全光反馈半导体激光器混沌的产生及同步
半导体激光器工作原理及基本结构
工作三要素：
01
受激光辐射、谐振腔、增益大于等于损耗。
02
半导体激光器工作原理
02
在材料设计时，考虑将p区和n区重掺杂等工艺，使得辐射光严格在pn结平面内传播，单色性较好，强度也较大，这种光辐射叫做受激光辐射。
条形结构类型
从对平行于结平面方向的载流子和光波限制情况可分为增益波导条形激光器(普通条形)和折射率波导条形激光器(掩埋条形、脊形波导)。
”
增益波导条形激光器 (普通条形)
特点：只对注入电流的侧向扩展和注入载流子的侧向扩散有限制作用，对光波侧向渗透没有限制作用。 我们的808大功率激光器属于这种结构：把p+重掺杂层光刻成条形，限制电流从条形部分流入。但是在有源区的侧向仍是相同的材料，折射率是一样的，对光场的侧向渗透没有限制作用，造成远场双峰或多峰、光斑不均匀，同时阈值高、光谱宽、多纵摸工作，有时会出现扭折问题。
半导体激光器材料和器件结构
808大功率激光器结构
采用MOCVD方法制备外延层，外延层包括缓冲层、限制层、有源层、顶层、帽层。有源层包括上下波导层和量子阱。
有源层的带隙比P型和N型限制层的小，折射率比它们大，因此由P面和N面注入的空穴和电子会限制在有源区中，它们复合产生的光波又能有效地限制在波导层中。大大提高了辐射效率。
最上面的一层材料（帽层）采用高掺杂，载流子浓度高，目的是为了与P面金属电极形成更好的欧姆接触，降低欧姆体激光器器件制备
大片工艺包括：材料顶层光刻腐蚀出条形、氧化层制备光刻、P面和N面电极制备、衬底减薄。 条形结构：在平行于结平面方向上也希望同垂直方向一样对载流子和光波进行限制，因此引进了条形结构。 条形结构的优点： 1. 使注入电流限制在条形有源区内，限制载流子的侧向扩散， 使 阈值电流降低； 2. 有源区工作时产生的热量能通过周围四个方向的无源区传递而逸散，提高器件的散热性能； 3. 有源区尺寸减小了，提高材料均匀的可能性； 4. 器件的可靠性提高、效率提高、远场特性改善。
半导体激光器发光原理及工作原理
半导体激光器发光原理及工作原理激光器是一种能够产生高度聚焦、单色、相干和高亮度的光束的装置。
半导体激光器是一种基于半导体材料的激光器，具有体积小、功耗低、效率高等优点，在通信、医疗、材料加工等领域得到广泛应用。
本文将详细介绍半导体激光器的发光原理和工作原理。
一、半导体激光器的发光原理半导体激光器的发光原理基于半导体材料的特性。
半导体材料具有能带结构，其中包括导带和价带。
在常温下，导带中的电子处于激发态，而价带中的空穴处于基态。
当电子从导带跃迁到价带时，会释放出能量，这部分能量以光子的形式辐射出来，形成光。
半导体激光器的发光原理主要包括以下几个步骤：1. 注入载流子：通过外部电流注入，使得半导体材料中导带中的电子和价带中的空穴浓度增加。
2. 电子和空穴的复合：注入的电子和空穴在半导体材料中进行非辐射性复合，即电子从导带跃迁到价带，并释放出能量。
3. 电子和空穴的辐射性复合：部分电子和空穴在半导体材料中进行辐射性复合，即电子从导带跃迁到价带，并释放出光子。
4. 光子的反射和放大：在激光器内部，光子会被反射和放大，形成一束高度聚焦、单色、相干和高亮度的激光光束。
二、半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理涉及到多个组件和过程，包括激活载流子、光学共振腔、泵浦源等。
1. 激活载流子：通过外部电流注入，激活半导体材料中的载流子，即使导带中的电子和价带中的空穴浓度增加。
2. 光学共振腔：半导体激光器内部包含光学共振腔，通常由两个反射镜构成。
其中一个镜子是半透明的，允许一部分光子透过，另一个镜子是完全反射的，使得光子在腔内来回反射。
3. 泵浦源：为了激活载流子，通常需要使用泵浦源，如电流注入、光泵浦等。
泵浦源的作用是提供能量，使得电子从导带跃迁到价带，并释放出光子。
4. 反射和放大：光子在光学共振腔内来回反射，经过多次反射后，光子会被放大。
这是由于激活载流子释放的光子会激发更多载流子进行辐射性复合，从而形成正反馈的放大效应。
混沌激光的产生与应用
万方数据ＲＥＶｌＥＷｌ综合评述重要的应用。
本文结会圜志终研究褒状，对光反馈（或外光注入．）下半导体激光器产生混沌激光，特别是混沌激光的几个重要应用，如混沌保密通信、混沌激光雷达、混沌光时域反射仪、相干长度研调的激光光源，给予简要介绍。
２混沌激光的产生与特性半导体激光器属于Ｂ类激光器，要实现半导体激光器的混沌输如需要增加一个自由度。
增加是由度典型酶方法就是通过羚酃毙注入、光反馈或光奄反绩。
如图ｌ所示。
图ｌ（ａ）为外部光注入产生混沌的方式，将主激光器输出的相干光场注入到从激光器。
通过控制注入光强度、相位以及主从激光器的频率失谐，从激走器毙够输嬲稳定鳃混沌态。
光反馈产生混淹就是在半导体激光器的外部，逶过放置反馈器件使得激光器的部分输出返回到激光器而产生混沌。
外部反馈可以是相干光的反馈或是非相干光反馈，可以是单反馈或是双反馈，Ｗ以是一般的平溺镜反馈或是光栅滤光反馈。
悉一般在实验和理论分析中，主要针对平嚣镜反馈来进行描述，如图ｌ（ｂ）所示。
光电反馈是指半导体激光器输出的光信号用高速光电探测器转化为电信号，并采用适当的电路进行处理（延时、带通滤波、放大）等，再与激光器隧镳置送行叠嬲反镶妥激光器巾，控镄半导体激光器产生混沌的方式，如图１（ｃ）所承。
产生的混沌激光的特性如图２所示。
在时域上具有类似噪声的随机变化，如图２（ａ）所示。
其相图为混涟吸引子，表骥混涟激光过程是遍历混沌吸譬｜子所包含状态的伪隧机过程，觅图２（ｂ）。
频域上对应的频谱豳１混沌激光产生的兰种方式。
（ａ）外光注入；（ｂ）光反馈；（ｃ）光电反馈｛４麓巍毒光鼋寻喾滋鼗２００９。
０４嘲２混沌激光的特性。
Ｃａ）波形；（ｂ）吸引子；（ｃ）频谱；（ｄ）自相关曲线具有平垣、宽带鳃特性，如图２（ｅ）所示。
获悉混淹激光天生具备隐蔽性。
混沌激光的岛褶关曲线还具有类似予６函数的线形，如图２（ｄ）所示，可用于抗干扰测量信号。
优良的相干性是激光器一个显著的特性，ｉｉｉｉ激光器辏囊薛混沌激光却有低的榍于性。
半导体激光器原理及应用
激光器的单纵模工作条件
第q阶模与主模功率之比为：
Pq
1
P0 1 (Po / Pqsat )
要想得到近乎单纵模输出，必须使Pq/P0尽可能小。
从图中可以看出短腔长和高腔面反射率，都有利于使 激光器单模工作。
以（P1/P0）≦0.05作为激光器单模工作的判据，由边 模抑制比
1）增益系数 2）载流子的俄歇复合，载流子的界面态和表面态的复合，载流子的吸收引起的
内部损耗 3）热载流子的泄露
半导体激光器的效率
描述激光器电子--光子转换的效率，即电能转换为光能的效率。
分别用功率效率和外微分量子效率描述。
1）功率效率
p
激光器所发射的光功率 激光器所消耗的电功率
Pex IV I 2rs
/ )2
式中，n2和d分别为激光器有缘层的折射率和厚度； n1为限制层的折射率；λ为激射波长
理想的高斯场分布
半导体激光器的光束发散角
显然，当d很小时，可忽略上式分 母中的第二项，有
4.05(n22 n12 )d
可见，ө随d的增加而增加
半导体激光器发散角与有缘层厚度的关系
解决办法：利用自聚焦透镜对出射光进行准直
归一化输出与调制频率的关系
半导体激光器的动态特性
张弛振荡与类谐振现象物理机制不同，但几乎有和共振频率相同的振荡频率， 为了抑制这两类现象，已实践过这两类方法：
1）外部光注入，能有效增加自发发射因子，不但能抑制张弛振荡，还能抑制 多纵模的出现。
