自混沌光相位调制光反馈半导体激光器输出光的混沌特性

混沌光的延时特征(time delay signature, TDS)和带宽是影响混沌激光应用的两个重要参量,常用来表征混沌光的混沌特性.将具有外腔光反馈的半导体激光器(semiconductor laser, SL)作为主激光器,以具有自混沌光相位调制光反馈的SL作为从激光器,并将主激光器输出的混沌光双路注入到从激光器中,构成具有外光双路注入的自混沌光相位调制光反馈的半导体激光器系统.数值研究了外光注入系数和反馈系数等参数对系统输出光TDS的影响,然后将此系统对TDS的抑制效果和具有外光双路注入的光反馈半导体激光器以及具有外光单路注入的自混沌光相位调制光反馈半导体激光器进行对比和分析,从而阐明了本文所提出的方案对TDS的抑制效果较好.在TDS被有效抑制的参数条件下,研究了混沌光的带宽,结果表明:本文提出的方案可以有效提高系统输出混沌光的带宽,获得混沌光的3 dB带宽的最大值约为16 GHz.     

半导体激光器混沌输出的延时特征和带宽

外腔延时特征和带宽是影响混沌激光应用的两个重要参量.本文将一个单路光反馈的半导体激光器输出的激光部分地注入到另一个双路滤波光反馈的半导体激光器中,从而构成一个具有外光注入的双路滤波光反馈半导体激光器系统,即主从激光器系统,用于抑制混沌激光的延时特征并研究其带宽.数值研究了外光注入系数、反馈强度、抽运因子和滤波器带宽对系统输出混沌激光的延时特征的影响,然后将该系统对延时特征的抑制效果和具有外光注入的单路光反馈半导体激光器系统、具有外光注入的双路光反馈半导体激光器系统、具有外光注入的单路滤波光反馈半导体激光器系统以及无光注入双路滤波光反馈半导体激光器系统进行对比和分析,结果表明本文提出的方案对延时特征的抑制效果最好.然后在本文提出的具有外光注入的双路滤波光反馈半导体激光器系统中,延时特征被有效抑制的参数条件下研究系统输出混沌激光的带宽,结果表明,通过适当选择参数的取值,本文提出的方案可以提高系统输出混沌激光的带宽.     

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.     

混沌光注入垂直腔面发射激光器混沌输出的时延和带宽特性

提出并仿真论证了利用一个双光反馈垂直腔面发射激光器(定义为主VCSEL,M-VCSEL)产生的混沌光平行单向注入到另一个VCSEL(定义为副VCSEL,S-VCSEL)使所产生的混沌信号的延时特征(TDS)和带宽特性得以优化的技术方案.首先,基于VCSELs自旋反转模型,结合自相关分析方法,通过对系统参量进行优化,可使双光反馈M-VCSEL的X偏振分量(X-PC)和Y偏振分量(Y-PC)均输出混沌信号,且两路混沌信号的平均强度相当、TDS均较弱;在此基础上,将双光反馈M-VCSEL在优化条件下得到的混沌信号平行单向注入到S-VCSEL中,以获得两路TDS得到抑制、带宽更宽的混沌信号.通过考察两个偏振分量输出混沌信号的TDS以及混沌带宽在注入强度和频率失谐构成的参数空间的演化规律,确定了系统获取两路TDS被抑制、宽带宽的混沌信号所需的注入参数范围.     

平坦宽带混沌激光的产生及同步

利用光纤环长外腔光反馈半导体激光器产生了频谱平坦的宽带混沌激光,其对应的激光频谱可有效地隐藏外腔的谐振频率,增加了系统的保密性.通过单向耦合方式,将产生的混沌激光注入到另一个参数相近的半导体激光器中,实现了平坦宽带混沌同步输出,两同步激光器输出的相关系数达到084.同时实验研究了注入强度和主从激光器的频率失谐对同步质量的影响,结果表明在强光注入锁定下,在很大频率失谐范围内均可实现同步,而且注入强度越大,主从激光器输出的相关系数越大,维持混沌同步所允许的频率失谐范围越大. 关键词： 混沌同步 单向光纤环 光反馈 半导体激光器     

高斯切趾型光纤布拉格光栅外腔半导体激光器的混沌输出特性

基于光反馈半导体激光器(SL)速率方程模型,理论仿真研究了高斯切趾型光纤布拉格光栅(GAFBG)反馈SL(GAFBGF-SL)混沌输出的延时特征(TDS)以及混沌带宽特性.结果表明:随着反馈强度的增加,GAFBGF-SL表现出由准周期进入混沌的动力学演化路径;通过合理选择GAFBG布拉格频率与SL中心频率之间的频率失谐及反馈强度,GAFBGF-SL混沌输出的TDS能得到有效抑制(低于0.02);通过进一步绘制混沌信号TDS及带宽在GAFBG布拉格频率与SL中心频率之间的频率失谐和反馈强度构成的参量空间中的分布图,确定了获取弱TDS、宽带宽光混沌信号的参数范围.     

