基于光反馈的单向耦合注入垂直腔表面发射激光器的矢量混沌同步特性研究

基于自旋反向模型(SFM)，数值研究了基于光反馈的单向耦合注入垂直腔表面发射激光器的矢量混沌同步特性，研究结果表明：当外部光反馈时间等于光从发射系统到接收系统传输时间时， x偏振模和y偏振模都能接收最好的完全混沌同步质量.若外部光反馈时间不等于传输时间且注入电流接近阈值电流时，占主导的y偏振模能暂时实现较好的完全混沌同步质量.相比较而言，占主导地位的x偏振模至始至终获得很差的同步质量，另外，当系统输出为混合偏振模时，混合偏振模中的每一个线性偏振模获得很差完全同步质量.然而，当注入电流远大于阈值电流时，系统输出仅为y偏振模，这时y偏振模能稳定地实现最好的完全混沌同步质量.最后，当接收激光器受到线性偏振模的强注入时，每一个注入线性偏振模能与接收激光器输出的对应的线性偏振模实现很好的注入锁定同步.然而，每一个占主导的线性偏振模比另一被抑制的线性偏振模获得更差注入锁定同步质量、如果有相等的能量的两个线性偏振模同时存在，这两个线性偏振模获得差不多一致的注入锁定混同步质量， 换句话说，能量较少的线性偏振能获得较高的注入锁定同步质量. 关键词： 线性偏振态 垂直腔表面发射激光器 完全矢量混沌同步 强注入锁定矢量混沌同步     

具备检错和纠错性能的可重构可存储的混沌逻辑运算

基于混沌同步理论与电光调制理论,提出一种新颖的可重构可存储的混沌逻辑运算实现方案。通过探索驱动垂直腔表面发射激光器和响应垂直腔表面发射激光器输出偏振光的同步质量随外加电场与归一化注入电流的演变规律,将外加电场与归一化注入电流分别调制为控制逻辑信号和逻辑输入。通过转换逻辑控制信号与逻辑输入的运算关系,系统就能重构处理混沌逻辑运算。采用阈值机制获得四个相同的逻辑输出,实现了混沌逻辑运算的延时存储,且系统噪声强度在低于1.84×109情况下逻辑输出具备良好的检错和纠错性能。     

电光调制对外部光反馈垂直腔表面发射激光器输出矢量混沌偏振的操控

基于周期性极化铌酸锂晶体的线性电光效应耦合波理论,数值研究了电光调制对外部光反馈垂直腔表面发射激光器(VCSEL)输出矢量混沌偏振模的操控.研究结果表明,VCSEL输出的偏振度随着电光晶体的长度或施加于电光晶体的外电场强度成周期性转换,控制一定的施加外电场强度和晶体的长度,激光器的不同参数下引起初始混沌偏振态都可以转换为其他任意混沌偏振态.特别是合理选择一定的施加外电场强度或晶体长度,VCSEL输出的任意混沌偏振模可以转换为完全一致的两线性混沌偏振模(x和ŷ偏振),即两线性混沌偏振模的能量能够达到稳定和完全均衡.     

电光调制对外部光注入垂直腔表面发射激光器的偏振转换及其非线性动力学行为的操控性研究

针对主和副垂直腔表面发射激光器构成的外部注入激光器系统的偏振转换及其非线性动力学行为, 利用周期性极化铌酸锂晶体中准相位匹配线性电光调制, 本文提出了一种新的操控方案并且探索了其控制规律. 研究结果发现, 受到平行光注入或正交光注入的副激光器输出偏振度随外加电场成周期性振荡变化, 其振荡波峰轨迹包络曲线为正弦曲线, 而振荡波谷轨迹包络曲线为余弦曲线; 选取一定的主激光器偏置电流, 通过对来自主激光器的光进行电光调制, 受到两种方式注入的副激光器可以输出任意偏振模, 并且其非线性动力行为经历不同的演变. 另外, 副激光器的偏振度仅依赖于外加电场, 与副激光器的偏置电流无关.     