2）自反馈注入或采用外部电路。自注入方法是将LD输出的一部分以张弛振荡 周期的0.2~0.3倍的时延再注入到它本身的腔内，能有效抑制张弛振荡。采用 外部LCR滤波电路来分流高频分量，进而抑制类谐振现象。
半导体激光器工作原理
半导体激光器工作原理半导体激光器是一种利用半导体材料产生和放大光的装置，具有广泛的应用领域，如通信、医疗、制造业等。
本文将介绍半导体激光器的工作原理，包括发光机制、能带结构和激光放大过程。
一、发光机制半导体激光器的发光机制基于半导体材料的特性。
当半导体材料中的电子从较高能级跃迁到较低能级时，会释放出光子能量，产生光辐射。
这种发光过程称为“辐射复合”。
半导体材料的能带结构是理解发光机制的关键。
半导体材料的能带可以分为价带和导带，价带中填满了电子，导带中没有电子。
当外界条件改变，如施加电场或注入电流，会使得部分电子从价带跃迁到导带，也就是所谓的“激发电子”。
这些激发电子在导带中流动，形成电流，同时也会引起电子和空穴的辐射复合，产生光辐射。
二、能带结构半导体激光器的能带结构对其工作原理起着至关重要的作用。
常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓和磷化镓等。
以砷化镓为例，其能带结构如下：（以下为能带图）在砷化镓中，导带和价带之间存在一个能隙，当激发电子进入导带并与空穴发生复合时，就会产生辐射光。
而且，砷化镓的带隙宽度较窄，使得其辐射光的波长在可见光范围内，适合用于光通信等方面。
三、激光放大过程半导体激光器的工作原理还涉及到激光放大过程，即利用外界条件将产生的光信号进行放大，形成一束强光。
半导体激光器的放大过程包括以下几个关键步骤：1. 注入电流：通过向半导体材料中注入电流，激发电子跃迁到导带，产生光辐射。
2. 波导结构：半导体激光器通常采用波导结构，可以将光限制在非常小的空间范围内，增强光的强度。
3. 反射镜：在波导的一端加上一个半反射镜，在另一端加上一个高反射镜。
光在波导中传播时，会反射多次，形成光的干涉现象。
4. 光放大：由于光在波导中反射多次，其中某些光通过辐射复合产生的区域，会得到激光放大。
5. 激光输出：当光在波导中得到足够的放大并逃逸出来时，就形成了一束强光，输出到外界环境中。
通过以上步骤，半导体激光器能够实现对输入信号的放大，并输出为一束强光，具有很高的方向性和单色性。
光注入半导体激光器中激光混沌的泵浦周期调制控制
光 注 入 半 导体 激 光 器 中激 光 混沌 的泵 浦周 期 调 制控 制
颜 森 林 孙 小 菡 张 明德
（ 东南大学电 子工程系 南京 ２ ０ ９ ） １ ０ ６
摘 要 该 文用 泵浦周 期 电流 调制 控制外 部 注入相干 光场半 导体 激光器 的激光 混沌 ，发 现 在不 同调制深 度
混 沌 控 制 技 术 能 够 控 制 混 沌 运 动 系 统 不 稳 定 周 期 轨 道 和 混 沌 奇 怪 吸 引 子 动 力 学 行 为 【 。 ｌ １ 目前 ， 控 制 激 光 混 沌 方 法 主 要 有 反 馈 控 制 和 非 反 馈 控 制 。反 馈 控 制 法 通 过 对 系 统 某 个 参 数 的 微 小 扰 动 把 混 沌 的 随 机 振 荡 稳 定 到 某 一 周 期 轨 道 上 。在 半 导 体 激 光 器 中 ，延 时 反 馈 方 法 【 成 ５ Ｊ 功 地 控 制 了 混 沌 ，但 控 制 难 度 较 大 ，技 术 复 杂 。而 另 一 方 面 ， 虽 然 非 反 馈 混 沌 控 制 方 法 理 论 还 要 作 进 一 步 的 深 入 研 究 ，但 其 周 期 扰 动 控 制 混 沌 系 统 的 方 法 简 单 实 用 【 。 目前 ，用 周 期 扰 动 控
混沌激光的产生与应用
www 中国光学期刊网REVIEW ｜综合评述王云才(太原理工大学理学院物理系，山西太原030024)Wang Yuncai(Department of Physics,College of Science,Taiyuan University of Technology,Taiyuan ，Shanxi 030024,China )摘要激光器的不稳定性是一个普遍现象，而混沌是激光器不稳定性的一个重要特例。
混沌激光作为激光器输出的一种特殊形式，具有类噪声宽频谱的特性。
近年来，基于混沌激光的一些应用技术相继被提出与完善。
本文结合国内外研究现状，简要介绍了利用半导体激光器产生混沌激光，以及混沌激光在保密光通信、激光测距、光纤断点检测、对激光相干长度任意调控等方面的应用与研究进展。
关键词混沌激光；保密通信；激光雷达；光时域反射仪；相干长度AbstractChaotic laser,viewed as a special form of laser diode outputs,is a general phenomenon.Chaotic laser has noise -like appearance and wide spectrum bandwidth.Recently,some novel techniques based on chaotic light have been proposed and bined with the research situation and the project team,the generation of chaotic laser utilizing semiconductor laser with optical feedback/injection is briefly introduced,and the research progresses of the chaotic laser applications are riviewed,such as the chaotic optical secure communication,chaotic laser ladar,chaotic optical time domain reflectometer,and new-type light source of arbitrary variable coherence length.Key words chaotic laser ；secure communication ；lidar ；optical time domain reflectometer ；coherence length 中图分类号N93doi ：10.3788/LOP20094604.00131引言自从1960年世界上第一台红宝石激光器问世以来，激光技术及应用得到快速发展。
窄带ASE注入分布反馈式半导体激光器产生混沌光实验研究
（ １ ．Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｐｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ Ｏ ｐ ｔ ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ ， Ｔ ａ ｉ ｙ ｕ ａ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ，Ｔ ａ ｉ ｙ ｕ ａ ｎ ０ ３ ０ ０ ２ ４ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；
