光注入下外光反馈半导体激光器输出自相关特性研究

基于半导体激光器(SL)受到外部扰动(光反馈和光注入)下的速率方程组,研究了反馈系数、延迟时间、注入强度和频率失谐对半导体激光器输出混沌信号自相关特性的影响.研究表明：上述四个参量对SL输出混沌信号的自相关函数曲线的半高全宽(FWHM)以及边峰抑制比都有影响;通过合理选择各参量,可以使SL输出的混沌信号具有尖锐的自相关函数曲线分布,其FWHM可降到0.02 ns,比已有相关报道提高了一个数量级. 关键词： 半导体激光器 光反馈 光注入 自相关函数     

光电负反馈下1550nm垂直腔表面发射激光器的动力学特性

基于激光输出的时间序列、功率谱以及相图,对1 550 nm垂直腔表面发射激光器(1 550 nmVCSELs)在光电负反馈作用下的动力学特性进行了研究.结果表明:固定偏置电流,在不同反馈强度下,光电负反馈1 550 nm VCSEL可呈现规则脉冲态、准周期态、混沌脉冲态等非线性动力学态;固定反馈强度,偏置电流取不同值时.1 550 nm-VCSEL也可呈现脉冲态、准周期态、混沌脉冲态等不同的非线性动力学状态.给出了1 550 nm VCSEL非线性动力学状态在偏置电流和反馈强度构成的参量空间分布.分析了激光器的动态演化路径,结果表明:在较小偏置电流和弱光电反馈下,激光器主要工作在稳态:随着偏置电流增加,激光器输出的动力学态通常随反馈强度的增加以规则脉冲态-准周期态-规则脉冲态的方式循环演化到混沌脉冲态;当偏置电流增加到一定值后,激光器输出的动力学态随反馈强度的增加主要以规则脉冲态准周期态混沌脉冲态的方式循环演化.     

直接调制光反馈半导体激光器产生超宽带信号

利用直接电流调制光反馈半导体激光器产生了符合美国联邦通信委员会关于室内无线通信频谱限定的超宽带(UWB)微波信号.基于光反馈半导体激光器速率方程组, 数值分析了偏置电流、反馈强度对混沌UWB脉冲信号的影响.研究表明, 混沌UWB脉冲频谱的-10 dB带宽分别随着偏置电流的增大和反馈强度的增强而逐渐增加; 中心频率分别随着偏置电流的增大和反馈强度的增强而逐渐增大.实验中, 产生了中心频率为6.6 GHz, -10 dB带宽为9.6 GHz的混沌UWB信号. 进一步, 通过调节偏置电流和反馈强度, 可实现混沌UWB信号的中心频率和-10 dB带宽的可调谐输出, 实验结果和数值分析相符合.此外, 实验产生的混沌UWB信号经过34.08 km的光纤传输后, 其频谱形状几乎没有发生变化, 表明该方法所产生的混沌UWB信号对光纤色散有较大的容忍度. 关键词： 超宽带 混沌激光 光反馈 直接调制     

半导体激光器输出混沌光的延时特性和带宽

提出一个新的方案用于抑制半导体激光器输出混沌光的延时特性并研究其带宽.在该方案中,将由伪随机信号驱动的相位调制器加到具有双路光反馈的半导体激光器的两个反馈腔中,从而构成具有双路相位调制光反馈的分布反馈半导体激光器系统.数值研究了延迟时间和反馈系数等参数对该系统输出混沌光的延时特性的影响,用自相关函数曲线中的延时特征峰的最大值表示延时特性.然后将该系统对延时特性的抑制效果和具有双路光反馈的分布反馈半导体激光器系统以及具有单路相位调制光反馈的分布反馈半导体激光器系统进行比较,结果表明本文所提出方案的抑制效果最好.进而基于能有效抑制延时特性的参数条件研究了具有双路相位调制光反馈的分布反馈半导体激光器输出混沌光的带宽,结果表明,抽运因子的增大和反馈系数的增加都能使系统输出混沌光的带宽变大.     

