基于偏振旋转耦合1550nm垂直腔面发射激光器环形系统产生多路高质量混沌信号

提出了一种基于三个单向偏振旋转耦合1550 nm垂直腔面发射激光器(1550 nm-VCSELs)构成的环形系统获取多路高质量混沌信号的方案.利用自旋反转模型,数值研究了该环形系统中三个VCSELs的偏振分辨非线性动力学特性;利用自相关和互信息方法讨论了注入强度和频率失谐对三个VCSELs中各偏振分量输出时间序列的时延特征(TDS)的影响.研究结果表明:通过选择合适的注入强度和频率失谐,三个VCSELs均可同时输出X-偏振分量(X-PC)和Y-偏振分量(Y-PC)的平均功率可比拟的混沌信号,而且这些混沌信号的TDS通过进一步优化耦合参数可得到较好的抑制.在此基础上,进一步对三个VCSELs输出的六路混沌信号之间的相关性进行了分析,给出了除同一VCSEL输出的X-PC与Y-PC之间存在较强的相关性外其他信号之前关联性较弱的参数范围.     

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.     

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.     

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.     

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.     

用双滤波反馈半导体激光器产生低延时特征的混沌信号

将两个法布里-珀罗干涉仪作为双外腔构成双滤波反馈半导体激光器,获取低延时特征混沌信号,理论研究了反馈时间、反馈强度、滤波器带宽以及滤波器中心频率与激光器中心频率之间的频率失谐对双滤波反馈半导体激光器混沌输出延时特征的影响.研究结果表明:当两个腔的反馈延迟时间之差约等于激光器弛豫振荡周期的一半时,输出混沌信号的延时特征抑制效果相对较好.在此基础上,通过合理选择反馈强度、滤波器带宽、滤波器中心频率与激光器中心频率之间的频率失谐,双滤波反馈半导体激光器输出混沌信号的延时特征被进一步抑制.最后,绘制混沌延时特征在滤波器带宽和频率失谐构成的参量空间的分布图,确定获取低延时特征的混沌信号所需的反馈参量范围.     

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.     

双混沌光注入VCSEL获取宽带宽偏振混沌信号

基于自旋反转模型(SFM),理论研究了双混沌光注入时偏振混沌信号的带宽特性。研究结果表明,与单混沌光注入方式相比,双混沌光注入方式可减弱注入锁定效应,垂直腔面发射激光器(VCSEL)可在注入强度和频率失谐参数空间的更大范围内获得偏振宽带宽混沌信号。对于给定的注入强度,当双混沌光的两个频率失谐绝对值同为较大值时,系统更易产生宽带宽的偏振混沌;对于给定的频率失谐,系统可在两个注入强度参数空间的特定区域内实现宽带宽混沌输出,且正的频率失谐条件更有利于该区域的扩展。     

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.     

开环单向光混沌系统中广义与完全同步转换

在由一个外腔分布反馈(DFB)半导体激光器和一个独立的DFB半导体激光器构成的开环单向耦合混沌同步系统中,通过微调发射激光器的偏置电流可以精确控制两个激光器之间的频率失谐,从而可对不同频率失谐下的系统混沌同步状态进行研究.实验研究结果表明,在较小的频率失谐范围(-0.19~0.95 GHz)之内,混沌时间序列在传输延迟...     

基于混沌激光产生1 Gbit/s的随机数

利用光反馈半导体激光器产生的混沌激光作为随机数发生器的物理熵源,通过8位 ADC将熵源信息转化为二进制码,并经后续差分运算处理改善其随机性,最终获得了1 Gbit/s的随机数.所产生的随机数通过了NIST Special Publication 800-22的全部测试项. 关键词： 混沌激光 随机数发生器 半导体激光器 模数转换     

线宽增强因子对光反馈半导体激光器混沌信号生成随机数性能的影响

基于光反馈半导体激光器产生的宽带混沌信号作为物理熵源生成物理随机数已得到广泛研究.线宽增强因子的存在会导致半导体激光器出现大量不稳定动态特性,因此,本文着重研究半导体激光器的线宽增强因子对生成随机数性能的影响.数值仿真结果表明:随着线宽增强因子的增加,光反馈半导体激光器输出混沌信号的延时峰值逐渐减小、最大李雅普诺夫指数逐渐增大.基于不同线宽增强因子下产生的混沌信号提取随机数,并利用NIST SP 800-22软件对生成随机数的性能进行测试.测试结果表明,选取线宽增强因子较大的半导体激光器产生混沌信号作为物理熵源易于生成性能良好的随机数.     

基于单向注入垂直腔面发射激光器系统的密钥分发

随机源对于信息理论安全的密钥分发至关重要,本文提出了一种基于单向注入垂直腔面发射激光器系统的密钥分发方案.首先基于单向注入的方式产生无时延特征的激光混沌信号,并通过单向注入驱动两个从激光器产生带宽增强的混沌同步信号.然后经过采样、量化以及异或等后处理,生成密钥流.数值仿真结果表明,在单阈值情况下,合法用户之间的误比特率低至1%左右,合法用户与窃听者之间的误比特率都高于10%;在双阈值情况下,误比特率可以低至10^-6.最后,对生成的密钥流进行了NIST随机性测试.该方案有效地增强了密钥分发的安全性.     

