66.234204

?國家國際科技合作專項(批準號:2014DFA50870)和國家自然科學基金國家重大科研儀器研制項目(批準號:61527819)資助的課題.

?通信作者.E-mail:wanganbang@tyut.edu.cn