外场调控下的纳米激光时延隐藏及不可预测性提升

纳米激光器作为未来实现光集成的重要光学元件,成为了近年来的研究热点之一,相应的结构工程及输出特性受到了广泛的关注.然而,纳米激光的非线性动力学方向上的研究却少有报道.本文基于纳米激光器的单模速率方程,应用排列熵复杂度量化工具分析了光反馈及光注入下的混沌纳米光源不可预测程度,并通过自相关函数进行时延表征.结果表明:增加线宽增强因子a、偏置电流I_(dc)、减小增益饱和因子e、自发辐射增强因子F、自发辐射耦合因子b都有利于提升混沌的不可预测性并抑制时延特征.而通过光反馈方式产生的混沌光源进一步注入到另一个纳米激光器,会带来额外的光场非线性作用,进一步地增强混沌激光的复杂度特性.此外,基于绘制频率失谐及注入强度下激光器输出的二维复杂度空间分布,确定了获取高不可预测度纳米激光混沌信号的参数范围.这对于实现低成本、小尺寸、高品质混沌光源的研究有重要推动作用.     

双光反馈半导体激光混沌系统中外腔延时反馈特征的抑制

在一个双光反馈半导体激光混沌系统中,固定其中一个反馈腔镜(固定腔M₁)的反馈延迟时间以及反馈强度,实验研究了另一个反馈腔镜(可变腔M₂)的反馈延迟时间以及反馈强度对系统混沌输出的延时反馈特征的影响.研究结果表明:在可变腔M₂与固定腔M₁的反馈强度相等的条件下,改变M₂的腔长,当其腔长约等于(但不能严格等于)M₁的腔长或者腔长的一半时,系统将呈现较好地抑制延时反馈特征效果;当M 关键词： 半导体激光器 双光反馈 混沌输出 延时特征     

基于延时光电反馈控制两段式半导体激光器的双稳及自脉动特性

提出一种将延时光电反馈引入两段式双稳半导体激光器（TBLD）的吸收区，从而达到控制其双稳及自脉动特性的方案.利用速率方程模型，分析了反馈增益及延迟时间对TBLD双稳及不稳定特性的控制作用.数值模拟的结果表明：TBLD的稳定区域随延迟时间呈周期性变化；双稳区域随延迟时间的增大而变窄；在一定的取值范围内，增大延迟时间有利于增强双稳的稳定性；负反馈更容易出现不稳定性. 关键词： 两段式双稳半导体激光器 动态双稳 自脉动 延时光电反馈     

主副垂直腔面发射激光器动力学系统混沌输出的时延特征及带宽分析

基于垂直腔面发射激光器(VCSEL)的自旋反转模型, 数值研究了由一个光反馈VCSEL (定义为主VCSEL, M-VCSEL)输出的混沌光单向注入到另一个VCSEL (定义为副VCSLE, S-VCSEL)所构成的主副VCSELs系统的混沌动力学特性, 分析了注入强度、M-VCSEL与S-VCSEL之间的频率失谐以及M-VCSEL所受到的光反馈强度对系统混沌输出时延特征(包括强度时延特征(I-TDS) 和相位时延特征(P-TDS))以及输出带宽(BW)的影响. 结果显示: 通过调节注入强度和频率失谐, 该系统混沌输出的两个偏振分量(X-PC和Y-PC)的P-TDS和I-TDS可以同时得到抑制; 进一步分析注入强度和频率失谐对混沌BW的影响, 发现在较大负频率失谐区域, 系统可输出BW超过30 GHz 的X-PC和Y-PC混沌信号; 结合系统混沌输出信号的TDS与BW在注入强度和频率失谐参量空间下的演化特性, 可确定宽带宽、低时延特征混沌信号输出的参量空间区域. 此外, 通过合理调节M-VCSEL 所受到的光反馈强度, 可以显著优化系统的混沌输出信号质量.     

反馈强度对外腔反馈半导体激光器混沌熵源生成的随机数序列性能的影响

外腔反馈半导体激光器在合适的反馈强度下将呈现混沌态, 其输出的激光混沌信号可作为物理熵源获取物理随机数序列. 着重研究了外腔反馈强度对最后获取的二元码序列的随机性的影响. 数值仿真结果表明, 随着反馈强度的增加, 外腔反馈半导体激光器输出的混沌信号的延时时间特征峰值呈现先逐渐减小再逐渐增大的过程, 而对应的排列熵特征值呈现先增大、后缓慢降低的过程, 即存在一个优化的反馈强度可使输出的混沌信号的延时特征得到有效抑制且复杂度高. 利用NIST Special Publication 800-22软件对基于不同反馈强度下外腔半导体激光器输出的混沌信号所产生的二元码序列的随机性进行了相关测试, 并讨论了反馈强度的大小对测试结果的影响.     

