Dynamical behavior of delay-coupled semiconductor lasers
Authors:   , Martínez González Cristina 
Published: October 2023

In this Thesis we have presented the results of a set of experimental investigations of the dynamics of delay-coupled semiconductor lasers. The characterization of these systems includes topics such as the processing of information by coupled lasers, the choice of a leader in their lag-synchronized dynamics, or how chaos arises in two coupled semiconductor lasers.

• The transition to chaos of a semiconductor laser through a quasiperiodic state was reported in the past adding an optical feedback or through mutual coupling.
We studied the quasiperiodic route to chaos of two semiconductor lasers mutually coupled through two independent unidirectional paths. The transition from unidirectional to bidirectional coupling was implemented by increasing the coupling strength of one of the paths, while keeping the other constant. We have seen how the transition from stable unidirectional injection to chaos arises through a quasiperiodic state.
Adjusting the currents and temperatures of the lasers in a unidirectional configuration, we maximize the injection by choosing optical frequencies sufficiently close to each other. In this regime, the output intensity of the receiver laser is forced to oscillate at the relaxation oscillation frequency of the driver, with a delay time introduced by the interaction. When the back injection is slightly increased, the external modes of the other cavity are excited and the laser output becomes quasiperiodic. This quasiperiodic behavior is produced by a competition between the external compound-cavity modes and the relaxation oscillation frequencies of both lasers. When the mutual coupling is sufficiently high the chaotic behavior appears. • We have examined how a system of two coupled chaotic oscillators behaves under conditions of lag synchronization. Our experimental setup consists on two semiconductor lasers coupled via mutual injection of their emitted fields, and allows for the control of the coupling directionality. Our results show that the laser leading the dynamics changes depending on the coupling scenario. When one of the lasers has autonomous chaotic dynamics, in the form of irregularly spaced sudden power dropouts (low-frequency fluctuations), and this dynamics is injected into a solitary laser (which is stable in the absence of injection), the injecting laser obviously leads the dynamics. Such role, however, can be transferred to the other laser by converting the coupling from unidirectional to bidirectional. The transition occurs via a state in which the two lasers alternate randomly the leader and laggard roles. This type of behavior is not only restricted to the low-frequency dynamics that we have studied experimentally, but also to fully developed chaotic dynamics (coherence collapse) that occurs for higher pump currents, as shown by numerical simulations.
Our model also shows that the type of dynamics can be changed in a continuous way by acting upon the optical feedback strength affecting the laser with independent dynamics.
We have discussed the potential of this system for bidirectional chaotic communications. Our experimental results show that whenever one of the lasers leads the dynamics, the other laser (the laggard) is able to operate as a chaos-pass filter. However, we have not been able to send information bidirectionally in an effective way. Numerical simulations show that, even though the maximum cross-correlation is similar in both the unidirectional and bidirectional cases, sudden synchronization losses in the latter situation prevent the system from being used as a reliable setup for bidirectional chaotic communications.

En aquesta tesi presentem els resultats d’un conjunt d’investigacions en l’estudi de la dinàmica de làsers de semiconductor acoblats amb retràs. La caracterització d’aquests sistemes inclou estudis com l’intercanvi d’informació en làsers acoblats, el lideratge de la seva dinàmica sincronitzada o com sorgeix el caos en dos lasers de semiconductor acoblats. Es podrien resumir els resultats presentats en aquesta tesis de la forma següent:

• Hem estudiat la ruta quasiperiòdica al caos de dos làsers de semiconductor mútuament acoblats a través de dos camins independents. La transició de l’acoblament unidireccional al bidireccional s’ha implementat incrementant la quantitat d’acoblament d’un dels camins mentres l’altre es mantenia constant. Hem comprovat com la transició desde una injecció unidireccional estable al caos passa a través d’un estat quasiperiòdic.
Ajustant els corrents i temperatures dels làsers en una configuració unidireccional, maximitzavem la injecció apropant les respectives freqüències òptiques. En aquest règim, la intensitat de camp del làser receptor és forçada a seguir les oscil.lacions de relaxació del làser emissor, amb un retràs introduït per la interacció. Quan augmentem la injecció en el sentit contrari, els modes externs de la nova cavitat s’exciten i el làser mostra un comportament quasiperiòdic. Aquest comportament es produeix per la competició entre els modes propis de les dues cavitats, combinats amb les oscil.lacions de relaxació dels dos làsers. El comportament caòtic del sistema apareix quan l’acoblament mutu es suficientment gran.

• Hem examinat el comportament sota condicions de sincronització retardada d’un sitema de dos oscil.ladors caòtics acoblats. El nostre sistema experimental consisteix en dos làsers de semiconductor acoblats via la injeció mútua dels seus camps emesos. La direccionalitat de l’acoblament es pot controlar externament. Els resultats mostren que el làser que dirigeix la dinàmica canvia depenent del tipus d’acoblament. Quan un dels làsers té dinàmica caòtica independent, en forma de caigudes d’intensitat irregulars (low-frequency fluctuations o LFF), I aquesta és injectada a un làser solitari el qual és estable en absència d’injecció, obviament l’injectant dirigeix la dinàmica del sistema acoblat. Aquest rol, tantmateix, es pot transferir a l’altre làser canviant l’acoblament d’unidireccional a bidireccional o mutu. La transició passa a través d’un estat d’alternança en la que el rol de líder canvia de manera aleatòria entre els dos làsers. Aquesta mena de comportament no està restringit només a la dinàmica de baixa freqüència com són les LFF, sino que es mostra també en altres dinàmiques caòtiques com el colapese de coherència (a més altes corrents de bombeig), tal com hem mostrat en les simulacions numèriques. El model també mostra que el tipus de dinàmica pot canviar-se de manera contínua variant la intensitat del feedbak del làser amb dinàmica independent. Hem discutit la biabilitat del sistema per a comunicacions caòtiques bidireccionals. Els nostres experiments mostren que quan un dels làsers lidera la dinàmica l’altre actúa com a filtre passa-baixes. Tot i així, no hem sigut capaços d’enviar informació bidireccionalment en una manera efectiva. Les simulacions numèriques mostren que tot i que el màxim de la correlació creuada és similar per el cas unidireccional com per al bidireccional, les sobtades pèrdues de sincronització en el cas bidireccional impedeixen la utillització del sistema per comunicacions caòtiques bidireccionals.