ｏ ｔ ｉ ｃ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ ｓ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ ａ ｃ ｏ ｎ ｔ ｉ ｎ ｕ ｏ ｕ ｓ — ｗａ ｖ ｅ ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｉ ｎ ｊ ｅ ｃ ｔ ｅ ｄ Ｄ Ｆ Ｂ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ， ｔ ｈ ｏ ｓ ｅ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ ａ ｍｐ ｌ ｉ ｆ ｉ ｅ ｄ ｓ ｐ ｏ ｎ ｔ ａ ｎ ｅ ｏ ｕ ｓ ｅ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｊ ｅ ｃ －
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｇｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｃ ｈ ａ ｏ ｓ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ａ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｅ ｄ ｆ ｅ ｅ ｄ ｂ ａ ｃ ｋ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｄ ｉ ｏ ｄ ｅ ｓ（ ＤＦＢ － Ｌ Ｄ）ｗｉ ｔ ｈ ａ ｍｐ ｌ ｉ ｆ ｉ ｅ ｄ ｓ ｐ ｏ ｎ ｔ ａ ｎ ｅ ｏ ｕ ｓ ｅ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｓ ｉ ｓ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ —
摘 要： 利 用窄带的放大 自发辐射作为 外部 光源扰动分布反馈式半导体激光器 ， 使 其实现 混沌态输 出。基 于对实验 数据标准 化 香农熵和 峰峰值 的计算， 分析 了注入 强度 对产生混沌信号 的复杂度和 幅值 的影响， 并与采用连 续光注入分 布反馈 式半导体 激光 器生成 的混沌信 号做 对比研究。研究表 明， 同样 条件下 ， 采用 窄 带的放大 自发辐射扰 动激 光器产 生混沌信 号 ， 容许 的注入参 数 范 围更广 ， 所生成 的混沌信号 的复 杂度 更高， 幅值更大 。 关键词 ： 激光光学 ； 半 导体 激光器 ；混沌；复杂度 ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ Ａｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｄ Ｔｒ ａ ｎ ｓ ｄ ｕ ｃ ｅ ｒ ｓ ａ ｎ ｄ Ｉ ｎ ｔ ｅ ｌ ｌ ｉ ｇ ｅ ｎ ｔ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｏ ｆ Ｍｉ ｎ ｉ ｓ ｔ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｅ ｄ ｕ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ， Ｔ ａ ｉ ｙ ｕ ａ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｅｒ ｖ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ，Ｔ ａ ｉ ｙ ｕ ａ ｎ ０ ３ ０ ０ ２ ４ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
半导体激光器发光原理及工作原理
半导体激光器发光原理及工作原理半导体激光器是一种将电能转化为光能的器件，广泛应用于通信、医疗、工业等领域。
了解半导体激光器的发光原理及工作原理对于深入理解其性能和应用具有重要意义。
一、半导体激光器的发光原理半导体激光器的发光原理基于半导体材料的能带结构。
半导体材料由价带和导带组成，两者之间存在能隙。
在基态下，价带中的电子处于能隙下方，导带中的电子处于能隙上方。
当半导体材料受到外界激发时，能隙上方的电子可以通过吸收能量跃迁到导带中，形成电子空穴对。
在半导体激光器中，通过在半导体材料中注入电流，可以实现电子空穴对的产生。
当电流通过半导体材料时，电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。
此时，电子在导带中处于激发态，而空穴在价带中处于激发态。
这种激发态的电子和空穴会发生非辐射性复合，即电子从导带跃迁回价带，并释放出能量。
在半导体激光器中，为了实现激光器的发光，需要通过增加反射镜和光波导等结构来实现光的反射和放大。
当电子从导带跃迁回价带时，会释放出光子。
这些光子在光波导中反射和放大，最终形成激光输出。
二、半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理主要包括注入电流、光放大和光输出三个过程。
1. 注入电流：在半导体激光器中，通过外部电源将电流注入到半导体材料中。
注入的电流会激发半导体材料中的电子和空穴，形成电子空穴对。
注入电流的大小和注入位置会影响激光器的性能和工作状态。
2. 光放大：在半导体激光器中，通过在半导体材料中注入电流，激发电子和空穴的复合过程中会释放出光子。
这些光子在光波导中反射和放大，形成光的放大效应。
光放大的过程需要通过增加反射镜和光波导等结构来实现。
3. 光输出：经过光放大的光子最终通过输出端口从激光器中输出。
输出的光经过调制和调谐等处理，可以满足不同应用需求。
三、半导体激光器的特点和应用半导体激光器具有以下特点：1. 尺寸小：半导体激光器的尺寸小，体积轻巧，便于集成和安装。
2. 低功耗：半导体激光器的功耗相对较低，能够节省能源和降低成本。
半导体激光器原理及光纤通信中的应用
半导体激光器原理及光纤通信中的应⽤河北科技⼤学光电⼦技术结课论⽂半导体激光器原理及在光纤通信中的应⽤学⽣姓名张青（09L0704216）杨豪杰（09L0704214）刘腾（09L0704208）学⽣专业电⼦科学与技术班级 2摘要:本⽂就半导体激光器介绍了半导体激光器的⼯作原理，较详尽地阐述了它在光纤通信中的应⽤情况。
关键词：半导体激光器谐振腔泵浦源⼯作物质光纤通信WDM激光技术; 半导体激光⼀、半导体激光器1.什么叫激光激光的英⽂叫Laser light amplification bystimulated emission of radiation. 就是通过受激发射实现光放⼤。
光通过谐振腔的选模作⽤和增益介质的放⼤作⽤，经过震荡和放⼤，实现拥有单⾊性、准直性、相⼲性⾮常好的光束，这个就是激光。
激光器有很多种类型，但他的必要组成部分⽆外乎：谐振腔、增益介质、泵浦源。
2、半导体激光器的⼯作原理2.1基本条件：（1）有源区载流⼦反转分布（2）谐振腔：使受激辐射多次反馈，形成振荡（3）满⾜阈值条件，使增益>损耗，有⾜够的注⼊电流。
2.2⼯作原理半导体激光器⼯作原理是激励⽅式，利⽤半导体物质(既利⽤电⼦)在能带间跃迁发光，⽤半导体晶体的解理⾯形成两个平⾏反射镜⾯作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产⽣光的辐射放⼤，输出激光。
