针对垂直腔面发射激光器(VCSEL)与相位共轭镜(PCM)这一弱耦合系统, 同时考虑到相位共轭镜奇次反馈产生共轭光,偶次反馈产生常规光这一不同于普通平面镜的奇偶效应,构建非即变相位共轭镜奇偶分开的多次反馈理论模型,对多次相位共轭反馈(PCF)下垂直腔面发射激光器非线性动力学行为进行了数值模拟。结果表明,由于引入了奇偶两种不同反馈类型,高次相位共轭镜反馈可明显改变垂直腔面发射激光器的输出动态,即使在弱反馈条件下也如此,而其对稳态特性的影响却恰恰相反。与只考虑一次反馈相比,考虑多次反馈后,弱反馈引起的系统不稳定明显被抑制,混沌区域变小并代之以稳定的倍周期态;而强反馈时,一次反馈对应的从混沌到三分岔的非线性演变方式,在二、三次反馈时分别变成了从倍周期到混沌和从准周期到混沌的演变过程。

在传统半导体激光器动力学方程的基础上,突出了垂直腔面发射激光器(VCSELs)的微腔结构特点以及相位共轭反馈(PCF)的时间反演特性,建立起相位共轭反馈条件下的复合腔仿真模型。仿真结果表明:在外部反射率小于0.05的弱反馈条件下,垂直腔面发射激光器的微腔结构导致了它的动态特性与边发射器件有较大的区别,给出两者在混沌带的出现次数、存在范围以及分岔点的出现条件等方面的比较。相对于常规光反馈(COF)而言,相位共轭反馈的累积相位为零,这使得该机制下垂直腔面发射激光器表现出更为丰富的非线性特性。仿真中观察到常规光反馈经历了三个混沌带,相位共轭反馈经历了两个混沌带且稳定区域较宽;并发现在混沌吸引子产生的过程中常规光反馈光场的实虚部相空间轨迹保持对称,而相位共轭反馈的相空间轨迹则表现为对称的‘建立→破坏→再建立’这样的循环过程。

从四波混频产生相位共轭的物理原因出发,定义了相位共轭镜(PCM)的响应时间,建立起非即变相位共轭反馈条件下半导体激光器的外腔模型。以响应时间及频率失调为参变量,对其分岔及噪声等动态行为进行数值分析。结果表明,不考虑噪声影响时,增加相位共轭镜响应时间会使混沌带出现的次数和范围得到较大的抑制,当响应时间增大到1.5 ns时,混沌带消失,半导体激光器保持稳定的单周期状态;考虑噪声影响后,随着响应时间的相对强度噪声(RIN)可减小几dB甚至十几dB,产生突变需要的反馈量也增大一个数量级以上,且其频谱的峰值向高频方向移动;另外,由于共轭反馈引起的频率失调低于半导体激光器激射频率3个数量级以上,它只对分岔特性有影响,对相对强度噪声的影响几乎为零。