封面| 光反馈弧边六角微腔激光器：稳态-准周期态切换现象

太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室王安帮教授、赵彤副教授与广东工业大学王云才教授联合在《激光与光电子学进展》发表题为“光反馈弧边六角微腔激光器的稳态-准周期态切换现象”的封面论文，发现了微腔激光器在光反馈的作用下，其输出状态不仅具备单周期、倍周期、混沌等非线性动态特性，还存在稳态-准周期态切换的特殊输出状态。

封面解读：

封面展示了弧边六角微腔激光器在同一外光反馈结构下，可以实现的多种输出状态。稳态与非稳态周期切换这一特殊输出状态的发现，丰富了对光反馈弧边六角微腔激光器非线性动力学状态的研究，在光数字信号处理和光时钟信号的产生等领域极具潜力。

文章链接:

申志儒，赵彤，王安帮，王云才，光反馈弧边六角微腔激光器的稳态-准周期态切换现象[J]. 激光与光电子学进展，2022, 59(5): 0514001

一、背景

光反馈半导体激光器具有丰富的非线性动力学特性，诸如稳态、单周期、倍周期、准周期和混沌状态等现象，并在诸多领域都有广泛的应用。除上述现象外，激光器在光反馈作用下还会出现模式间或状态间相互切换的现象，且切换周期与外腔往返时间成倍数关系。弧边六角微腔激光器作为一种新型的高性能、可集成的激光器，在研究其光反馈作用下的动态特性时，发现在一定条件下，该系统的输出存在稳态-准周期态切换（S-QPS）现象。

二、稳态-准周期态切换现象

基于Lang-Kobayashi速率方程，构建了光反馈弧边六角微腔激光器模型，调节激光器的偏置电流和反馈速率，可使该微腔激光器输出存在两个模式的周期切换输出，在时序图中就表现为稳态和准周期态的切换输出，切换周期等于反馈光的往返时间。图1为光反馈弧边六角微腔激光器输出S-QPS时的光谱、频谱、时序和相图。

图1 稳态-准周期态切换的数值模拟结果。（a）光谱；（b）频谱；（c）时序；（d）相图。

三、参数影响及产生原因

图1（c）中展示了该S-QPS现象的相关参数，tD为准周期振荡的持续时间，τf为切换周期。随着反馈速率与激光器偏置电流的改变，稳态-准周期态切换的相关参数也有相应的改变，但切换的周期始终与外腔往返时间一致。如图2（a）所示，随着反馈速率的增加，准周期振荡的持续时间tD和振荡的幅值 也在增加。同时，保持反馈速率不变的情况下，偏置电流对两参数的影响恰恰相反，如图2（b）所示。

图2（a）反馈速率和（b）偏置电流对稳态-准周期态切换的振荡幅值和持续时间的影响。

S-QPS现象的存在不仅受电流和反馈速率影响，外腔往返时间同样影响该状态的出现。图3给出了在两种不同外腔往返时间下激光器输出的分岔图。

图3 不同偏置电流和外腔长度下的光反馈微腔激光器分岔图。

综上所述，S-QPS发生的原因可以归纳为两点：一是微腔激光器阻尼较大，反馈速率不足以驱动激光器持续处于无阻尼振荡；二是外腔往返时间大于光反馈下微腔激光器的阻尼时间，使其能够经过阻尼振荡后回到稳定模式。因此，微腔激光器在高偏置电流、外腔往返时间大于阻尼时间的情况下，易于产生S-QPS现象。

四、总结与展望

通过数值模拟发现了光反馈弧边六角微腔激光器的S-QPS现象。光反馈使激光器输出状态在稳态和准周期态之间发生切换，切换周期为外腔往返时间。通过分岔图，揭示了切换现象的产生是由阻尼时间和外腔长度共同决定，当外腔往返时间大于阻尼时间时会产生S-QPS，且该现象在高偏置长腔反馈时更容易出现。反馈速率和偏置电流对切换现象中准周期振荡的幅值和持续时间的调控，为信号处理和通信系统中方波光子微波信号的产生提供了一种替代方案。

作者简介：

赵彤，太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室副教授，2016年博士毕业于太原理工大学，同年留校任教，2019-2020年在西班牙物理和复杂系统交叉学科研究所（IFISC）进行博士后访学。主要从事混沌激光产生、光接入网故障检测等方面的研究。主持和参与了国家自然科学基金青年项目、国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金委国际（地区）合作与交流项目、科技部国家国际科技合作专项项目等10余项。在Optics Express、IEEE Photonic Journal等期刊上发表论文30余篇，授权美国发明专利5项，获山西省科学技术奖（技术发明类）一等奖1项（第二完成人）。