半导体激光器是以⼀定的半导体材料做⼯作物质⽽产⽣受激发射作⽤的器件.其⼯作原理是,通过⼀定的激励⽅式,在半导体物质的能带(导带与价带)之间,或者半导体物质的能带与杂质(受主或施主)能级之间,实现⾮平衡载流⼦的粒⼦数反转,当处于粒⼦数反转状态的⼤量电⼦与空⽳复合时,便产⽣受激发射作⽤.半导体激光器的激励⽅式主要有三种,即电注⼊式,光泵式和⾼能电⼦束激励式。
理论上认为半导体激光器应该是在直接带隙半导体PN结中．⽤注⼊载流⼦的⽅法实现由柏纳德——杜拉福格条件所控制的粒⼦数反转；由⾼度简并的电⼦和空⽳复合所产⽣的受激光辐射在光学谐振腔内振荡并得到放⼤，最后产⽣相⼲激光输出。
半导体激光器的结构组成及原理
半导体激光器的结构组成及原理
半导体激光器是一种利用半导体材料产生激光的器件。
它主要由以下几个组成部分构成：
1. 激活区：半导体激光器的激光产生部分，通常由n型和p型半导体材料组成。
当外加电压作用下，电子和空穴在激活区相遇并发生合并，产生激光光子。
2. 波导：激光光子在激活区中产生后，通过波导结构进行引导和放大，形成激光束。
波导通常由高折射率和低折射率交替排列的多层材料组成，以形成光的传播路径。
3. 反射镜：用于反射和放大激光光子的光学元件。
半导体激光器通常采用薄膜反射镀膜技术，在输出端和输入端分别镀有高反射膜和半反射膜，以达到光的反射和放大。
4. 功率控制结构：用于调节半导体激光器输出的光功率。
常见的方法包括调节电流、温度和光子密度等。
半导体激光器的工作原理是基于半导体的能带结构和电子与空穴的复合释放能量的特性。
在激活区的p-n结附近，通过电流注入或电场作用，能带之间的载流子迁移，使得电子和空穴在激活区碰撞并发生复合，释放能量的过程中，激发出的光子产生共振放大，并形成激光束。
半导体激光器具有尺寸小、效率高、调制速度快等优点，广泛应用于通信、激光打印、医疗和材料加工等领域。
《面向混沌半导体激光器的驱动与温度控制系统设计》范文
《面向混沌半导体激光器的驱动与温度控制系统设计》篇一一、引言随着科技的飞速发展，半导体激光器因其独特的优势，如体积小、重量轻、能耗低以及高性能等特点，已被广泛应用于工业制造、医学治疗、信息传输等各个领域。
特别是对于混沌半导体激光器，其应用范围更加广泛，但其稳定性及控制问题却提出了更高的技术要求。
因此，设计一个高效的驱动与温度控制系统对于保障混沌半导体激光器的性能稳定性和运行效率至关重要。
本文将详细探讨面向混沌半导体激光器的驱动与温度控制系统设计。
二、驱动系统设计1. 驱动电路设计驱动电路是控制半导体激光器运行的核心部分，它决定了激光器的发光性能。
为了确保混沌半导体激光器的稳定运行，我们采用了高精度的电流控制电路和电压控制电路。
电流控制电路通过精确控制流过激光器二极管的电流大小和波形，实现对激光器发光强度的控制。
电压控制电路则通过调节激光器的工作电压，实现对其工作状态的控制。
2. 调制与优化技术在驱动系统设计中，我们还引入了调制与优化技术。
该技术可以通过对电流和电压的调制，实现激光器发光状态的实时调整，以满足不同的应用需求。
同时，我们通过优化驱动电路的设计和参数设置，使得驱动系统具有更高的效率和更低的能耗。
三、温度控制系统设计1. 温度传感与监控为了确保混沌半导体激光器的稳定运行，我们需要对激光器的工作温度进行实时监控。
我们采用了高精度的温度传感器，实时检测激光器的工作温度，并通过反馈机制，将检测到的温度信息传输给温度控制单元。
2. 温控单元设计温控单元是温度控制系统的核心部分，它根据接收到的温度信息，自动调节制冷或加热装置的工作状态，以实现对激光器工作温度的精确控制。
我们采用了先进的PID控制算法，使得温控单元具有更高的控制精度和更快的响应速度。
同时，我们还在温控单元中引入了自适应学习技术，使系统可以根据工作环境的变化，自动调整控制策略，以达到更好的控制效果。
四、系统实现与测试在完成驱动与温度控制系统的设计后，我们进行了系统的实现与测试。
半导体激光器工作原理及基本结构
半导体激光器工作原理及基本结构一、工作原理1.荷豆模型在半导体材料中，价带中的电子和导带中的空穴之间存在禁带。
当在半导体材料中施加电压时，使得导带的电子与价带的空穴之间发生复合，释放出能量。
这些能量释放的过程称为辐射复合，可以产生光子。
2.PN结PN结由P型材料和N型材料构成。
当外加正向偏压时，电子从N区向P区移动，空穴从P区向N区移动。
当电子与空穴发生复合时，会释放能量并产生光子。
这个过程叫做受激辐射。
3. 双异质结狭缝结Laser腔双异质结狭缝结Laser腔是半导体激光器中的关键部分。
它由N型半导体、无掺杂半导体和P型半导体构成。
在P区和N区之间有一个高折射率的无掺杂材料，形成光学腔。
当电流通过激光器时，光子在光学腔中来回多次反射，产生受激辐射，形成激光。
二、基本结构1.顶部光输出窗口顶部光输出窗口是半导体激光器的光输出口，通常由透明的材料制成，如薄膜或外延层。
光通过这个窗口从激光器中输出。
2.激光腔激光腔由双异质结狭缝结Laser腔和P-N结构构成。
当电流通过激光器时，光子在激光腔中来回反射，形成激光。
3.P-N结P-N结由P型半导体和N型半导体构成。
当电流通过P-N结时，激活材料中的电子和空穴，使它们受到激发并产生光子。
4.底部反射镜底部反射镜是反射激光的组件。
它通常由金属反射镜或布拉格反射镜构成，用于增强激光的反射。
除了这些基本结构外，半导体激光器通常还包括P-N结电极、N阳极和P阴极等组件，用于正向偏压激活P-N结并控制电流流动。
总结起来，半导体激光器的工作原理是基于半导体材料的光电特性和电子激发，通过PN结和双异质结狭缝结Laser腔的相互作用来产生激光。
其基本结构包括顶部光输出窗口、激光腔、P-N结和底部反射镜。
半导体激光器具有技术成熟、小型化、高效率和易于集成等优点，是现代光子学和信息技术中不可或缺的重要器件。
用半导体环形激光器产生混沌信号
体激 光 器 由于具 有 在光 反馈 或外 光 注入下 容 易实 现混 沌 光输 出 、 易于 封装 且 广 泛 地应 用 于 现 代 光 通 信 系统 等
诸 多优 点 ， 而成 为混 沌激 光 通信 系统 中载 波 发射 机和 接 收机 的首选 器 件 。作 为一 类特 殊 的半 导体 激 光 器 ，
用 半 导 体 环 形 激 光 器 产 生 混 沌 信 号
张 鑫， 袁国慧， 王卓然
（ 电子 科 技 大 学 光 电信 息 学 院 ，成 都 ６ ０ ５ ） １ Ｏ ４
摘
要 ： 提 出 了 一 种 由一 个 分 布 式 反 馈 激 光 器 为 主 激 光 器 和 一 个 半 导 体 环 形 激 光 来自 为 从 激 光 器 组 成 的
失 谐 频 率 为 ３ ９ＧＨｚ 注 入 系 数 为 ０ ０ 、 置 电流 为 ８ ． 、 ．７偏 １ ｍＡ 时 ， 形 激 光 器 可 以 产 生 功 率 谱 平 坦 、 宽 较 宽 的 环 带
高质 量 混 沌 信 号 。 关 键 词 ： 光 通 信 ； 混沌 信 号 ； 光 注 入 ； 半 导 体 环 形 激 光 器 ； 分 叉 图
第 ２ ４卷 第 ７ 期
２１ ０ ２年 ７月
强 激 光 与 粒 子 束
Ｈ Ｉ Ｈ Ｐｏ Ｗ ＥＲ ＬＡ ＳＥＲ Ａ Ｎ Ｄ Ｇ ＰＡ Ｒ ＴＩ ＣＬＥ ＢＥＡ Ｍ Ｓ
Ｖ ｏ１ ２ ． ４。 ＮＯ． ７
Ｊ１ ｕ ．，２ １ ０ ２
文章 编 号 ： １ ０ — ３ ２ ２ １ ） ７ １ ３ — ５ ０ １４ ２ （ ０ ２ ０ — ７ ２０