用半导体环形激光器产生混沌信号

提出了一种由一个分布式反馈激光器为主激光器和一个半导体环形激光器为从激光器组成的主从式激光混沌系统方案,主激光器产生的光单向注入到从激光器中,通过调整注入系数、主从激光器的失谐频率和从激光器的偏置电流,使从激光器工作在混沌状态,输出混沌信号。从基于光注入条件下的环形激光器的速率方程组入手,数值模拟了主从激光器的失谐频率、注入系数和从激光器的偏置电流3个工作参量对从激光器输出动态的影响。研究表明:外光注入条件下,半导体环形激光器可以产生混沌信号。通过分析得出:当失谐频率为3.9 GHz、注入系数为0.07、偏置电流为81 mA时,环形激光器可以产生功率谱平坦、带宽较宽的高质量混沌信号。     

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     

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.     

交叉相位调制提高半导体激光器混沌载波发射机带宽方法

提出半导体激光器混沌交叉相位调制(XPM)光反馈提高混沌载波发射机带宽方法,建立了有外腔光纤传输反馈XPM控制下的激光动力学物理模型.理论导出XPM作用下激光双反馈频率失谐公式,指出XPM产生的非线性相移影响了激光器增益和线宽增强因子,其光纤二阶非线性效应使激光振幅和相位变化更加丰富,而非线性相移的出现进一步增加了新的频率分量并使频谱展宽.数值结果表明,XPM使激光器混沌带宽增加到4倍以上,使激光混沌张弛振荡频率增加到2.85倍,其光纤长度、入纤光功率、面镜反射系数、光纤二阶非线性系数等都能影响激光混沌带宽.     

光注入掺铒光纤激光器的混沌特性

对光注入情况下混沌光纤激光器的输出特性进行实验研究.混沌光纤激光器采用环形腔结构,利用光纤的非线性克尔效应产生混沌激光.主激光器产生的混沌激光通过光隔离器和光纤耦合器注入到混沌掺铒光纤激光器实现外光注入.将主激光器产生的不同功率的混沌信号注入从激光器,研究光注入后从激光器混沌信号时序、频谱、自相关以及稳定性与复杂度等特性.结果 表明,光注入后的混沌信号时序随机且幅度频数呈高斯分布,频谱无明显的周期特性,自相关特性优良.光注入掺铒光纤激光器混沌输出在保证混沌源高复杂度的同时提高了混沌源的稳定性.     

基于双光反馈半导体激光器的单向开环混沌同步通信

利用双光反馈半导体激光器作为混沌发射源, 构建了一个单向开环混沌通信系统, 并对系统的通信性能进行了相关仿真研究. 研究表明: 通过合理选取系统参量, 双光反馈半导体激光器所产生的混沌载波能很好地抑制外腔延时特征; 发射激光器和接收激光器在强注入锁定下能实现很好的混沌同步, 并且同步性能对频率失谐具有很好的容忍性; 采用附加混沌调制加密方式, 500 Mbits/s的信号能够很好地隐藏于混沌载波中, 并可在接收端成功解调. 关键词： 半导体激光器 单向耦合 混沌通信     

采用混沌光注入实现混沌载波时延特征隐藏的研究

在混沌通信系统中,混沌载波的时延特征直接影响着通信系统的安全性,因此隐藏混沌载波的时延特征信息十分重要。本文基于外腔反馈式半导体激光器(ECSL)的单光注入结构,引入激光器参数失配,详细阐述了一种通过主从激光器参数失配来消除混沌信号时延特征的方法。利用自相关函数作为量化工具,对混沌信号的时延隐藏效果进行量化分析,数值研究了主从激光器间的参数失配对混沌信号时延消除的影响,并结合注入强度与频率失谐开展了进一步综合研究。研究结果表明:引入激光器参数失配对时延隐藏的效果影响显著,参数失配率在-0.4~0范围时有助于在从激光器混沌输出中隐藏主激光器外腔引入的反馈时延;而且,当主激光器注入强度在10ns-1~20ns-1范围内,主从激光器频率失谐控制在-20GHz附近时,信号时延隐藏效果最佳。因此,由此单混沌光注入系统产生的混沌信号可显著提高混沌载波的安全性,进而增强其潜在应用的性能。     

光注入提高半导体激光器混沌载波发射机的带宽

外光反馈下的半导体激光器可视为混沌载波发射机.数值研究发现，外部强光注入可以显著提高混沌载波发射机的带宽，带宽提高的程度在一定范围内与注入光的强度成正比.当外部光注入系数k_inj=0.39时，混沌载波的带宽由无光注入时的2.7GHz增大到14.5GHz，提高了5倍多.研究还发现，在相同的注入强度条件下，当注入光的频率比半导体激光器的中心频率高2—4GHz时，可实现最大限度的带宽增强.此外，适当提高半导体激光器的偏置电流也可以在一定程度上提高其产生的混沌载波的带宽. 关键词： 半导体激光器 混沌 带宽     