光电负反馈下单向耦合注入垂直腔表面发射激光器的混沌同步特性研究

基于自旋反转模型（SFM）,对光电负反馈下单向耦合注入垂直腔表面发射激光器（VCSEL）的混沌同步特性进行了数值仿真和理论分析.研究结果表明：随着反馈强度的增加,激光器输出功率呈现两个不同的混沌区域.在单一偏振模区域,能实现很好的同步性,但接近两模共存时,同步质量急剧下降;在两模共存区域,偏振模的连续性差,同步质量不理想.两模共存时的同步质量比单一偏振模差的这一特性,与已报道的基于光反馈的情景相反.产生这一特殊现象的原因是光电负反馈诱发了偏振模竞争效应.此外,还发现内部参数的变化对两个混沌区域的选取有较大 关键词： 线性偏振模 光电负反馈 垂直腔表面发射激光器（VCSEL） 混沌同步     

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     

反馈强度调制增强混沌光通信的保密性

注入锁定式光混沌同步通信系统对收发机的参数失配有较大的容忍度,这在一定程度上降低了信息的安全性.提出采用反馈强度的调制来提高系统的保密性.数值模拟分析了调制前后系统提取信号质量的变化,以及收发机调制的速率失谐、延时对提取信号质量的影响.研究发现：仅在发射机增加反馈强度调制后,同步性恶化、误码率增大两个数量级,无法提取信号;而在接收机引入相同的调制后,系统同步性及误码率得到恢复.此外,收发机的反馈强度调制速率失谐和延时范围分别在±5 MHz和±0.1倍调制周期时,信息提取质量较高.反馈强度调制能够有效地增强传统混沌通信系统的保密性. 关键词： 反馈强度 调制 混沌通信 保密     

链式互耦合半导体激光器的实时混沌同步

通过在互耦合外腔半导体激光器之间增加中继激光器,建立了一种链式互耦合半导体激光器混沌同步系统模型.理论分析了系统的实时混沌同步条件,数值研究了注入电流、互耦合条件、反馈条件等对系统实时混沌同步品质的影响,揭示了同步质量在反馈强度和互耦合强度二维参数空间的分布规律.结果表明:注入电流较大时,满足互耦合强度和反馈强度相同,互耦合延时和反馈延时相等,系统中所有激光器之间可同时实现稳定高品质实时混沌同步;中心激光器和边激光器之间的稳定实时混沌同步分布在在互耦合强度和反馈强度较小的区域以及互耦合强度和反馈强度相近的区域;边激光器之间由于同时接收到中心激光器实施的相同注入,能够较容易的实现稳定高品质的实时混沌同步.该系统可进一步扩展成为实现远距离的双向实时混沌同步或阵列激光器系统的实时混沌同步.     

电光与磁光效应的互补特性及其传感应用

研究了兼有电光效应和磁光效应的晶体内电光与磁光效应的互补特性及其传感应用. 在光强度调制条件下, 晶体中偏振光波的电光调制与磁光调制具有互相补偿的效果, 从而能够使输出光强度保持为一个固定值. 基于这种互补特性, 提出了一种利用单块闪烁锗酸铋(Bi₄Ge₃O₁₂, BGO)晶体的电光补偿型光学电流(磁场)传感器, 其光学传感单元由两个偏振器和一块平行四边形BGO晶体组成. 该晶体自身能够产生π/2的光学相位偏置, 同时兼用作电流传感和电光补偿元件, 通过控制BGO晶体的外加电压, 能够实时补偿被测电流(磁场)变化引起的磁光旋转角和输出光强度的变化, 从而实现电流(磁场)的闭环光学测量. 实验测量了5.0 A范围内的工频交流电流, 所需要的电光补偿电压约为21.2 V/A, 补偿电压与被测电流之间具有良好的线性关系, 其非线性误差低于1.7%.     

基于双光反馈垂直腔面发射激光器的双信道混沌同步通信

利用双光反馈垂直腔面发射半导体激光器(VCSELs) 两个正交偏振模式输出的两个混沌信号作为混沌载波, 构建了一个双信道的混沌保密通信系统, 并对该系统的通信性能进行了数值仿真研究.研究结果表明: 通过合理的选取反馈参量, 双光反馈VCSELs两个偏振模式输出的混沌信号能很好地隐藏外腔反馈延时特性; 双光反馈VCSEL两个偏振模式输出的混沌信号通过偏振保持注入到接收VCSEL中, 在强注入锁定条件下可以实现很好的混沌同步, 同步性能对频率失谐的容忍性随着注入强度的增加而加强; 在附加混沌调制加密方式下, 500 Mbit/s的信号在传输过程中能够得到很好的隐藏, 同时在接收端可以成功解调; 随着通信速率的增加, Q因子呈现下降的趋势, 但对于 6 Gbit/s的信息, Q因子仍大于6. 关键词： 垂直腔面发射激光器 双光反馈 双信道 混沌通信     

Complete chaotic synchronization mechanism of polarization mode of VCSEL with anisotropic optical feedback