从 最初 的混沌 电路实 现 ｌ 发展 到激 光器 实 现 。 目前 ， ＿ ４ 已有多 种混 沌产 生 和混 沌 同步激 光 器系 统 ， 由干涉 仪 组 如 成 的光反 馈 回路 激光 器 系统 ［ 、 ５ 由波导 和光 器 件组 成 的激光 器 集成 芯 片［ ］ 光纤 环形 激 光器 系 统 等 。半 导 ］ ６及 。 ］
光学双稳与混沌实验
光学双稳与混沌实验孙萍;尤秉信【摘要】借助自主研制的"液晶光电混合型光学双稳与混沌系统"研究了光学双稳态与混沌运动的一般规律.在有反馈的条件下,对于1个入射光强,存在着2个不同的透射光强,并以滞后迴线形式为特征,即系统呈现双稳态.依然在有反馈的条件下,系统的运动状态随着延迟时间的增加,由周期振荡、倍周期分岔演化到混沌,而且,混沌对于初始值具有高度敏感性.【期刊名称】《物理实验》【年(卷),期】2010(030)009【总页数】6页(P1-6)【关键词】双稳态;混沌;液晶;光电混合型;初值敏感性【作者】孙萍;尤秉信【作者单位】北京师范大学,物理系,北京,100875;北京师范大学,物理系,北京,100875【正文语种】中文【中图分类】O415光学双稳态自1969年被Seidel[1]和Szöke[2]理论预言至今,理论已经比较完善,应用也得到了迅速的发展.双稳态光学器件具有双稳态电子器件类似的功能,可以用作存储器、放大器、振荡器、限幅器和开关元件,在实际应用中具有十分重要的意义.自从Ikeda[3]在理论上指出一个光学双稳系统在失稳的情况下将出现分岔和混沌,光学双稳系统的混沌行为便引起人们极大的兴趣[4-6].混沌是一种普遍的自然现象,大至宇宙,小至基本粒子,无不受混沌理论的支配.随着对混沌理论的深入研究,近年来,混沌在科学和工程技术领域中的应用研究也迅速发展起来,如气象预测、保密通信、神经网络和医学、化学、经济学等众多领域[7].物理学研究的是事物发展的规律,从而预言事物的发展趋势并进而加以控制,以满足人们的特定需求.通常,我们认为规律是确定的,事物只有按照确定的轨道发展,才能够在掌握规律之后,对事物发展的趋势进行预测.自然界中的各种现象的这种确定性和可预测性,对于学过经典力学的人来说深信不疑.多年来,人们一直固守着这样一种传统的思维习惯.但是,混沌现象的出现使得传统的思想观念面临严重的挑战.混沌揭示了在确定性和随机性之间存在着由此及彼的桥梁,有助于将物理学中确定论和概率论2套描述体系联系起来,这在科学观念上有着深远的意义.目前,许多高校都已将概率论的物理思想融入大学的理论课和实验课的教学当中[8-14].目前,在国内研制“光学双稳与混沌实验”教学仪器的主要高校有吉林大学[9]、北京师范大学[11-12]、北京大学[10]和南京理工大学[14],其中后2所高校仅开发了光学双稳装置.吉林大学和北京大学以LiNbO3晶体为非线性介质:其工作电压约1 000 V,需要加强高压屏蔽的防护,才能确保学生的安全.南京理工大学和我校都是以液晶为非线性介质,液晶材料比起LiNbO3晶体,有工作电压低、受光面积大、易制作、易控制和易实现器件集成化等优点.我校研制的“液晶光电混合型光学双稳与混沌系统”,既可以用来研究双稳态,又可以研究混沌运动.本文利用该系统研究了光学双稳态与混沌运动的一般规律.所谓光学双稳态是指光在通过某一光学系统时其光强发生非线性变化的一种现象,即对于入射光强Ii,存在2个不同的透射光强Io,并以滞后迴线形式为特征,如图1所示.液晶光电混合型光学双稳装置由电光调制系统与输出反馈系统2部分组成.图2是光电混合型光学双稳装置原理图.Ii为输入光强,Io为输出光强.为了使透射光强最大,液晶分子轴在起偏器P上的投影与P的透光轴成45°角.P,A和液晶构成正交光路.液晶上加直流偏压Vb,以便使液晶处在适当的工作状态.Io经光电探测器实现光电变换,得到的电信号经过放大器放大后加到液晶上,从而构成了光电混合反馈回路,控制输出光强,促成Ii-Io之间的双稳关系.定义透过率T=Io/Ii,Ii和Io满足下列平行偏振光干涉方程[15]式中,δ是平行和垂直于液晶分子轴的2个振动分量产生的相位差,与加在液晶两端的电压U成正比,与液晶的半波电压Vπ成反比,即δ=πU.Vπ在液晶光电混合系统中,加在液晶两端的电压U是初始偏压Vb、反馈电压V、附加电压Vs(液晶剩余应力引起)的总和.故(1)式可以写成:如果将输出光强Io通过光电转换器件线性地转换成电信号V,反馈加在液晶的控制电极上,则反馈电压V正比于输出光强,即V=kIo,其中k为包括光电探测器和放大器在内的光电转换系数.将该式变换为方程(2)是正弦平方曲线,方程(3)是直线.联立求解方程(2)和(3)可得到表征器件工作状态的解.分别作出方程(2)的调制曲线和方程(3)的反馈直线,它们的交点即为两方程的共同解.由图3可见,当入射光强由小到大按照变化时,工作点则依次按照A→B→C→D→ E变化,在C和D点透过率产生由低到高的突变;反之,若减小入射光强,使其按照变化时,工作点则沿E→D→F→B→A变化,在F和B点产生由大到小的突变.因此,系统的Ii-Io关系成为如图1所示的滞后迴线.如果方程组的解是单值的,则无双稳态.因此,要求整个系统必须工作在双稳态临界范围之内.所谓临界范围是指方程组具有双解的范围,图3中B, C,D,F所包围的区域即为临界范围,对应1个初始偏压Vb有1个临界范围.混沌是指在确定性的动力学系统中的无规行为或内在随机性.对相空间的一定区域进行长时间观察会发现系统运动轨迹的各态遍历性.一个系统可以导致混沌运动出现的基本思想是实现这样的数学反馈回路:系统的输出能够不断地反馈到它自身作为新的输入.这种回路无论简单还是复杂,都可以出现稳定的行为和混乱的行为.它们的差别仅仅在于系统的某一参量取值不同.这个参量只要有极小的变化,就会造成回路系统的行为从有序状态平滑地转化为表面上看来似乎是杂乱无章状态,即逐步地演化为混沌.系统的混沌运动可由确定的方程来描述.一般来说,当描述系统运动的常微分方程组不小于3个时,在适当的条件下,系统会出现混沌运动.一个延时方程在数学上可化成无穷阶的自治方程组,所以用延时方程描写的动力学系统一定会出现混沌运动.液晶光电混合光学双稳系统可用如下的延时耦合方程来描述:(4)式中第一个方程是描述系统的调制方程,第二个方程是描述反馈系统的弛豫方程.这里V(t)是考虑了时间变量的反馈电压,tR表示系统的延迟时间,τ是反馈系统的弛豫时间.在双稳态的讨论中事实上只考虑了系统的定态[即dV(t)/dt= 0的情况],而没有考虑其动态效应.若令y(t)=则(4)式可以合并为一个有延时tR的无量纲自治微分方程:对方程(5)的数值计算表明:若入射光强一定,系统的输出随着延迟时间的增加,由周期振荡,经倍周期分岔演化到混沌(如图4所示);若延迟时间一定(长延迟),系统的输出随着入射光强的增加,也会出现与图4类似的结果;在短延迟情况下,系统的输出随着入射光强的增加,由周期振荡直接进入到混沌;精确计算还表明,系统在混沌状态下存在着稳定的周期窗口.液晶光电混合型光学双稳与混沌系统的工作原理如图5所示.当测试双稳迴线时,半导体激光器(波长650 nm,功率4 mW)发出的单色光,经过旋转的半波片H(波长为650 nm)和偏振器P1后,强度由小→大→小连续变化.2个正交的线偏振器P1和A 及液晶LC组成了电光调制器,输出光强由光电池D2接收.将D2输出的信号经放大器AMP2放大后,分成1和1′两路,1路加在液晶上作为反馈电压,1′路接在示波器上,实时观察输出信号的变化.旋转偏振片P2可以改变光电池D2接收到的光强,即改变液晶的反馈电压.