半导体激光器光反馈效应及其应用的理论研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 8 4 1.18MB 54 页 15积分

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摘要

半导体激光器以其独特的优点，体积小、成本低和直接调制速率高等，己经

成为一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，在遥感领域，利用半导体激光器自

混合效应的特性，可以实现脉冲调制测距。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，混沌同步有效应用于保密通信中。

本文围绕半导体激光器光反馈效应的特性及其应用，进行了以下三方面内容

的理论研究。

1．本文利用半导体激光器的 Lang-Kobayashi 方程，对半导体激光自混合干

涉仪系统的动力学特性进行了仿真分析，分析了光反馈系数和外腔长度对系统稳

定性的影响。研究结果表明，当光反馈系数较小时，激光器处于稳定状态，外腔

长度不影响系统的稳定性；当光反馈系数较大时，激光器将进入不稳定状态，对

于不同的外腔长度，激光器的稳定状态将发生变化。为实现大量程的位移或距离

测量，光反馈系数必须足够小，才能保证在较大外腔长度变化范围内，激光器始

终处于稳定状态。

2．本文提出一种基于半导体激光器自混合效应的脉冲调制测距方法，是通

过向激光器注入脉冲电流对输出功率进行调制，同时利用激光器自混合效应实现

测距。这是一种新型的测量方法，系统结构上极其简单、紧凑，具有潜在的应

用。利用半导体激光器的 Lang-Kobayashi 方程，对半导体激光器自混合干涉系统

的动力学特性进行了仿真，分析了脉冲电流和反馈系数对输出信号的影响。研究

表明，选择较大的脉冲电流能有效地抑制信号尖峰，改善输出信号波形的质量。

在自混合干涉仪应用中，为获得较强的干涉信号，通常希望反馈光比较强。但

是，从本课题的研究结果可以看出，反馈光不能过强，必须合理选择反馈光强

度。

3．本文对非相干光反馈激光混沌同步控制系统进行理论仿真研究，系统采

用驱动-响应混沌同步技术，分析其同步时间、同步误差、混沌键控编码/解码，

以及调制速率等特性，探讨高速保密通信的可行性，并为系统设计提供理论指

导。研究结果表明，系统混沌同步建立时间为 1ns，混沌键控编码速率可达

1Gbit/s，且系统具有很好的保密性，证明了用于激光保密通信的可行性。

关键词：半导体激光器光反馈效应自混合干涉脉冲调制混沌同步

ABSTRACT

Laser diodes have been used widely in many applications, because they are small,

in expensive, easy to modulate directly, and especially can lase with narrow line width

or chaotic state under proper optical feedback. In the area of remote sensing, using

dynamic characters of a self-mixing effect laser-diode, a method for measuring distance

of pulse modulation base on semiconductor laser was presented. In addition, while as

the light source in high-capacity, long-haul and high speed fiber-optic communications,

chaotic synchronization can be used effectively in secure communications.

Focusing on characters of optical feedback effect with the laser-diode, this thesis

mainly includes three parts that:

1. Using the Lang-Kobayashi equation of the semiconductor lasers, the simulation

analysis has been given for the dynamic characters of a self-mixing laser-diode

interference system. It is demonstrated experimentally that semiconductor laser with a

week optical feedback index, whose external-cavity length hardly makes no influence

on the system stability, will be in a state of stability; whereas in case of a strong optical

feedback index, it’s state will be in reverse and the capability of that stability will

change with the length of external-cavity.

2. A method for measuring distance of pulse modulation base on semiconductor

laser was presented, which modulates the output power by injecting pulse electricity,

and then using laser Self-mixing effect measures distance. The structure of this system

was very simple and compact. Using the Lang-Kobayashi equation of the

semiconductor lasers, analyze the influence on which pulse electricity and feedback

index make the putout signal.

