Диссертация (1149847), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Для удобстваанализа вместо непосредственно мощности инжекции обычно используютотношение между мощностью свободной генерации управляемого лазера имощностью инжекции.19С точки зрения теории динамических систем полупроводниковый лазер поддействиемоптическойинжекциипретерпеваетразличныебифуркации,приводящие к стационарному, периодическому или квазипериодическомурежимам генерации. Особый интерес для исследований представляет режимдинамического хаоса [40].На рисунке 3 представлена упрощенная бифуркационная диаграмма,характерная для полупроводниковых лазеров с инжекцией [36].
Здесь вкоординатах расстройки Δ и мощности инжекции нормированной на величинумощности излучения свободной генерации управляемого лазера ε качественнопоказаны области режима стабильной и нестабильной синхронизации, а такжеобласть, в которой синхронизация отсутствует.Рисунок 3 – Упрощённая бифуркационная диаграмма лазера с инжекцией. Δ – величинарасстройки; ε – мощность инжекции; LNS – область неустойчивой синхронизации; LS – областьустойчивой синхронизации; NL – область, в которой синхронизация отсутствует [36].На устойчивость режима генерации оказывают влияние прежде всего такиепараметрыкаквеличинаα-фактор,частотаикоэффициентзатуханиярелаксационных колебаний. В частности, влияние α-фактора выражается внарушении симметрии области устойчивой синхронизации относительно нулевойрасстройки. Отношение коэффициента затухания релаксационных колебаний к ихчастоте во многом определяет бифуркации, формирующие границы областейсуществования режима синхронизации.
Отметим, что аналитические выражения,определяющие области устойчивой синхронизации для лазера на квантовых ямах,были получены в работе [25] при помощи асимптотических методов.20Режим динамического хаоса проявляется в том, что интенсивностьлазерного излучения меняется во времени сложным неупорядоченным образом.Поэтомудляиспользованияоптоэлектронныхустройствнаосновеполупроводниковых лазеров в большинстве приложений необходимо тщательноеисследованиеповедение.областиДанноеисследований,впараметров,приобстоятельствокоторыхкоторыхнаблюдаетсястимулировалополупроводниковыйлазеррядуказанноетеоретическихрассматривалсякакдинамическая система. Здесь, прежде всего необходимо отметить работы [40, 41].На сегодняшний день хаотичный режим генерации и присущие емудинамические неустойчивости активно исследуются.
Существуют предпосылки киспользованию лазерных систем, работающих в указанном режиме, для созданиязакрытых каналов связи и принципиально новых вычислительных устройств.Кроме того, стремление к реализации полностью оптической обработки сигналовв системах волоконно-оптической связи требует детального понимания сложнойдинамики полупроводниковых лазеров и усилителей.В этом отношении наиболее перспективным является одномодовый лазер синжекцией, который позволяет обеспечить наиболее простое решение встающихздесь технических проблем.
Понимание процессов, происходящих в подобномлазере, позволить в дальнейшем перейти к исследованию более сложныхлазерных систем.Очевидно, что полупроводниковый лазер с оптической инжекцией можетбыть рассмотрен как нелинейная динамическая система, в которой проявляютсятакие эффекты как мультистабильность и генерация возбужденных колебаний.Последняя будет более подробно рассмотрена в одной из следующих глав.Необходимо отметить, что при рассмотрении явления синхронизации,система управляющий-управляемый лазер по своим свойствам во многомнапоминает систему двух связанных осцилляторов. Одной из первых работ,исследовавшейсинхронизацию,наблюдаемуювсистемесвязанныхосцилляторов, представляющих собой связанные колебательные контуры, была[42].
В указанной работе было впервые получено дифференциальное уравнение21относительно разности фаз связанных осцилляторов как функции времени ипредложен механический аналог наблюдаемой системы.Динамика связных лазеров в действительности имеет сходство с динамикойосцилляторов, которые исследовал в своей работе Р. Адлер. Однако рядспецифических особенностей лазера, к числу которых, прежде всего, необходимоотнести α-фактор, качественно отличают указанную динамику.В работе [43] было продемонстрировано, что лазер с инжекцией в режимесинхронизацииобеспечиваетодномодовыйрежимгенерациипривысокочастотной модуляции. В работе [44] были проанализированы некоторыесвойства полупроводникового лазера, работающего в режиме синхронизации.Была установлена асимметрия кривой перестройки частоты, наблюдалисьспецифические динамические неустойчивости.