Chaotic Time-Delay Signature Suppression and Entropy Growth Enhancement Using Frequency-Band Extractor

By frequency-band extracting, we experimentally and theoretically investigate time-delay signature (TDS) suppression and entropy growth enhancement of a chaotic optical-feedback semiconductor laser under different injection currents and feedback strengths. The TDS and entropy growth are quantified by the peak value of autocorrelation function and the difference of permutation entropy at the feedback delay time. At the optimal extracting bandwidth, the measured TDS is suppressed up to 96% compared to the original chaos, and the entropy growth is higher than the noise-dominated threshold, indicating that the dynamical process is noisy. The effects of extracting bandwidth and radio frequencies on the TDS and entropy growth are also clarified experimentally and theoretically. The experimental results are in good agreements with the theoretical results. The skewness of the laser intensity distribution is effectively improved to 0.001 with the optimal extracting bandwidth. This technique provides a promising tool to extract randomness and prepare desired entropy sources for chaotic secure communication and random number generation.     

Complex-enhanced chaotic signals with time-delay signature suppression based on vertical-cavity surface-emitting lasers subject to chaotic optical injection

A chaotic system is constructed on the basis of vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs), where a slave VCSEL subject to chaotic optical injection (COI) from a master VCSEL with the external feedback. The complex degree (CD) and time-delay signature (TDS) of chaotic signals generated by this chaotic system are investigated numerically via permutation entropy (PE) and self-correlation function (SF) methods, respectively. The results show that, compared with master VCSEL subject to optical feedback, complex-enhanced chaotic signals with TDS suppression can be achieved for S-VCSEL subject to COI. Meanwhile, the influences of several controllable parameters on the evolution maps of CD of chaotic signals are carefully considered. It is shown that the CD of chaotic signals for S-VCSEL is always higher than that for M-VCSEL due to the CIO effect. The TDS of chaotic signals can be significantly suppressed by choosing the reasonable parameters in this system. Furthermore, TDS suppression and high CD chaos can be obtained simultaneously in the specific parameter ranges. The results confirm that this chaotic system may effectively improve the security of a chaos-based communication scheme.     

Random-injection-based two-channel chaos with enhanced bandwidth and suppressed time-delay signature by mutually coupled lasers: Proposal and numerical analysis

Simultaneous bandwidth(BW) enhancement and time-delay signature(TDS) suppression of chaotic lasing over a wide range of parameters by mutually coupled semiconductor lasers(MCSLs) with random optical injection are proposed and numerically investigated. The influences of system parameters on TDS suppression(characterized by autocorrelation function(ACF) and permutation entropy(PE) around characteristic time) and chaos BW are investigated. The results show that, with the increasing bias current, the ranges of parameters(detuning and injection strength) for the larger BW(> 20 GHz) are broadened considerably, while the parameter range for optimized TDS(< 0.1) is not shrunk obviously.Under optimized parameters, the system can simultaneously achieve two chaos outputs with enhanced BW(> 20 GHz)and perfect TDS suppression. In addition, the system can generate two-channel high-speed truly physical random number sequences at 200 Gbits/s for each channel.     

面向全光物理随机数发生器的混沌实时光采样研究

基于混沌激光实现全光物理随机数发生器的物理基础是完成对混沌光信号的高速实时全光采样. 本文利用偏振无关的SOA构建出TOAD全光采样门, 以光反馈半导体激光器产生混沌激光, 对混沌激光的全光采样可行性进行了原理性实验论证, 实现了对光反馈半导体激光器产生的6.4 GHz带宽的混沌激光5 GSa/s的实时、高保真全光采样. 进一步研究显示, 光采样周期与外腔反馈时间成比例与否对混沌信号弱周期性的抑制水平影响显著. 当两者不成比例时, 可有效消除原始混沌信号的弱周期性, 有利于高质量物理随机数的产生.     

基于单光子脉冲时间随机性的光量子随机源

提出了一种基于单光子脉冲时间随机性的光量子随机源。利用衰减成单光子态的光强恒定光源和一个单光子探测器产生单光子随机脉冲,通过连续比较单光子随机脉冲序列中相邻两个脉冲的时间间隔来提取随机位。通过设计高速响应的微通道板单光子探测器和基于现场可编程门阵列(FPGA)的随机位提取电路,获得了超过10Mbit/s的随机位产生速率。通过采用恒比定时和对计数时钟倍频的方法提高时间间隔的测量精度,从而减小随机位序列的相关系数。当光量子随机源的随机位产生速率在10kbit/s以下时,所获得的二进制随机位序列的相关系数小于0.001。运用随机性测试程序ENT和DIEHARD对所获的随机位序列进行测试,测试结果表明序列的随机性非常好且不需要后续处理,完全满足真随机数的标准。