光电延迟反馈系统几种混沌路径的仿真分析

对非线性光电延迟反馈系统的响应时间序列进行数值分析.模型反馈循环中加入带通滤波器,建立非线性光电延迟反馈系统的数学模型.用龙格-库塔数值分析方法,通过调节参数,发现两种产生混沌信号的路径.设置特定φ时,在低反馈增益情况下,系统输出快速方波信号或慢速周期震荡信号,随着反馈增益的增加,系统输出出现复杂周期信号或混沌breather现象;在高反馈增益时,系统输出从不同的动力特性变成混沌状态.     

反馈相位随机调制消除混沌半导体激光器的外腔长信息

提出并数值证实利用反馈相位的随机调制可消除外腔半导体激光器反馈引起的时延结构. 研究发现:当反馈相位随机调制信号的速率处在0.1—1 Gbit/s范围,随机调制信号的切换幅值个数达到5时,在半导体激光器偏置电流(1.2—2.8I_th)和反馈速率(8—26 GHz)构成的参数空间中,反馈时延结构对应的外腔长信息可被有效地消除. 关键词： 半导体激光器 外腔长 反馈相位 随机信号调制     

光电负反馈下垂直腔表面发射激光器偏振开关特性研究

基于扩展的自旋反转模型, 对光电负反馈下垂直腔表面发射激光器的偏振开关特性进行了数值仿真和理论分析. 研究结果表明: 对于不同的自旋反转率, 反馈强度和延迟时间对激光器偏振开关特性产生较大影响.在慢自旋反转率下运行时, 随着反馈强度的增加, 开关点电流呈线性增加, 导致X偏振模被压缩, 这与报道的基于各向同性光反馈的情景相反, 产生这一现象的原因是由于光电负反馈提高了X偏振模的阈值; 延迟时间对开关点电流的影响随反馈强度的变化而不同.在快自旋反转率下运行时, 反馈强度对开关点电流的影响与慢自旋反转率时的情形不同, 开关点电流经历先增加后减小的过程, 开关点电流受反馈强度的影响更加敏感; 而延迟时间的影响规律和慢自旋反转率时相似. 此外, 还发现自发辐射噪声对激光器偏振开关特性有较大影响. 关键词： 垂直腔表面发射激光器 偏振开关 光电负反馈 自发辐射噪声     

基于DFB腔注入锁定效应的可调谐光电振荡器

提出一种基于分布反馈光注入锁定效应的可调谐光电振荡器,其环路主要由马赫曾德尔调制器、光电探测器、环形器、分布反馈激光器和射频放大器顺接而成,分布反馈激光器是系统关键器件,通过分布反馈激光器光注入锁定效应,分布反馈腔在光域实现了微波光子滤波器功能,无需传统光电振荡器必须的射频带通滤波器.同时,由于分布反馈激光器注入锁定提高了环路Q值,因此系统可采用短环路结构,从而降低了光纤因温度敏感对微波信号稳定性的影响并减小了整个系统的尺寸.另外,通过调节注入光波长和功率可改变该微波光子滤波器的中心频率,从而可实现系统的可调谐性.理论分析了该光电振荡器的原理和微波光子滤波器的调谐性,在此基础上开展了实验验证.结果表明该光电振荡器能够产生18.7～21.6 GHz的可调微波信号,在1 kHz频偏处的相位噪声为-90 dBc/Hz.     

Identification and suppression of the time delay signature of wavelength chaos

Time delay is one of the most important physical parameters in a nonlinear time-delay feedback system. In this paper, we numerically investigate the identification and suppression of the time-delay signature (TDS) of the wavelength chaos by numerical simulations. The autocorrelation function (ACF) and average mutual information (AMI) act as the TDS measures. Especially, the effect of the feedback gain and the initial phase on the TDS is analyzed in detail. The wavelength chaotic nonlinear system undergoes a period-doubling route-to-chaos as the feedback gain is increased. The ACF and/or AMI peaks located at the time delay decrease gradually with increasing the feedback gain. Of interest is that these peaks are kept at a low value when the feedback gain is greater than 15, which indicates the suppression of TDS. The initial phase, however, shows a little effect on the time-delay signature. These results pave the way for optimizing the wavelength chaos by appropriately choosing the control parameters of the nonlinear system.     

