双信道偏振复用保密通信系统的完全混沌同步的操控性研究

针对双信道偏振复用保密通信系统,利用线性电光效应,提出了一种新的完全混沌同步的控制方案.在该方案中,每一个线性偏振模的完全混沌同步质量随外加电场成准周期性变化.其变化规律:完全混沌同步?剧烈振荡;固定一定的外加电场,电光调制促使其完全混沌同步质量对偏置电流和反馈强度的稳健性获得极大的加强.在较大的偏置电流和反馈强度范围内,每一个线性偏振模能够实现完全混沌同步,并且调制到每一个线性偏振模的加密信号基本上能够恢复.     

光脉冲注入下VCSEL的偏振开关特性

基于描述主、副垂直腔表面发射激光器（M-VCSEL,S-VCSEL）动态特性的速率方程,研究了M-VCSEL在脉冲电流调制下,输出光脉冲的偏振特性,以及S-VCSEL在M-VCSEL输出光脉冲的注入下,其偏振开关特性.研究结果表明：M-VCSEL在周期性脉冲电流的作用下,将产生周期性光脉冲输出;S-VCSEL在该光脉冲的注入下,输出光将在两个互相垂直的方向之间发生周期性转化,且变化周期与M-VCSEL所受到的调制脉冲电流周期相同;通过改变M-VCSEL驱动脉冲电流的调制幅度,可控制S-VCSEL输出的垂直偏振抑制比. 关键词： 垂直腔表面发射激光器（VCSEL） 光脉冲 偏振开关     

基于双光注入锁定1550 nm垂直腔表面发射半导体激光器产生可调谐毫米波

基于自旋反转模型, 对双光注入下1550 nm 垂直腔表面发射半导体激光器(1550 nm-VCSEL)的非线性动力学行为进行了理论分析和数值仿真研究. 结果表明: 当一个中心波长位于1550 nm 的副VCSEL(S-VCSEL)同时受到来自两个主VCSELs (M-VCSELs)的光注入时, 在适当的注入条件下, S-VCSEL可处于双光注入锁定态. 此时, S-VCSEL中的两偏振模式均呈现频率为两注入光频率之差的周期性振荡, 输出的光谱仅包含两个主频率部分, 即光谱具有单边带特征. 因此, 基于双光注入下S-VCSEL的周期性振荡可以获得两个相互正交的光毫米波. 通过调节两个M-VCSELs之间的频率差异可使毫米波频率在较大范围内连续可调, 通过调节系统参量可以控制毫米波功率以及调制深度. 关键词： 垂直腔表面发射激光器 双光注入 毫米波 调制深度     

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.     

半导体光纤环形激光器输出状态分析与分类

研究了不同注入电流、不同输出偏振度下,半导体光纤环形激光器输出光的混沌特性.分别采用时域观察法、C-C法、Wigner-ville分布时频分析法、最大Lyapunov指数法联合分析输出光的时域、频域统计特性.从而将激光器输出按偏振度划分为三类:偏振度在0%到20%,随着电流的增大,激光器输出偏振混沌激光,其类型发生阶跃性跳变;偏振度在30～80%,激光器输出仍以偏振混沌激光为主,其类型不随电流增大而发生跳变;偏振度趋于90～100%,激光器输出以强度混沌激光为主,偏振混沌光随着偏振度趋向100%而下降为零.利用虚假邻点法计算嵌入维数和回归图法重构吸引子,得到上述三种输出类型的复杂程度依次是:椭圆吸引子(6维)、方形吸引子(7维)、点形吸引子(5维).由此得出,半导体光纤环形激光器用于偏振混沌通信的最佳区域为:偏振度处于30%至80%,注入电流处于330 mA～550 mA.     

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。     

基于法布里-珀罗半导体激光器实现高重复频率光脉冲的时钟分频

实验研究了重复速率为6.32 GHz的光脉冲注人法布里-珀罗(Fabry-Perot)半导体激光器实现3.16 GHz光脉冲输出的时钟分频现象,讨论了 Fabry-Perot半导体激光器的偏置电流、注入光功率、注入光光谱以及光谱线宽等因素对时钟分频的影响.利用光注入半导体激光器产生的周期二振荡非线性动力学特性.实现了高重复速率光脉冲的时钟分频.研究表明,当注入光的光谱较窄且锁定Fabry-Perot半导体激光器某一纵模时,在较低的偏置电流和一定的注入光功率时,时钟分频才能发生.采用半导体激光器的速率方程.通过数值模拟,研究了半导体激光器的偏置电流和线宽增强因子以及注入光功率对时钟分频的影响,所得结果与实验结果相吻合.     

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%.     

基于光注入下电流调制1550nm垂直腔面发射激光器获取宽带光学频率梳

数值研究了一种获取宽带光学频率梳的方案。在该方案中,首先采用调制频率f_m=f_0/n(f_0为1 550nm垂直腔面发射激光器中两正交偏振分量频率间隔,n为整数)的大调制信号电流调制一个1 550nm垂直腔面发射激光器,使该1 550nm垂直腔面发射激光器中的主振荡模式—Y偏振分量输出光学频率梳,而X偏振分量处于被抑制状态;进一步地,引入线偏振光注入,使激光器中两个偏振分量(光谱主峰比小于15dB)均实现光学频率梳输出;再借助一个偏振片,将这两个偏振分量引导到该偏振片的透振方向实现光谱拼接,从而获取宽带光学频率梳。基于自旋反转模型,数值研究了由该方案产生的光学频率梳特性。仿真结果表明:在给定的参数条件下,一个自由运行1 550nm垂直腔面发射激光器(阈值电流为2.6mA)偏置在11.5mA时,Y偏振分量占主导而X偏振分量被抑制(光谱主峰比大于30dB);在受到调制深度较大的电流调制作用下,该激光器只在Y偏振分量输出光学频率梳;引入线性偏振光注入后,通过调整线性偏振光的偏振方向,可使X、Y偏振分量同时实现光学频率梳输出;最后,利用一偏振片将X、Y偏振分量引导到该偏振片的透振方向实现光谱拼接,最终可获得一个带宽超过80GHz的光学频率梳。     

