Study on Dynamics of Semiconductor Lasers with Optical Feedback

Study on Dynamics of Semiconductor Lasers with Optical Feedback

著者 Ye Shuying

journal or

publication title

静岡大学大学院電子科学研究科研究報告

volume 22

page range 127‑129

year 2001‑03‑30

出版者 静岡大学大学院電子科学研究科

URL http://hdl.handle.net/10297/1493

氏名^0(本籍

) 

)

学位 の種 類

  (工  

⁾

学位 記 番 号

  193  

学位授与の 日付   平 成 H年 9月 27日

学位授与の要件

学位論文題目

   Study on Dynamics of Semiconductor Lasers with Optical

(戻り光半導体 レーザの ダイナ ミクスに関 す る研 究

)

論 文 審 査 委 員   (委員長)

教 授 篠 原 茂 信

教 授 窪 野 隆 能

論 文 内 容 の 要 旨

Semiconductor lasers play a key role in practical applications, such as optical fiber communication and opti- cal datzrecording systems. In actual situations, optical feedback from an optical disk surface or fiber connectors enhances instabilities and noises in laser systems, so that it is considered as an unwanted phenomenon. On the other hand, the semiconductor laser with optical feedback is a good candidate for exploring optical chaos, since it provides a lot of aspects of nonlinear dynamics in optics. Especially, since the ideas of the chaos control were proposed inl990, active applications of chaos have been opened and developed.

The present thesis concerns dynamics of semiconductor lasers with optical feedback. We investigate in detail the periodic enhancement of the stability for variation of the external cavity length and discuss its origin. The route to coherence collapse for increase of the injection current is demonsfiated for the first time. Based on the previous studies, we introduce the chaos control with a weak nonresonant periodic force and verify the effec-

tiveness of the control method experimentally.

Firstly, the theoretical model of semiconductor lasers with optical feedback is introduced in chapter2. We discuss steady-state solutions for the rate equations and describe the expression of the relaxation oscillation frequency. The chaotic bifurcations and dynamics are examined. We investigate especially optical spectra of the laser output power in the numerical analyses and experiments. The experimental results prove that the

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opdcal spectta well represent theぬ′nalluc variations of the laser output powero By including Langevin noise sources in the rate cquations,we invesigate the phase ald intensity noiseslnd the dependence oftheぬmalmCal

behaviors on themo We found thatthe noises are much enhanced when the output evolves into chaoJc states.

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"namic behaviors ofa semiconductor laser宙

th opticJ feedback are m」」y iduenced by three param…

eters in the system,ic e。

current̀At some pararneter regions,the laser oScillates rather stably,while it shows chaodc ttuctuations for other tegions.In chapter3,we investigate theoretically and expenlnentally the periOdic enhancement of the stability in semcOnductor lasers with optical feedback along the extemal cavity length.The excellent coinci‐

dence between the theory and expenments is obtained.The relaxation oscillation hquency is also investigated as a functton of the extemai cavity length.The penod of the stability enhanccrrlent along the extemal cavity length is exacdy∞ incident with the length corresponding to the relaxation oscillatioll frequency of the sohtary laser atld the periOdic structure of the relaxation oscillation in the presence of optical feedback has the sarne period with the stability enhancement.The stability enhancement for the extemd cavity length is interpreted by the lincamode competition and alteFnatiOn of the relaxation oscillation lnodes.

h chapter4,we invesdgate the Юute to coherence collapse for increase of the extemal feedback re■ ecdvity andtheitteCiOncurrent.■ is well known thtt the laseroutputpOwerjumps宙 th change ofthe itteC■ On current duc to the extemal inode transition.But we here for the first time demonstrtte the existence of the chaotic scenano within the success市 e laser powerjumps.At a moderate opttcal feedback,the laser output power in‐

creases with increase ofthe ittecttOn curent andjumps at a cemin ittec■ On currellt due to the extemal nЮ de transition.Ater amodejump,the laser oscillates rather stably with a smJl relaxation oscillation,but the relax‐

ationoscillationis graduJlyenhancedwithincttaseoftteitteCtiOncurrellt.Then the oscillation corresponding to the extemal cavity lnode emerges in the laser output power.Findly,justbeforethe nextmodejump,the laser becomes unstable enough to evolve into chaotic state.At a high extemalren∝ d宙ty,we have obseⅣ^{ed a com―}

pletely coherence conapsed state of the laser oscillation,The coherence collapse is dependent■ ot only on the extemal feedback re■∝d宙ty but also on the ttec■On curent.The results calculated by the numencal simul缶 tions based on the rate equations are compared wlth those ofthe expenIIlents and the good coincidence between them is found.