基于外光注入互耦合垂直腔面发射激光器的混沌随机特性研究

通过在互耦合垂直腔面发射激光器(VCSELs)系统中增加外光注入, 建立了一种基于偏振可调光反馈VCSEL驱动互耦合VCSELs混沌系统模型, 分析了增加外光驱动对互耦合激光器随机特性的影响. 以不可预测度作为随机特性的评价指标, 采用信息论中的排列熵作为相应量化工具, 对系统输出混沌信号的不可预测性进行定量分析.数值研究了光强度、时延、偏振旋转角度以及驱动激光器与耦合激光器间的频率失谐对输出信号随机特性的影响.结果表明: 外光注入能够增大互耦合VCSELs输出混沌信号的排列熵, 即外光注入能够有效提高耦合系统的随机特性; 驱动激光器可调偏振片偏转角度调节到45° 附近, 注入强度适中, 满足耦合强度大于驱动激光器自反馈强度条件, 系统输出信号的排列熵较大; 在耦合时延与驱动激光器反馈时延不相等的同时, 增加驱动激光器与耦合激光器频率失谐, 外光注入互耦合VCSELs的随机特性能够得到进一步提高.     

外光注入半导体环形激光器同时产生两路宽带混沌信号

本文将交叉反馈半导体环形激光器(SRL)产生的两路混沌信号平行单向注入到从激光器对应的模式中,构成了宽带混沌激光生成方案.通过建立速率方程,数值分析了失谐频率和注入强度对系统带宽及安全性影响.利用强度时间序列的频域变化规律揭示了带宽增强的物理原因,并且对增强区域不对称进行了解释.仿真结果表明:两路混沌信号的带宽增强路径相似.在非注入锁定区域,选择较高失谐频率以及适当的注入强度可以实现两路信号的带宽以及不可预测度同时增强.通过分析混沌信号的光谱可知注入混沌光与从激光器激光之间的拍频作用产生的高频振荡是导致带宽增强的物理原因.主激光器发生红移现象导致带宽增强区域呈现不对称,并且负失谐频率下容易实现带宽增强.非对称注入强度使得注入锁定区域缩小,拓宽了高注入强度下带宽增强范围.     

注入半导体激光器混沌相位周期控制方法研究

提出外部光注入半导体激光器混沌相位控制方法，通过周期调制注入光的相位相移将激光器的混沌控制到多种周期状态.数值结果表明：在不同强度光注入下，(1)通过半波长周期相位相移调制控制混沌激光到周期态、双周期态、三周期态、四周期态以及多周期态等；(2)通过四分之一波长周期相位相移调制控制混沌激光到周期态和多周期态，并在高频调制控制时能够产生激光锁模现象，其锁模区域是19—21GHz；(3)波长周期相位相移调制控制也能使混沌激光控制到三周期态和多周期态等. 关键词： 混沌 控制 激光器 周期     

外部光注入混沌激光器产生超宽带微波信号的研究

利用外部光注入混沌激光器产生了完全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.基于外部光注入光反馈半导体激光器的速率方程组,理论研究了外部及内部参量对半导体激光器输出混沌UWB脉冲信号的影响.研究表明,UWB信号的-10 dB带宽随着光注入强度、注入失谐量以及线宽增强因子的增大而增大,随着激光器偏置电流的增大而减小.同时,UWB信号的中心频率在5–8 GHz范围内变化.在实验中,通过设定其他参量和调节光注入强度,得到中心频率及带宽可调谐的混沌UWB微波信号,传输速率达到500 Mbit/s.实验结果与理论分析相符合. 关键词： 半导体激光器 混沌激光 光生微波技术 超宽带信号     

基于光反馈双模DFB激光器的宽带混沌信号产生

提出并数值验证了一种利用光反馈双模分布式反馈(DM-DFB)半导体激光器产生宽带混沌信号的方法.通过双纵模Lang-Kobayashi方程建立了光反馈DM-DFB半导体激光器的理论模型,探明了宽带混沌信号产生的物理机制为模式拍频,数值分析了模式间隔、偏置电流和反馈系数对混沌带宽的影响.仿真设计了双模激光器,在镜面反馈系统中,高偏置电流和强反馈强度条件下可以产生38.6 GHz的混沌信号.这一结构为宽带集成混沌源提供了一种新思路.     

基于频率失谐的光混沌同步开关的特性研究

针对实验报道的光混沌同步开关现象,建立了基于半导体激光器的光混沌同步开关的理论模型.利用该模型,数值模拟了不同外腔反馈强度和注入强度下的光混沌同步开关特性.结果表明：固定外腔反馈强度,不同注入强度下的混沌同步开关的对比度和宽度均不同;当注入强度与外腔反馈强度相同时,开关的对比度达到最大值;进一步地,当外腔反馈强度和注入强度同步增强时,混沌同步开关的对比度和宽度均单调增大. 关键词： 光混沌同步开关 半导体激光器 频率失谐 外腔反馈