В работе [45] представленоподробноетеоретическоесуществованиярежимаполуклассическогоиэкспериментальноеустойчивойподходаисследованиесинхронизации.построенамодель,В[46]наописывающаяусловийосновесужениеспектральной линии и частотную селекцию при инжекции узкополосногооптического сигнала в лазер с широкополосным спектром излучения.В работе [47] была показана эквивалентность уравнений модели,описывающей генерацию импульсов излучения одномодового лазера и уравнениймодели, предложенной Э.Н.
Лоренцем для описания конвекции в жидкости,которая, как известно, обладает сложным динамическим поведением. Большоеколичество работ было связано с исследованием нелинейной динамики лазеровразличных типов, включая, динамику полупроводниковых лазеров с инжекцией иобратной связью [48-52].Вработе[48]впервыепроведенодетальноеэкспериментальноеисследование вызванных инжекцией различных нелинейных динамическихэффектов. В [49] было обнаружен переход к режиму динамического хаоса путемудвоения периода.22Подробный обзор работ по исследованию нелинейной динамики вполупроводниковых лазерах с инжекцией внешнего оптического сигналаприведен в работе [39].Активное исследование нелинейной динамики полупроводниковых лазеровс инжекцией продолжается. Развитие лазерной техники и появление новыхприложений выявляют растущую потребность в глубоком теоретическомисследовании широко спектра динамических явлений, наблюдаемых на практике.1.3.2 Динамика лазеров с обратной связьюВобщемслучаеобратнаясвязьвлазерепредставляетсобойперенаправление при помощи каких-либо технических средств (чаще всегоиспользуется внешнее зеркало) части собственного излучения лазера обратно влазерный резонатор.
Принципиальная схема лазера с обратной связью приведенана рисунке 4.Рисунок 4 – Принципиальная схема обеспечения обратной связи. L – резонатор лазера;M –внешнее зеркало.Очевидно, что внешнее зеркало формирует дополнительный резонатор сосвоими собственными частотами, отличными от частот исходного резонатора.Данное обстоятельство во многом и объясняет влияние обратной связи надинамические свойства лазеров. К основным параметрам, определяющимуказанное влияние, относятся ток накачки, оптическая длина внешнегорезонатора, мощность обратной связи, определяемая долей отраженного отвнешнего зеркала излучения.23При определенных условиях наличие обратной связи позволяет увеличитьдиапазон частотной перестройки лазера, снизить ширину спектра излучения,повысить степень когерентности излучения, а также обеспечить режимсинхронизации мод.Однако в общем случае обратная связь вызывает различные динамическиенеустойчивости выходного излучения.
В целом, в рассматриваемом случаелазерная динамика чрезвычайно сложна. Не последнюю роль здесь играетбольшая величина α-фактора.Возникающие в лазерах с обратной связью динамические неустойчивостимогут быть разделены на два типа. Первый тип неустойчивостей связан сбиениями частоты излучения между частотами, характеризующими модывнешнего резонатора. Второй тип характеризуется индуцированными обратнойсвязьюпульсациямиинтенсивности,возникающимивследствиесильнойзависимости плотности носителей от коэффициента преломления активной среды.Знаковойработойвобластиисследованияобратнойсвязивполупроводниковых лазерах стала работа [38]. В указанной работе лазерноеизлучение направлялось обратно в исследуемый лазер при помощи внешнегозеркала. При помощи модели лазера с внешним резонаторам, удалось объяснитьтакие экспериментально наблюдаемые явления как мультистабильность игистерезис интенсивности излучения.
Кроме того было показано, что взависимости от условий интерференции между излучением, отраженным отвнешнего зеркала, и излучением внутри резонатора, обратная связь можетоказывать существенное влияние на динамические характеристики лазера вцелом.В работе [53] теоретически исследовано влияние обратной связи на ширинулинии излучения одномодового инжекционного лазера. Было показано, что линияимеет лоренцовский спектральный контур. При этом под действием обратнойсвязи может происходить как сужение, так и уширение линии в зависимости отдлины внешнего резонатора.
Было исследовано влияние α-фактора на сужениеспектральной линии.24Резкое уширение линии излучения под действием обратной связиопределенной мощности носит название коллапса когерентности [54]. При этомдлина когерентности лазерного излучения снижается на несколько порядков[55]. Для понимания причин этого чрезвычайно сложного динамического явлениябыло проведено множество теоретических и экспериментальных исследований. Вработе [56] было показано, что ключевую роль в рассматриваемом явлениеиграют индуцированные обратной связью релаксационные колебания.Другойформойдинамическихнестабильностей,наблюдаемыхподдействием обратной связи, являются низкочастотные пульсации лазерногоизлучения [57].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