为了监测输入光强,在光路中加了分束镜BS,通过光电池D1接收,信号经放大器AMP1放大后作为液晶上的入射光的参考信号.当测试混沌振荡曲线时,首先将D2输出的模拟信号经放大器AMP2放大,再由模数转换卡A/D将模拟信号转换成数字信号输入到计算机中.通过软件对数字信号进行延时处理,最后经由计算机输出.输出的延时信号经放大器AMP3后,分成2和2′两路,2路加在液晶上作为反馈控制信号,2′路接在示波器上.图6是实验光路图,所有光学元件放置在导轨上.其中白屏在混沌实验中用来遮挡光.电子仪器有示波器、信号源和自制的控制箱,其内有提供液晶电压的电源、光电信号放大器、数模转换卡,通过控制箱面板上的端口进行通信.首先,测试液晶的调制曲线,即在无反馈、无偏压状态下测试Io-Ii关系曲线.选择信号源输出锯齿波信号,取频率为0.5 Hz,振幅为8 V,直接加在液晶的2个电极上,此时的Ii即为锯齿波信号.图7为示波器上显示的调制曲线,其中横坐标为Ii,纵坐标为Io.曲线形状为正弦平方形式,与方程(2)的理论结果相吻合.然后,观察双稳态.使入射光强连续变化,在有Io反馈的条件下测试双稳曲线.分别调节初始偏压Vb、反馈电压Io和液晶转角φ(入射线偏振光的透过方向与液晶分子的夹角),观察双稳迴线的形状、面积的变化.图8是当固定反馈电压和液晶转角时示波器上显示的1组双稳迴线,即Io-Ii关系曲线,但此时的Ii是连续变化的入射到液晶前表面的光强.可见,当初始偏压Vb增加时,双稳迴线的面积也增加,但当Vb大于5.50 V时,双稳态消失,双稳迴线变成1条直线.在方程(4)中,当du(t)/dt=0,且t→∞时,可以得到对应双稳态的解.数值计算表明,当θ增加时,双稳迴线的面积也增加,这种现象在实验中正好体现了Vb与双稳迴线面积的关系.分别改变反馈电压和液晶转角也会出现类似图8的结果.最后,依然在有反馈的条件下观察混沌态.固定入射光强、反馈电压和液晶转角,改变延迟时间tR,观察实验现象.图9是在固定反馈电压和液晶转角时示波器上显示的1组混沌曲线,即Iot关系,其中横坐标为时间,纵坐标为输出光强,所有的曲线均为长时间观察后截取的其中一段.可见,系统的运动状态随着延迟时间tR的增加,由周期振荡、倍周期分岔发展到混沌.在图9(d)中可以观察到阵发混沌现象,即在稳定的倍周期中夹杂着不稳定的混沌运动,这种阵发混沌只是由稳态到不稳态的临界状态.只要tR再增加一小量(10 ms),系统便完全进入混沌[见图9(e)],并且一直延续下去[见图9(f)],而且混沌运动的状态是随机的.当分别改变入射光强和液晶转角时,系统也会出现类似图9的结果,但曲线的振幅、周期、形状都不同,运动形式多种多样,十分丰富.对初值的敏感性是混沌的一个典型特征,在实验中每当变化延迟时间、入射光强和液晶转角参量中的任何1个,且仅变化一小量,都会导致系统的运动状态发生巨大的变化,充分验证了混沌这一基本特征.除上述实验内容,还可以测试系统的弛豫时间和光学双稳态的另一种方式Vb-Io曲线.还可利用本系统研究液晶的电光效应和双折射效应.借助自主研制的“液晶光电混合型光学双稳与混沌系统”研究了光学双稳态与混沌运动的一般规律.在有反馈的条件下,对于1个入射光强,存在着2个不同的透射光强,并以滞后迴线形式为特征,即系统呈现双稳态.依然在有反馈的条件下,改变延迟时间tR,系统的运动状态随着延迟时间tR的增加,由周期振荡、倍周期分岔演化到混沌,而且,混沌对于初始值具有高度敏感性.该系统还可以扩展其他实验内容,如测试系统的弛豫时间、测试液晶的双折射率、研究液晶的电光效应等.研究结果表明,该实验可以使学生通过对非线性一般规律的观察,充分认识到对于一个确定性的系统在某一条件下可以发生随机性行为,从而意识到客观世界是确定性和随机性的对立统一.多年的教学实践表明,对于培养大学生对客观规律的认知和提升他们的科学素质,光学双稳与混沌实验起到了积极的作用.【相关文献】[1] Seidel H.Bistable optical circuit using saturable absorber within a resonantcavity[P].U.S.Patent: 3610731,1969.[2] Sz¨oke A,Daneu V,Goldhar J,et al.Bistable optical element and itsapplications[J].App1.Phys. Lett.,1969,15(10):376-379.[3] Ikeda K.Multiple-valued stationary state and its instability of the transmitted light by a ring cavity system[J]mun.,1979,30(2):257-261.[4] 张洪钧.光学混沌[M].上海:上海科技教育出版社,1997.[5] 杨世平,戴建华,张洪钧,等.光学双稳态中从三频准周期运动过渡到混沌[J].物理学报,1989,38 (12):1 937-1 944.[6] 陈历学,李淳飞,洪晶.短延时光学双稳性的不稳性[J].量子电子学,1985,2(3):193-197.[7] 黄润生,黄洁.混沌及其应用[M].武汉:武汉大学出版社,2005.[8] 漆安慎,杜禅英.力学[M].北京:高等教育出版社,2005:319-325.[9] 高锦岳,郑值仁,国秀珍,等.光学双稳、非稳、混沌及动力学存储实验装置[P].中国发明专利: 00122174.4,2000.[10] 吴思诚,王祖铨.近代物理实验[M].北京:高等教育出版社,2005:208-215.[11] 熊俊.近代物理实验[M].北京:北京师范大学出版社,2007:436-490.[12] 孙萍.液晶光学双稳与混沌实验仪[P].中国发明专利:200920222857.2,2010.[13] 蒋达娅,王世红,肖井华.混沌专题系列研究性实验介绍[J].物理实验,2007,27(1):17-19.[14] 姚安居.液晶光学双稳态装置[J].大学物理实验,2002,15(3):52-53.[15] 廖延彪.偏振光学[M].北京:科学出版社,2003: 100-103.。
半导体激光器发光原理及工作原理
半导体激光器发光原理及工作原理激光器是一种能够产生高度聚焦、单色、相干光的器件。
半导体激光器是一种基于半导体材料的激光器，其发光原理和工作原理是通过电流注入半导体材料来实现的。
一、半导体材料半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料。
常用的半导体材料有硅(Si)和化合物半导体如砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)等。
半导体材料的特点是在室温下具有一定的导电性，同时也具有一定的绝缘性。
二、PN结和激光器结构半导体激光器的核心是PN结。
PN结是由P型半导体和N型半导体的结合形成的。
在PN结中，P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子会发生复合，形成电流。
当在PN结中施加正向偏置电压时，电子从N端流向P端，空穴从P端流向N端，这样就形成了电流。
半导体激光器通常采用的结构是双异质结构。
双异质结构是在PN结的基础上，通过在P型半导体和N型半导体之间引入一个带隙较大的材料，形成一个能带阱。
这个能带阱可以限制电子和空穴的运动，从而使得电子和空穴在能带阱中发生复合，产生光子。
三、激光器的发光原理半导体激光器的发光原理是基于激光的受激辐射效应。
当在半导体材料中施加电流时，电子从N端流向P端，空穴从P端流向N端，这样就形成了电流。