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。     

基于椭圆偏振光注入垂直腔表面发射激光器的正交偏振模式单周期振荡产生两路光子微波

提出了基于椭圆偏振光注入下垂直腔表面发射激光器(VCSEL)输出的正交偏振模式单周期(P1)振荡来同时获取两路光子微波的实现方案, 并进行了相关仿真研究. 结果表明: 在合适的参数条件下, 一个自由运行的VCSEL(定义为主VCSEL, M-VCSEL)可输出椭圆偏振光, 其X偏振分量和Y 偏振分量具有相同的激射频率; 将M-VCSEL输出的椭圆偏振光注入到另外一个VCSEL(定义为副VCSEL, S-VCSEL), 在给定主副VCSEL间频率失谐的条件下, 通过选择合适的注入强度可使S-VCSEL 中两个偏振分量均呈现单周期(P1)振荡, 从而可获得两正交的光子微波信号; 随着注入强度的增加, 光子微波的频率以及功率均呈现增加的趋势; 结合微波频率、功率以及输出光谱中第一边带和第二边带的幅度差在由注入强度和频率失谐所构成参数空间下的分布图, 可确定获取高品质微波信号的优化注入参数范围.     

光注入和光电反馈联合作用下垂直腔表面 发射激光器的动力学特性研究

基于自旋反转模型, 研究了垂直腔表面发射激光器(VCSEL) 在光注入和光电反馈共同作用下的动力学特性. 研究结果表明: 一个受到主VCSEL光注入的副VCSEL, 在同时存在光电正反馈时, 其输出的两个线偏振模式(X和Y偏振模) 可呈现周期、 倍周期、 多周期、 混沌等丰富的动力学状态, 且两偏振模动力学态的演化路径存在差异. 各动力学状态在由反馈强度f与注入强度η 所构成的参数空间的分布区域随着主、 副VCSEL 的频率失谐Δν(Δν=ν_m-ν_s, ν_m, ν_s 分别为主、 副VCSEL自由运行时的振荡频率) 的变化而发生改变. 当Δν为正失谐时, 呈现混沌的区域相比零失谐和负失谐时有明显的扩展, 即副VCSEL能在更大的参数范围内实现混沌输出. 对于特定的频率失谐, 分析了光电正反馈强度f和光注入强度η对混沌输出带宽的影响. 通过合理选择反馈强度以及注入强度, 可使副VCSEL混沌输出带宽显著增加.     

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.     

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.     

弱光反馈下正交时变光注入VCSEL的双稳特性研究

基于垂直腔面发射激光器(VCSEL)的自旋反转模型(SFM),研究了弱光反馈下正交时变光注入VCSEL的双稳特性。研究结果表明,当副激光器(S-VCSEL)受到主激光器(M-VCSEL)正交时变光注入时,弱光反馈的引入不改变正交时变光注入VCSEL的双稳宽度随光注入扫描速率增大而增大的性质;对于确定的光注入扫描速率,随着反馈强度的增大,双稳宽度将变窄;当M-VCSEL与S-VCSEL之间存在频率失谐Δν(等于νm-νs,νm、νs分别为主、副激光器自由运行时的频率)时,随着Δν从负值逐渐增加到正值,双稳宽度总体呈现先减小后增大的趋势,无反馈时在负频区域双稳环宽度呈现的较大波动在引入光反馈后可得到一定程度的抑制。     

基于偏振旋转光反馈下的外光注入VCSEL产生高性能毫米波

本文提出一种基于偏振旋转光反馈下的外光注入垂直腔 表面发射激光器(VCSEL)产生高性能毫米波的方案, 并利用描述外部扰动下VCSEL动态特性的自旋反转模型(SFM), 对所产生的毫米波的特性进行了数值研究. 研究结果表明: 一个受到主VCSEL(M-VCSEL)光注入的副VCSEL(S-VCSEL)在一定条件下可以产生单周期(P1)振荡, 即在光波上调制了一个微波信号. 通过调节外光注入强度ξ_i以及S-VCSEL与M-VCSEL之间频率失谐Δν, 可以获得频率在30---60 GHz范围内连续可调的毫米波信号. 在外光注入VCSEL中引入偏振旋转光反馈, 通过选取合适的反馈强度ξ_f以及反馈延迟时间τ, 产生的毫米波信号的线宽可以得到明显窄化. 对于光注入S-VCSEL所产生的线宽为5.509 MHz的毫米波, 在引入偏振旋转光反馈后, 毫米波线宽可以降低到230.2 kHz. 本文的研究对高速光载无线(RoF)系统中优质毫米波信号的获取具有一定的参考意义.     

Polarization message encoding through vectorial chaos synchronization in vertical-cavity surface-emitting lasers

We show that self-pulsating vertical-cavity surface-emitting lasers can exhibit vectorial chaos, i.e., chaos in both intensity and polarization. The achievable synchronization degree of two such lasers is high when using a continuous control scheme and unidirectional coupling. We propose a novel encryption scheme, where the phase of the vectorial field is modulated. Therefore, the total intensity of these lasers remains synchronized while the intensities in the polarization modes (de)synchronize following the phase modulation at a ps time scale. This technique allows for transmission of secure data at high bit rates that are not limited by the relaxation oscillation frequency.