We numerically investigate the complete chaotic synchronization mechanism of polarization mode of VCSEL with anisotropic optical feedback. Firstly, the synchronization quality of the x-linear polarization (LP) mode and the y-LP mode are both periodically changed with the angle θ between the polarizer and the light axes. Secondly, in a enough large scale region of the feedback coefficient and the injection current, where each LP mode can obtained good synchronization quality when the angle θ exists in the former half period region and the injection current is fixed at a certain value, which is over the threshold current. Under this condition, their synchronization quality is independent of the polarization states. By contrast, in the latter half period region of the angle θ where each LP mode can be obtained very instable and inferior synchronized quality. At last, the robustness of the synchronization scheme is sensitive to the internal and external parameter mismatch between the transmitter-VCSEL and the receiver-VCSEL.     

基于1550 nm垂直腔面发射激光器的长距离双向双信道光纤混沌保密通信研究

基于同一混沌信号光注入下两个1550 nm垂直腔面发射激光器 (VCSELs) 中两对应线性偏振模式之间的混沌同步, 提出了一种可实现信息的长距离双向双信道光纤混沌保密通信的系统模型, 并对该系统的同步、双向双信道通信以及光纤信道对信息传输的影响等性能进行了相关仿真研究. 结果表明: 在由驱动混沌激光器所产生的同一混沌光注入下, 两响应激光器中对应的两线偏振模式之间均可实现高质量的等时混沌同步, 且驱动激光器与两响应激光器间的同步系数较低; 基于两响应激光器之间对应线偏振模式的高质量混沌同步, 可实现双向双信道混沌通信; 采用单模保偏光纤 (或色散位移保偏光纤) 作为通信信道, 2.5 Gbit/s信息在传输60 km (或200 km) 后解调信息的Q因子能保持在6以上. 关键词： 垂直腔面发射激光器 (VCSELs) 双向双信道 混沌通信 光纤     

Stability criterion for synchronization of chaotic systems using linear feedback control

This Letter introduces linear balanced feedback control scheme to design controller for the synchronization of two identical chaotic systems based on Lyapunov stability theory and constrained extreme approach. The technique is applied to synchronizing two identical four-scroll chaotic systems and guiding balanced feedback gains design. In accordance with the result of the analysis, an adaptive control scheme is proposed for chaos synchronization when the parametric variations of the response system are uncertain. The feasibility and effectiveness of the proposed synchronization scheme are verified via numerical simulations.     

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     

Theoretical investigations of cascaded chaotic synchronization and communication based on optoelectronic negative feedback semiconductor lasers

In this paper, a novel chaotic relay system, based on cascaded synchronization in optoelectronic negative feedback chaotic semiconductor lasers, is presented. Synchronization characteristics and the influence of parameter mismatches on synchronization performances are investigated. The results show that the complete synchronization can be achieved under suitable system parameters; internal parameter mismatches of the lasers have influence on synchronization quality, but the system possesses more robustness to parameter mismatches compared with cascaded synchronization based on coherent optical feedback. Moreover, communication related issues are also investigated. Under the additive chaos modulation (ACM) encryption scheme, encoded messages can be successfully extracted at both mediator laser (ML) and receiver laser (RL) parts; parameter mismatches of the lasers will affect messages decoding, but the influence is not strong.     

基于半导体环形激光器的高速双向双信道混沌保密通信

提出了一种利用半导体环形激光器(SRLs)的新型高速双向、双信道混沌保密通信系统. 在该系统中, 首先利用交叉双光反馈对驱动激光器的顺时针模式和逆时针模式的混沌延时特征进行抑制. 然后将此混沌信号注入到一对响应激光器对应的顺时针模和逆时针模中, 以实现带宽的增强及混沌同步. 最后基于响应激光器之间的混沌同步, 实现高速率、双向、双信道的混沌保密通信. 通过对驱动激光器在交叉双光反馈作用下的混沌特性、以及响应激光器在不同条件下的同步特性进行了相关理论和仿真研究, 结果表明: 驱动激光器在合适的交叉双光反馈作用下可以产生延时特性被良好隐藏的顺时针模式和逆时针模式混沌信号; 在该混沌信号的注入下, 响应激光器输出的混沌信号带宽可以得到明显增强; 通过设置合适注入强度值和频率失谐值, 响应激光器之间可实现高质量的等时混沌同步. 最后, 对系统的双向、双信道混沌保密通信特性进行了讨论. 当10 Gbit/s信号传输距离为10 km时, 解调信息Q因子值仍可保持在6以上.