当电子和空穴在能带阱中发生复合时，它们会释放出能量，这个能量以光子的形式发射出来。
在半导体激光器中，激光的产生是通过受激辐射的过程实现的。
当一个光子经过激光器材料时，它会与被激发的电子发生碰撞，激发电子从低能级跃迁到高能级。
当这个激发电子回到低能级时，它会释放出一个与初始入射光子相同频率和相同相位的光子。
这个释放出的光子与入射光子具有相同的频率和相位，从而形成了激光。
四、激光器的工作原理半导体激光器的工作原理是通过注入电流来实现的。
当在半导体激光器的PN结中施加正向偏置电压时，电子从N端流向P端，空穴从P端流向N端，形成了电流。
这个电流会激发PN结中的电子从低能级跃迁到高能级，从而产生激光。
光反馈抑制半导体激光器散斑性能的研究
第02期2020年01月No.02January，2020三色激光显示以其高亮度、广色域、高饱和度和长寿命等优点被称为下一代显示技术，并已进入产业化阶段。
三色激光显示使用的是半导体激光器，无法避免激光散斑对其画质造成的影响，因此散斑抑制成为三色激光显示行业技术发展的关键。
激光散斑是由于激光的高相干性而在激光光斑中出现高对比度但尺寸细微的颗粒状图样[1]。
散斑实际上是干涉条纹，激光投影显示系统中的散斑是由屏幕表面和探测器（人眼或CCD ）等散射的相干光相互干涉而形成的[2]。
不同课题组及公司已针对散斑问题进行了大量的研究和实验，并提出多种方法来消除散斑，基本可分为动态消散和静态消散两个种类。
目前较为成熟的动态消散技术包括在光路中加入扫描漫射体[3]、旋转散射片[4-5]以及引入运动屏幕[6]等。
而常用的静态消散斑技术包括利用偏振多样性、波长多样性、基于米式散射[7]以及在光路中引入衍射光学元件（Diffraction Optical Elements ，DOE ）[8]等方案。
静态消散的方式无机械振动，有利于小型化以及系统的稳定，但消散能力有限；动态消散的方式虽然能够实现较好的消散效果，但是增加了系统结构的复杂度、成本以及不稳定性[9]。
理论和实验研究表明，光反馈可以压窄或展宽半导体激光器的光谱线宽，光反馈技术可以调谐半导体激光器的相干长度，依照这一理论，通过光反馈技术可以改变半导体激光器的时间相干性，进而改变散斑的状态。
若此技术得到验证和应用，可从根本上改善散斑状态。
文章将用实验验证光反馈技术改善散斑的效果，并对其机理进行分析和讨论。
1 光反馈试验装置和原理说明1.1 散斑评价方法散斑对比度C 是定量分析散斑图样常用的方法，其表达式如（1）所示：1C Iσ=（1）其中，σ1为光强的标准分布，I 为光强的平均值。
当散斑对比度C 小于0.04时，人眼将无法分辨出散斑，正确的测量散斑及获得散斑图样是计算对比度的基础。
半导体激光器产生激光的条件
半导体激光器产生激光的条件半导体激光器是一种能够产生高亮度、高单色性和高相干性激光的器件。
它是由半导体材料制成的，具有小体积、低功率消耗、易于集成等优点，因此在通信、医疗、工业等领域得到了广泛应用。
那么，半导体激光器产生激光的条件是什么呢？首先，半导体激光器需要具备激光放大的条件。
激光放大是指将输入的光信号在激光器内部得到放大，从而产生高亮度的激光。
为了实现激光放大，半导体激光器需要具备以下条件：1. 有源介质：半导体激光器的有源介质是由半导体材料构成的。
在有源介质中，电子和空穴可以通过注入或激励的方式得到激发，从而形成激子。
当激子数目达到一定的阈值时，就会发生激光放大。
2. 光反馈：为了实现激光放大，半导体激光器需要具备光反馈的条件。
光反馈是指将一部分激光反射回激光器内部，从而形成光场的正反馈。
这样可以使得激光在激光器内部得到放大，从而产生高亮度的激光。
其次，半导体激光器需要具备激光产生的条件。
激光产生是指将有源介质中的激子转化为激光的过程。
为了实现激光产生，半导体激光器需要具备以下条件：1. 电子空穴复合：在有源介质中，电子和空穴可以通过注入或激励的方式得到激发，从而形成激子。
当激子数目达到一定的阈值时，就会发生电子空穴复合，从而产生激光。
2. 光放大：在有源介质中，激子可以通过受激辐射的方式得到放出，从而形成光子。
当光子数目达到一定的阈值时，就会发生光放大，从而产生激光。
综上所述，半导体激光器产生激光的条件包括激光放大和激光产生两个方面。
在实际应用中，为了满足这些条件，半导体激光器需要通过优化材料、结构和工艺等方面的参数，从而实现高效、稳定和可靠的激光输出。
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太原理工大学硕士研究生学位论文
4. 利用开环结构的速率方程对实验系统进行了数值模拟，得到了混沌 同步，分析了发射机的反馈光强的大小对系统同步的影响，并且讨论了注 入光强和频率的失谐对同步的影响，模拟结构和实验，光反馈，半导体激光器。
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2. Based on the simulated result, we have experimentally achieved the flat and broadband chaos carrier using the ring external long-cavity optical feedback laser diode with all-fiber link. 3. Chaos synchronization has been implemented experimentally when the chaotic light is injected into a solitary DFB laser diode. Meanwhile, the influences of the injection strength and the frequency detuning on the synchronization have been measured. The results show that the chaotic oscillation synchronization is tolerant to frequency detuning under the strong chaotic optical injection and the good synchronization is achieved at the positive frequency detuning. The synchronization quality improves obviously with the increasing of injection power. The correlation coefficient of optimum chaos synchronization is 0.84. 4. Using the rate equation of open-loop scheme, we have numerically simulated the experiment system. The synchronization was achieved and the dependence of the synchronization quality on the frequency detuning was investigated. The simulated results are consistent with experimental results.
