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半導體雷射之非線性動態及其應用

  撰文者:洪裕涵,黃勝廣(國立成功大學 光電科學與工程學系)  2016-07-28
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在光電科學的發展歷史中,尖端的雷射物理與技術一直是非常重要的研究主題,其範圍涵蓋超快光學、非線性光學、非線性動態學等方面的探索,可應用的領域非常廣泛且具革命性,包含原子物理、核融合、量子光學等基礎科學探討,以及通訊、資訊、生醫等應用科技研究。從諾貝爾物理獎平均每十年就由一位對雷射物理與技術有卓越貢獻的學者所獲頒,即可凸顯其於科學探討與科技應用上的重要性與不可或缺性。半導體雷射(semiconductor laser) 乃以化學元素週期表中III V族或II VI族化合物為增益材料的一種雷射,可藉由不同半導體化合物的比例或組合,製作成不同輸出波長的半導體雷射。除了一般雷射常見的特性外,例如單色性佳、指向性高、相干性好,半導體雷射還具備了體積小、耗能低、增益高、調制頻率高等獨有特性,使其相較他種雷射可滿足更多不同領域的科技應用。在本專文中,我們將簡扼介紹幾種半導體雷射非常獨特的物理行為,名為非線性動態(nonlinear dynamics),並舉例說明其於下一世代無線行動通訊上的創新應用。


半導體雷射之非線性動態

在不受任何外來干擾下,典型的單一縱模半導體雷射 (single longitudinal-mode semiconductor laser),在時間上呈現一個連續的光功率輸出,如圖一(a)所示,亦即所謂的連續波 (continuous wave),為一相當簡單的物理行為。受半導體雷射本身的自發性輻射雜訊(spontaneous emission noise)與衰減振盪(relaxation oscillation)的影響,該光功率會在一個數值上下微幅變化。在光波頻譜(optical spectrum)上,如圖一(b)所示,這樣的物理行為呈現光功率多集中在單一頻率(亦即光振盪頻率,optical oscillation frequency)上的特徵,並在其等頻率間距的兩側,各出現一個因衰減振盪而產生的邊帶(relaxation oscillation sideband),該等頻率間距因此稱為衰減振盪頻率(relaxation oscillation frequency)。在微波頻譜(microwave spectrum)上,如圖一(c)所示,前述的物理行為會出現一個以衰減振盪頻率為主的功率分布。

圖一:(a)(b) (c)分別為半導體雷射在無任何外來擾動下之光功率隨時間變化、光波頻譜圖、微波頻譜。(d)(e) (f)分別為半導體雷射因光注入而處於穩定注入鎖住時之光功率隨時間變化、光波頻譜圖、微波頻譜。(g)(h) (i)分別為半導體雷射因光注入而處於週期一動態時之光功率隨時間變化、光波頻譜圖、微波頻譜。(j)(k) (l)分別為半導體雷射因光注入而處於混沌時之光功率隨時間變化、光波頻譜圖、微波頻譜。上述光波頻譜圖的橫軸(亦即光波差頻),乃以半導體雷射在無任何外來擾動下之光振盪頻率為參考頻率所呈現的相對頻率值。


在半導體雷射中,因光學腔的共振頻率(cavity resonance frequency) 可與增益(optical gain) 的極化共振頻率(polarization resonance frequency) 相異,可藉不同外來光電干擾方式,使其輸出較為複雜的物理行為,並在不同操作參數的數值調整下,改變其複雜的程度[1]。在本專文中,我們採用外部光注入(external optical injection) 的方式,如圖二所示,將一半導體雷射所輸出的連續波,引導注入至另一半導體雷射中,並藉調整注入光的功率大小與頻率高低,激發該半導體雷射複雜程度不一的數種物理行為,例如穩定注入鎖住(stable injection locking)、週期一動態(period-one dynamics)、混沌(chaos) 等[2]。以下針對上述三種非線性動態行為,簡短介紹目前已知的物理特性與創新應用。


繼續閱讀全文:物理雙月刊38期8月號(2016)

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