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.     

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     

Enhancement of chaotic carrier bandwidth in laser diode transmitter utilizing external light injection

Semiconductor laser with optical feedback emitting chaotic optical signal can be treated as chaotic carrier transmitter. Based on laser rate equations, we numerically study the effect of external injection light on the bandwidth of chaotic carrier transmitter. Our numerical simulation shows that the bandwidth of the chaotic carrier transmitter can be enhanced significantly by external photons injection. Compared with the 2 GHz relaxation oscillation frequency of a solitary laser diode without optical injection, the bandwidth of a chaotic carrier transmitter is expanded to 14.5 GHz with injection parameter at k_inj = 0.39. Simulation results also demonstrate that the enhanced bandwidth depends obviously on the frequency detuning between the external injection laser diode and the chaotic carrier transmitter. The maximum bandwidth of the chaotic transmitter can be obtained when the frequency of the injected light is higher than the central frequency of the carrier transmitter between 2 GHz and 4 GHz.     

大幅度增加弛豫振荡频率来实现毫米级外腔半导体激光器的外腔机制转换

混沌外腔半导体激光器输出明显存在弛豫振荡特征,弛豫振荡频率小于外腔振荡频率时,外腔半导体激光器输出态是短腔机制;反之,外腔半导体激光器输出态是长腔机制.首先对比分析了弛豫振荡频率为5.6 GHz,腔长对频谱有效带宽的影响.然后同时调节注入电流和载流子寿命来大幅度地增加弛豫振荡频率.最后在弛豫振荡频率为40 GHz、腔长为毫米级(4—20 mm)时,实现由短腔机制到长腔机制的转换,进而分析了外腔反馈率和外腔长对外腔半导体激光器频谱带宽的影响.分析结果表明:短腔机制下,输出混沌态不稳定,0.1 mm的偏差就会导致混沌态与非混沌态之间的转化;长腔机制下,输出混沌态稳定,输出混沌区域较大,证明长腔机制下更有益于获得宽带连续的混沌区域.在弛豫振荡频率为40 GHz、外腔长度为毫米级时,实现了外腔半导体激光器的长腔机制,从而增大了高带宽混沌的参数空间.     

激光混沌串联同步以及混沌中继器系统理论研究

提出混沌通信中继器设想，建立半导体激光器激光混沌全光中继器物理模型，理论证明了激光混沌中继器系统的同步.数值实现了发射系统、中继器系统、接收系统的混沌同步，分析了系统反馈系数和同步误差以及同步时间的关系.模拟了中继器系统在激光混沌保密通信中的应用，分别给出了具有正弦信号调制频率0.2GHz和数字信号0.2Gb/s速率的混沌通信以及同步误差分析，表明混沌中继器系统确能改善和提高激光混沌通信的解码质量.分析了中继器系统的带宽和20Gb/s高速率数字信号混沌通信以及同步误差，给出了具有正弦信号调制频率0.1—2 关键词： 混沌 同步 激光器 中继器     

光纤混沌双芯双向保密通信系统研究

把量子阱激光混沌耦合反馈同步系统应用于光纤保密通信中,提出光纤混沌双芯双向保密通信设想.通过耦合外部光注入多量子阱激光混沌全光耦合反馈同步系统和光纤传输信道,建立了光纤混沌双芯双向通信系统物理模型.理论和数值证明了激光混沌同步,理论分析指出光纤中的自相位调制是限制激光混沌在光纤传输中同步的主要原因,并推导出混沌信号双芯双向传输中的非线性相移以及混沌激光功率限制和传输距离公式.数值实现了该系统在长距离二根光纤传输中的同步,详细地分析了系统同步时间随光纤传输长度的关系.模拟了调制频率06 GHz的混沌模拟通 关键词： 混沌 同步 光纤 保密通信     

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.     

All-optical chaotic MQW laser repeater for long-haul chaotic communications

We present an all-optical chaotic multi-quantum-well (MQW) laser repeater system to be used in long-haul chaotic communications. Chaotic synchronization is achieved among transmitter, repeater, and receiver. Chaotic repeater communications with a sinusoidal signal of 0.2-GHz modulation frequency and a digital signal of 0.4-Gb/s bit rate are numerically simulated, respectively. Calculation results illustrate that the signals are well decoded by the chaotic repeaters. Its bandwidth and the characteristics at much high bit rate are also analyzed. Simulation shows that the repeater can improve decoding quality, especially in higher bit rate chaotic communications.     