3. In this thesis, we numerically study chaotic synchronization communication

system based on incoherent optical feedback and incoherent optical injection. The

characteristics of the system, such as synchronization time, synchronization error, chaos

shift keying encode/decode and modulation rate are analyzed. It is demonstrated

experimentally that the setting time of system chaotic synchronization is 1ns,and the

speed of the chaos shift keying encode can reach to 1Gbit/s. Further more, this system

has good synchronization quality, and it is proved that it can be feasibility in the laser

secure communication.

Key Word: semiconductor laser, optical feedback effect, self-mixing

interference, pulse modulation, chaotic synchronization

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...................................................................................................................1

§1.1 课题研究的背景及意义 .......................................................................................1

§1.2 半导体激光器光反馈动力学特性的简述 ...........................................................2

§1.3 半导体激光器光反馈效应的应用意义 ...............................................................3

§1.4 半导体激光器光反馈效应的研究进展 ...............................................................5

§1.5 本课题所研究的内容 ...........................................................................................6

第二章半导体激光自混合干涉稳定性的仿真分析 ....................................................8

§2.1 引言 .......................................................................................................................8

§2.2 光反馈自混合干涉理论研究进展 .......................................................................8

§2.3 光反馈自混合干涉系统组成 .............................................................................10

§2.4 光反馈自混合干涉的模型及其原理 .................................................................11

§2.5 半导体激光器自混合干涉的动力学系统 .........................................................13

§2.6 仿真分析 .............................................................................................................14

§2.7 总结 .....................................................................................................................19

第三章基于半导体激光器自混合效应的脉冲调制测距方法 ..................................20

§3.1 引言 .....................................................................................................................20

§3.2 激光测距概述 .....................................................................................................20

§3.2.1 相位激光测距 ...............................................................................................21

§3.2.2 脉冲激光测距法 ...........................................................................................22

§3.3 半导体激光器自混合效应的脉冲调制测距模型 .............................................23

§3.4 仿真分析 .............................................................................................................25

§3.4.1 激光器注入脉冲电流对输出信号的影响 ...................................................26

§3.4.2 激光器反馈系数对输出信号的影响 ...........................................................27

§3.4.3 结果分析 .......................................................................................................28

§3.5 总结 .....................................................................................................................29

第四章非相干光反馈与非相干光注入混沌同步通信系统仿真分析 ......................30

§4.1 引言 .....................................................................................................................30

§4.2 半导体激光器的混沌特性 .................................................................................30

§4.3 半导体激光器的混沌同步在保密通信中的应用研究 .....................................33

§4.3.1 混沌同步概述 ...............................................................................................33

§4.3.2 混沌同步的定义 ...........................................................................................34

§4.3.3 混沌同步的应用 ...........................................................................................35

§4.3.4 混沌通信 .......................................................................................................36

§4.3.5 混沌同步保密通信研究的问题 ...................................................................37

§4.4 非相干激光反馈与非相干光注入混沌同步的系统原理与模型 .....................38

§4.5 仿真分析 .............................................................................................................40

§4.5.1 激光器混沌与混沌同步特性 .......................................................................40

§4.5.2 混沌键控编码与解码 ...................................................................................43

§4.6 总结 .....................................................................................................................44

第五章结论 .................................................................................................................45

参考文献 .........................................................................................................................46

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................51

致谢 ...............................................................................................................................52