太原理工大学 硕士学位论文 全光反馈半导体激光器混沌的产生及同步 姓名：张秀娟 申请学位级别：硕士 专业：@ 指导教师：杨玲珍 20090501
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全光反馈半导体激光器混沌的产生及同步
摘 要
激光混沌信号的宽带、随机和不可预测性，使其具有天然的屏蔽性和 保密能力，成为近年来保密通信领域的研究热点。混沌同步是实现混沌保 密光通信的关键，为了适应目前高速大容量信息传输保密的需要，对光混 沌同步系统的带宽和保密性提出了更高的要求，因此，不断地提高和完善 同步系统的性能显得至关重要。 本文基于环形长腔光反馈半导体激光器得到了平坦宽带的混沌载波及 混沌同步，具体进行的工作如下: 1.利用光反馈半导体激光器的速率方程数值研究了外腔长度的变化对 输出的混沌激光的频谱的影响，得到长腔和弱反馈的情况下混沌载波的频 谱平坦光滑，光滑平坦的混沌载波有效的隐藏了外腔的谐振峰，增加混沌 保密通信系统的保密性。 2. 基于数值模拟的结果，利用环形长腔光反馈半导体激光器全光纤链 路实验得到的平坦宽带的混沌载波。 3. 采用开环结构，单向耦合强注入的方式实现了混沌同步，同时实验 分析了注入接收机的注入光强和发射机与接收机之间的频率失谐对系统同 步性的影响，得到在强光注入锁定下，最佳的同步状态出现在正失谐处， 而且随着注入光强的增加，同步性提高，实验得到最好的同步相关系数为 0.84。
1.2 混沌研究的发展历程
20世纪70年代初掀起了混沌学的研究热潮， 但是最早研究混沌现象是20世纪初法国 科学家庞加莱(Henri Poincaré)，他在天体力学的三体问题时发现混沌现象，并创立了一 些数学方法来研究混沌[1]，由于当时不具备研究混沌的足够的数学工具，早期并没有得 到很好的发展，直到20世纪60年代，KAM定理的确立被公认为创建混沌学理论的历史 性标记[2]，其次，lorenz在耗散系统中首次发现了混沌运动[3]。Lorenz揭示了一系列混沌 运动的一系列混沌运动的基本特征：确定性非周期性，对周期的敏感性，长期行为的不 可预测性等，他还在混沌研究中发现了第一个奇异吸引子-lorenz吸引子，为混沌的研究
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提供了一个重要模型。 70年代以后， 混沌作为一门新兴的学科， 得到了重视并迅速发展。 1975年李天岩和美国数学家J. Yorke 提出了 “周期三意味着混沌” ， 给出了闭环系统中连 续自映射的混沌定义[4]，紧接着1977年在意大利组织了第一次有关混沌研究的科学性会 议，相继各国都相关的混沌科学会议。1978年，Feigenbaum发现了表示分岔序列收敛速 率的普适常数[5]，并由此导出说明分岔谱缩小因子的普适常数。1980年美国数学家建立 了分形几何，并用计算机绘出了第一张Mandelbort集的混沌图像[6]。美国工业和应用数 学协会(SIAM)在1988年发表的一份题为《控制理论未来的发展方向》的指导性文献[7] 中，特别把“混沌的控制”作为一个新的研究方向。到1990年，美国马里兰大学的物理 学家Ott，Grebogi和Yorke提出了通过参数的微调以控制混沌的OGY方法[8]，开始了混沌 应用与控制的第一个里程碑； 1994年，Schiff等提出了混沌反控制的概念及方法[9]。进 入90年代后，混沌研究得到了快速的发展，有了一些新的理论和方法，而且混沌控制等 方面也取得了进一步的研究进展，这些研究打开了混沌更广阔的应用前景，近10年中， 混沌科学渗透到生物医学，信息科学等很多领域并得到广泛的应用，混沌在现代的科学 中起着越来越重要的作用。
KEY WORDS: chaos, chaos synchronization, flat spectrum, optical feedback, laser diode.
IV
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第一章 绪论
1.1 引言
混沌是 20 世纪开始兴起的一门新的学科， 早在 20 世纪初被法国科学家庞加莱(Henri Poincaré)发现， 一直以来， 混沌作为一门新的学科以其涉及的应用领域之广而倍受关注。 混沌现象是在确定性系统中产生的随机不规则的现象，这种现象对其初值条件极其敏 感。由于混沌含有丰富的信息并在保密通信，神经网络，医学生物等方面有很好的应用 前景，因此对混沌现象的研究具有很大的意义。 自 1990 年提出并实验验证了电路系统的混沌同步并建议利用混沌同步实现保密通 信以来，混沌在保密通信中的应用引起了人们的关注。混沌的加密是一种物理层面上的 硬件加密，混沌信号的随机、不可预测等特性，使其具有天然的屏蔽性和保密能力；由 于其处理速度与密钥长度无关，因此用这种方法的计算效率很高，而且这种加密的信息 很难破译，只有当接收者具有与发射机参数相同的接收机时，发射机和接收机实现混沌 同步，才能接收到信息，否则，接收者（窃听者）只能收到类似噪声的混沌信号。这些 年来混沌保密通信以其独特的优势得到研究人员的重视并迅速发展。
CHAOS GENERATION AND SYNCHRONIZATION USING ALL-OPTICAL FEEDBACK SEMICONDUCTOR LASER
ABSTRACT
Chaotic light is selected as the source of optical secure communication, due to its characteristics of broadband, random and indeterminism. Chaotic optical communications with semiconductor lasers have attracted extensive attention recently. Chaos synchronization between the transmitter and receiver is mandatory in chaos secure communication systems. However, the present optical secure communication with high speed and capacity brings higher demand of bandwidth and secrecy in chaotic secure communication. So it is significant to improve and perfect the synchronization system. In this thesis, based on semiconductor laser with ring external long-cavity optical feedback, we have implemented the flat and broadband chaos wave and synchronization. The main works are summarized as follows: 1. The dependence of the spectrum of chaotic carrier on the change of external cavity length has been numerically simulated using the rate equation of semiconductor laser with optical feedback. The flat and broadband chaos wave is generated in condition of long cavity and weak feedback. The external cavity characteristic parameter can be effectively concealed in the smooth spectra of chaotic carrier so the security is improved in chaotic optical communication.