利用混沌激光多位量化实时产生14 Gb/s的物理随机数

提出了一种基于混沌激光多位量化的高速物理随机数实时产生方法.利用外腔反馈混沌半导体激光器作为物理熵源,通过时钟速率为7 GHz的多位模数转换器对其采样量化,生成6位有效位的二进制随机比特,然后利用现场可编程软件抽取低2位有效位的随机序列并进行自延迟异或处理,获得了实时速率为14 Gb/s的物理随机数.该随机数具有良好的统计随机性,可成功通过随机数行业测试标准(NIST SP 800-22).     

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     

Chaos generation in a semiconductor ring laser with an optical injection

Two chaos generation schemes are demonstrated numerically based on a semiconductor ring laser (SRL) with either a constant or a chaotic optical injection from an external distributed feedback (DFB) laser. Under a certain bias current, the chaotic output can be generated by the SRL with appropriate injection parameters. Parameter map is achieved numerically to show types of oscillation in the SRL. Bifurcation diagrams and Lyapunov exponent spectra roughly describe the routes to chaos for the SRL with disturbance. A bandwidth-enhanced chaos generation can be describes based on the chaotic optical injection scheme. The bandwidth of the bandwidth-enhanced chaos generated is about 12 GHz, which achieves approximately a two-fold increase compared with the constant injection scheme.     

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.     

利用半导体激光器环产生27 GHz的平坦宽带混沌激光

关键词： 激光器 混沌 宽带 环形结构     

掺铒光纤环形激光器混沌带宽特性数值研究

利用掺铒光纤环形激光器非线性克尔效应模型,研究抽运功率和非线性系数对激光器输出混沌信号带宽的影响.研究表明：在非线性系数一定的情况下,混沌带宽随着抽运功率的增加先增大后减小;固定抽运功率为01 W,当非线性系数增加到45 W^-1km^-1时,掺铒光纤激光器输出的混沌带宽达到最大值（153 GHz）,非线性系数继续增加,输出混沌的带宽将逐渐减小. 关键词： 克尔效应 掺铒光纤激光器 混沌 带宽     

Bandwidth-enhanced chaos synchronization in strongly injection-locked semiconductor lasers with optical feedback

Bandwidth-enhanced chaos synchronization in strongly injection-locked semiconductor lasers with optical feedback is numerically studied based on laser rate equations. The bandwidth of the chaotic carrier frequency in a semiconductor laser with optical feedback is expanded roughly three times by strong optical injection compared with the bandwidth when there is no optical injection. Using a bandwidth-enhanced semiconductor laser as a chaotic transmitter and receiver, we synchronized transmitter and the receiver lasers in a complete chaos synchronization scheme.     

基于两正交互耦1550nm垂直腔面发射激光器获取多路随机数

提出将正交互耦1550 nm垂直腔面发射激光器(1550 nm-VCSEL)在优化条件下输出的多路平均功率可比拟、延时特征(TDS)得到有效抑制的混沌信号作为混沌熵源,经8位模数转换器(ADC)量化和最低有效位(m-LSB)后续处理获取多路物理随机数的方案,并研究了系统参量对最终获取的比特序列随机性的影响.首先,基于VCSEL的自旋反转模型分析耦合强度和频率失谐对两个正交互耦合1550 nm-VCSEL输出动力学的影响,初步确定利用该系统产生四路平均功率可比拟、TDS得到抑制的混沌信号所需的耦合强度和频率失谐优化范围;在此基础上,选择一个耦合强度值,利用处于优化范围内的不同频率失谐下获取的四路混沌信号作为熵源,经8位ADC量化和m-LSB后续处理得到最终的比特序列;最后,采用NIST Special Publication800-22统计测试套件对获取的最终比特序列的随机性能进行测试,确定了同时获取四路高质量随机数所需的参数范围.     

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     

Photonic ultrawideband signal generator using an optically injected chaotic semiconductor laser

We propose and demonstrate a method to generate ultrawideband (UWB) signals in the optical domain based on the chaotic dynamics of an optically injected semiconductor laser with optical feedback. The chaotic-UWB pulses with a fractional bandwidth of 116% and central frequency of 6.88?GHz are experimentally generated by controlling the injection strength and frequency detuning of the chaotic laser. The spectrum of the UWB signals is in full compliance with the Federal Communications Commission spectral mask, and the experimental results are qualitatively consistent with the simulated results.     

Time- and wavelength-interleaved optical pulse train generation based on dispersion spreading and sectional compression

A method to generate time- and wavelength-interleaved optical pulse trains based on dispersion spreading and sectional compression is proposed and demonstrated. A 4×2 GHz time- and wavelength-interleaved pulse train is generated from an input 2 GHz mode-locked pulse train. The advantages of the proposed scheme are its simplicity and robustness, since no microwave component or multiwavelength laser source is required. In addition, we demonstrate supercontinuum generation of an ultraflat 18 nm bandwidth spectrum with less than 0.5 dB fluctuation over the 3.2 nm central bandwidth.     

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.