双光反馈半导体激光混沌系统的外腔反馈强度对延时特征的影响

通过构建一个双光反馈半导体激光混沌系统,本文实验研究了双腔之间不同反馈强度对系统混沌输出的延时特征的影响.结果表明:固定一个腔的反馈量,而适当调节另一个腔的反馈强度,可实现对混沌输出延时特征的良好抑制.同时,在延时反馈特征抑制较好的情况下,还存在时间漂移（即从混沌输出所提取的特征延时与系统真实延时之差）明显增大的现象.因此采用双光反馈半导体系统可以很好地隐藏激光混沌的延时参量,从而显著提升其在相关领域的表现性能.     

Ultralow-noise mode-locked laser with coupled optoelectronic oscillator configuration

We describe simultaneous generation of ultralow-noise optical pulses and microwave signal with a mode-locked fiber laser in a coupled optoelectronic oscillator configuration. We demonstrate 9.2-GHz optical and microwave signals with the measured phase noise of -140 dBc/Hz at 10-kHz offset frequency. We show that the mode-locked laser in the photonic oscillator serves as a high-Q filter and is responsible for the observed low phase noise.     

高性能注入锁相光电振荡器

提出一种基于注入锁定和锁相环技术的注入锁相光电振荡器.利用注入锁定来改善光电振荡器的近载频相噪以及杂散抑制度.将光电振荡器的输出信号与外注入源进行鉴相,通过锁相环来提升频率稳定性,并进一步改善光电振荡器的近载频相噪.实验结果表明:注入锁相光电振荡器在电滤波器中心频率为9.5GHz、3dB带宽为20 MHz和光纤环长度为6km的情况下,实现了输出信号频率为9.5GHz的单模振荡;当注入锁定带宽为1.98kHz时,光电振荡器输出信号在1kHz频偏处的相位噪声为-125dBc/Hz,在10kHz频偏处的相位噪声为-147dBc/Hz,杂散抑制度高于80dB,阿伦偏差接近1.37×10~(-11)@1s和1.22×10~(-11)@1000s.     

长光纤环高性能光电振荡器研究

提出了采用多个长光纤环实现高性能光电振荡器的方法,通过合理的长度设计,多个长光纤环能够降低光电振荡器的相位噪声,同时提高边模抑制比。理论分析了多个长光纤环实现高性能光电振荡器的可行性,并构建了实验系统。在实验中,利用3个大于4km的长光纤环构建光电振荡器,实现了频率10GHz的微波信号,其相位噪声在频偏10kHz处达到了-130dBc/Hz,边模抑制比达到了60dBc。实验结果与理论分析一致,证明了该方法的正确性。     

Sensitivity to external optical feedback of circular-side hexagonal resonator microcavity laser

The sensitivity to fault reflection is very important for larger dynamic range in fiber fault detection technique. Using time delay signature (TDS) of chaotic laser formed by optical feedback can solve the sensitivity limitation of photodetector in fiber fault detection. The TDS corresponds to the feedback position and the fault reflection can be detected by the laser diode. The sensitivity to feedback level of circular-side hexagonal resonator (CSHR) microcavity laser is numerically simulated and the feedback level boundaries of each output dynamic state are demonstrated. The peak level of TDS is utilized to analyze the sensitivity. The demonstration is presented in two aspects:the minimum feedback level when the TDS emerges and the variation degree of TDS level on feedback level changing. The results show that the CSHR microcavity laser can respond to the feedback level of 0.07%, corresponding to -63-dB feedback strength. Compared to conventional distributed feedback laser, the sensitivity improves almost 20 dB due to the shorter internal cavity length of CSHR microcavity laser. Moreover, 1% feedback level changing will induce 1.001 variation on TDS level, and this variation degree can be influenced by other critical internal parameters (active region side length, damping rate, and linewidth enhancement factor).