第一章绪论

§1.1 课题研究的背景及意义

半导体激光器已经广泛应用于各种领域，主要包括激光遥感[1-2]、数据存储与

读取[3]、光谱技术[4]、固体激光器的抽运源[5]以及光通信网络中的光源[6]、放大器

[7]、波长转换器[8-9]等。如此广泛的应用得益于其独特的优点：首先，体积小，典

型Fabry-Perot 腔激光器（FP-LD）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

宽已达到 25GHz[10]。

在激光应用系统中，许多因素会对激光器产生光反馈。所谓光反馈是激光器

输出光被外部物体反射或者散射，其中一部分光又反馈回激光器谐振腔中的现

象，如准直透镜等光学元件、光探测器表面等的光反射和光学非线性效应的背向

散射光[11-13]等。反馈光作用的结果是严重影响激光器的输出特性，当反馈光达到

一定强度时，将引起谱线展宽[14-16] ，模式的不稳定，甚至会出现相干猝灭

(Coherent collapse)现象[17-21]。这种反馈光引起激光器输出特性发生变化的现象称

为光反馈效应（Optical feedback effect）[22-25]。尤其是在半导体激光器中，由于是

以解理面直接作为谐振腔的反射镜，其反射率很小，反馈光耦合进谐振腔的效率

非常高，对光谱特性的影响就非常强烈。因此，在半导体激光器的各种应用中，

都要使用光隔离器，来避免反馈光耦合进谐振腔而产生的不利影响。

但人们也逐渐发现了反馈光可供积极利用的一面。最为典型的是用于压缩激

光器线宽度。在大容量光纤通信系统、高分辨率激光光谱、可调激光器及大量程

干涉测量应用中，都要求激光器具有窄的谱线宽度。研究表明，当反馈光具有一

定的强度和相位时，激光器线宽可以得到一定程度的压窄。这种特性已得到广泛

应用，尤其是半导体激光器由于腔长比较短，谱线宽度较气体激光器要大得多，

线宽压窄具有更重要的意义。

另一个重要应用领域就是激光自混合干涉测量。早在 1963 年P.G.King[26]就

提出激光谐振计量学的概念，报道了反馈光会引起激光输出功率变化的研究结

果，开辟了光反馈用于计量的研究领域。以后，日本、美国、英国和意大利等国

学者开始对其机理、特性和应用进行深入、广泛的研究。在研究中进一步发现，

当移动外部反射镜，激光器输出功率周期性变化，而且与传统迈克尔逊干涉仪一

样，外部反射镜每移动半个激光波长，激光器输出功率变化一个周期（一个条

纹）。在反馈光较弱时，条纹是正弦形式的。由于这种变化是激光器自身的反馈

半导体激光器光反馈效应及其应用的理论研究

光形成的，而且又具有干涉特征，因此又称为激光自混合干涉。这种干涉仪可以

直接使用半导体激光管内的用于功率监测的光电管作为光电探测器，因此结构上

非常简单、紧凑。由于不需要参考光路，因此对使用环境（空气折射率变化、防

振动）的要求也大大降低，是一种非常具有吸引力的新型测量方法，吸引了世界

众多的科学家与学者加入到研究队伍中来。

除此之外，半导体激光器光反馈效应还应用在通信等领域上。利用激光混沌

特性能够有效地进行保密通信。激光混沌系统具有很大的带宽和低的衰减、复杂

的动力学行为和系统对参数的高度敏感性等特点，非常适合高速远程保密通信。

激光混沌保密通信是将信息调制到混沌波中，信息将被混沌波掩藏，直接用滤波

器不能解码，只有通过混沌同步才能实现解码，要实现混沌同步要求接收激光器

与发射激光器的内部参数及工作参数非常好的匹配。由于激光器参数很多，匹配

程度要求也非常高，只有设计者才能实现参数匹配，因此具有非常高的保密性。

基于上述情况，本课题通过分析半导体激光器光反馈效应的特性，主要研究

了半导体激光器自混合效应的稳定性、半导体激光器自混合效应的脉冲调制测距

方法和半导体激光器混沌理论及非相干光反馈与非相干光注入混沌同步通信系统

仿真分析

§1.2 半导体激光器光反馈动力学特性的简述

半导体激光器对外部反射光十分敏感，在实际应用中，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

激光器的影响及其应用。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。

图1-1 光反馈半导体激光器示意图

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摘要半导体激光器以其独特的优点，体积小、成本低和直接调制速率高等，己经成为一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，在遥感领域，利用半导体激光器自混合效应的特性，可以实现脉冲调制测距。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，混沌同步有效应用于保密通信中。本文围绕半导体激光器光反馈效应的特性及其应用，进行了以下三方面内容的理论研究。1．本文利用半导体激光器的Lang-Kobayashi方程，对半导体激光自混合干涉仪系统的动力学特性进行了仿真分析，分析了光反馈系数和外腔长度对系统稳定性的影响。研究结果表明，当光反馈系...

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