论文部分内容阅读
光网络技术采用光子作为信息的载体，具有低能耗、低串扰、高速率和高带宽等优点，是现代化超高速率和超大容量信息科技发展中的优选解决方案。目前，对于中长距离通讯，光网络技术已经取代了传统的电互连技术成为支撑全球通讯的主要技术手段，而在短距离通讯中，片上光互连和光子集成技术是未来光网络发展的必然趋势，它对各光学器件的性能和功耗提出非常高的要求，其中重要的一点即是需要一种小尺寸、高通讯带宽、高集成度、低功耗的单色光源。回音壁型微腔激光器具有小体积和高品质因子等优点，是光子集成和光互连的理想光源。本论文主要围绕着回音壁型耦合腔激光器与光注入微腔激光器特性研究而展开，主要的研究内容和创新点如下: 首先基于时域有限差分方法对定向输出微环激光器进行了结构设计和优化，为了有效抑制微环激光器中的高阶横模，并在保持基模具有高品质因子的同时获得较高的耦合输出效率，提出最优圆环内外径之比应为0.7～0.825。通过传统的半导体平面工艺，在实验上制备了侧向BCB限制的径向直连输出波导的AlGaInAs/InP微环激光器，观测到边模抑制比为36dB的单模激射，实现了有效的高阶横模抑制，与数值模拟结果很好地吻合。 基于模式耦合理论，提出将正方形微腔与法布里珀罗微腔直接相连形成高性能耦合腔激光器，通过理论仿真研究了该耦合腔结构的等效反射率和模式特性，验证了结构的可行性。在实验上制备出不同尺寸的正方形-FP耦合腔激光器，并就其激射阈值、光谱和波长调谐等特性作出比较。实现了最高边模抑制比为50dB的单模激射，单模光纤耦合损耗仅为3.2dB，输出波长可调谐范围达10nm，此外，还实现了对耦合腔激光器的高速电流直接调制，小信号3-dB带宽为13.3GHz，相对强度噪声低于-150dB/Hz。 提出了一种基于双稳态正方形-FP耦合腔激光器的全光触发器。利用耦合腔激光器内的双模竞争和正方形微腔部分的可饱和吸收效应，在实验上观测到了可控的双稳态光输出。通过外界注入对应上述双稳态波长的脉冲光信号作为时钟信号，实现了全光触发器功能，输出光信号的上升沿和下降沿响应时间分别为165ps和60ps，两双稳态波长处所需转换能量仅为2.7fJ和14.2fJ。 在理论和实验上系统地研究了光注入微盘激光器的非线性动力学特性。基于光注入速率方程，模拟得到不同非线性状态的特性及变化轨迹分岔图，并绘制了微盘激光器在注入强度和失谐频率二维参数平面上的非线性动态稳定图，提出利用注入锁定状态可以大幅度提升微盘激光器的高速调制带宽，并讨论了模式Q值对激光器光注入动态的影响。在实验上搭建了光注入测试系统，通过对半径为6μm的微盘激光器进行系统的光注入测试，得到了与理论结果非常吻合的非线性动态稳定图，观测到适用于光学微波产生的具有高稳定性的单周期振荡状态区域，并在注入锁定状态下实现了38GHz的小信号调制带宽。 提出了一种基于光注入直接调制微盘激光器的光电振荡器，实现了窄线宽、低相位噪声的光学微波信号产生。实验上搭建了光电振荡器测试系统，采用半径为8μm的微盘激光器，利用光注入调制和微波反馈调制的双重注入锁定效应，实现了频率在8.8GHz到17GHz宽带范围内连续可调、线宽低于1kHz、相位噪声为-101dBc/Hz(@10kHz offset)的高质量光学微波信号产生。