In chapter5,we investigate the eLIIunation or suppression of chaotic behaviors in a senuconductor laser with extemal optical feedback.The∞

ncept of chaos control IIleans the stabilization of unstable pe■ odic orbits that are orlginally e血

istics in the system.Therefore,a sufflciently s■ lall control signal is required.In our numerical case,chaos control is realized with a small lnodulation depth for the lnJec■on current(<1%)。 WC have conducted expen‐

mental stuゥ and verifled the effeciveness ofthe control method.The nulnerlcal and experlmental results show that the chaos control largely depends on the modulation depth and is little sffected by the modulation fre‐

quency,nalnely,the suppression of chaos is lnalnly achieved by applying a nonresonant penodic force.

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論 文 審 査 結 果 の 要 旨

戻 り光半導体 レーザに発生する不規則雑音は、系の非線形性にともなうカオスによって発生するも のであることが最近になり明らかにされた。 しか し、その性質や抑制についての研究はまだ始まった ばか りである。本論文では、この戻 り光半導体 レーザにおける出力光のダイナミクスを明らかにし、

誘起 された不規則雑音 を抑制するカオス制御の方法について述べている。

第1章は序論であ り、戻 り光半導体 レーザの戻 り光効果の分類 を示 し、本論文の目的、位置づけを 行 っている。

第2章 では、戻 り光のあるレーザ レー ト方程式を数値解析することにより、 レーザ出力光のカオス 分岐、 レーザ発振線幅の増大、相対雑音などについて調べ、各パラメータの依存性を明らかにした。

そ して、 レーザ緩和振動がこの光カオスに大 きな影響を及ぼしていることを明らかにした。また、こ のような解析 において、光出力信号の時間波形を直接観測できなくても、その光スペク トルを解析す ることにより、等価的にカオス状態を検出できることがわかった。このことは、半導体 レーザにおけ る光 カオス信号のように高速で変化する信号 を解析するのにきわめて有用である。

第^3章では、 レー ト方程式 に対 して線形安定性解析の手法 を用い、パ ラメータ変化に対する系の安 定性、不安定性の議論 を行 った。 これを用いて外部共振器長 を変化 させた ときの戻 り光量 に対す る レーザ発振の安定性 について調べた。この結果、外部共振器長変化に対 して安定性が周期的に強化 さ れ、その周期は戻 り光のないレーザの緩和振動周波数に相当することがわかった。実験を行い、この 結果 を確かめた。

レーザヘの注入電流を変化 させたときに、戻 り光がある場合にレーザ出力が周期的に不連続なジャ ンプをすることが知 られている。第4章 では、この不連続なジャンプの間にカオスのルー トがあるこ とを、数値解析 により初めて明らかにした。そ して、これを実験により確かめた。また、戻 り光量が 多 くなるとレーザのコヒーレンスが著 しく失われるコヒーレンス崩壊が生 じるが、このコヒーレンス 崩壊 に至 るルー トについて も言及 した。

第5章 では、 レーザヘの注入電流 を微小 に変調することにより、 レーザ発振 をカオス状態か ら周期 状態あるいは固定点に変化 させ、光出力の雑音 を抑制する方法について検討 した。理論的な検討によ

り、変調周波数 よりも変調振幅により強 く依存 してカオス状態が抑制 される窓があることがわか り、

これによリレーザ雑音の抑制がなされることがわかった。実験結果はこれに良 く一致 した。

以上を要約すると、本研究において戻 り光半導体 レーザにおける光カオスのダイナミクスが理論 と 実験か ら明らかにされ、さらにこれに基づいた雑音抑制の方法が確立 された。審査の結果、本論文は 博士(工学)に相当する内容があるものと認定する。

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