| Autor(en): |
Stefan Bauer |
Titel: |
Nonlinear dynamics of semiconductor lasers with active optical feedback |
| Gutachter: |
Fritz Henneberger; Oliver Benson; Wolfgang Elsäßer |
| Erscheinungsdatum: |
01.07.2004 |
| Volltext: |
pdf
(urn:nbn:de:kobv:11-10035598)
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| Fachgebiet(e): |
Physik |
| Schlagwörter (ger): |
Halbleiterlaser, nichtlineare Dynamik, optische Rückkopplung, Bifurkationsanalyse |
| Schlagwörter (eng): |
semiconductor laser, nonlinear dynamics, optical feedback, bifurcation analysis |
| Einrichtung: |
Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I |
| Zitationshinweis: |
Bauer, Stefan:
Nonlinear dynamics of semiconductor lasers with active optical feedback;
Dissertation,
Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I , publiziert am 01.07.2004, urn:nbn:de:kobv:11-10035598
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| Abstract (ger): |
| Dynamische Effekte in Halbleiterlasern aufgrund aktiver optischer
Rückkopplung werden untersucht. Basierend auf Laserstrukturen mit
verteilter Rückkopplung wird ein neuer Lasertyp entwickelt. Durch
Experimente und ergänzende Simulationen wird ein umfassender
Überblick der Dynamik dieses neuen Lasertyps gegeben.
Zuerst werden die grundsätzlichen Veränderungen der Laserdynamik
durch verzögerte optische Rückkopplung diskutiert. Es zeigen sich
Hysterese- und Pulsationsphänomene. Ursprung der Pulsationen sind
entdämpfte Relaxationsoszillationen und Modenschwebungen. Die
Pulsationsphänomene werden anhand von integrierten
Mehrsektionslasern mit passiver und aktiver optischer Rückkopplung
untersucht. Es zeigt sich, daß nur Laser mit aktiver Rückkopplung
die vollständige Kontrolle von Rückkoppelphase und -stärke
erlauben, und damit den Zugang zum gesamten Spektrum der
Laserdynamik mit sehr kurzer Verzögerungszeit bieten.
Anhand des Lasertyps mit aktiver Rückkopplung wird eine umfassende
Bifurkationsanalyse durchgeführt. Die Ergebnisse einer numerischen
Untersuchung werden durch umfangreiche Experimente verifiziert.
Sattel-Knoten-, Hopf- und Torus-Bifurkationen organisieren das
Bauelementverhalten. Die Koexistenz von entdämpften
Relaxationsoszillationen und Schwebungspulsationen erlaubt die
Untersuchung von internen Synchronisationsphänomenen, Resonanzen
und chaotischer Dynamik. Der Einfluß spontaner Emission auf die
Laserdynamik zeigt sich am Beispiel rauschinduzierter Vorläufer
einzelner Bifurkationen sowie am Übergang zwischen den beiden
Pulsationsphänomenen.
Abschließend wird die Anwendung des Lasers mit integriert-aktiver
Rückkopplung als optischer Taktregenerator bei einer Datenrate von
40 Gbit/s demonstriert. Arbeitspunkte mit koexistierenden
Oszillatoren und ganzzahligem Frequenzverhältnis eignen sich
darüber hinaus zur rein optischen Frequenzteilung im GHz-Bereich.
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| Abstract (eng): |
| Dynamical effects in semiconductor lasers due to active optical
feedback are investigated. A novel laser type based on distributed
feedback structures is developed and realized. Experiments as well
as simulations give a comprehensive overview on the nonlinear
dynamics of this laser type.
First, the fundamental modifications of the solitary laser
dynamics due to delayed optical feedback in the very short
feedback cavity regime are discussed. Hysteresis effects and
pulsation phenomena due to undamped relaxation oscillations and
mode beating are identified. These oscillation types are
experimentally confirmed by multi-section lasers with integrated
passive and active feedback. It turns out that only the active
feedback laser (AFL) allows for the full control of feedback phase
and strength, enabling the access to the whole spectrum of laser
dynamics in the very short delay limit.
A complete bifurcation analysis for the AFL is presented. Results
obtained in a numerical path-following study are verified by
extensive experiments. Saddle-node, Hopf and torus bifurcations
are identified to organize the device behavior. The coexistence of
undamped relaxation oscillations and mode beating in the strong
feedback regime allows for the experimental investigation of
resonances, mutual locking and chaotic behavior. The modification
of the laser dynamics by spontaneous emission noise is shown with
the example of noisy precursors and irregular dynamics at the
transition between the two oscillation types.
Finally, the applicability of the AFL for optical clock recovery
is demonstrated at a data rate of 40 Gbit/s. Operation points with
coexisting oscillations and rational frequencies are shown to be
suited for all-optical frequency division in the GHz range.
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