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.     

基于时延光子储备池计算的混沌激光短期预测

提出并证明了一种利用时延光子储备池计算短期预测混沌激光的时间序列.具体来说,建立基于光反馈和光注入半导体激光器的储备池结构,通过选择合适的系统参数,时延光子储备池计算可以有效地预测混沌激光约2 ns的动态轨迹.此外,研究了系统参数对预测结果的影响,包括掩模类型、虚拟节点数、训练数据长度、输入增益、反馈强度、注入强度、岭参数和泄漏率.作为一种具有全光实现潜力的机器学习方法,时延光子储备池具有结构简单、训练成本低、易于硬件实现等优点.     

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.     

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.     

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.     

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     

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.     

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。     

激光器自发辐射噪声对混沌光通信系统的影响

构建了基于外光反馈的混沌光通信系统模型, 通过引入Langevin噪声源, 建立了包含自发辐射噪声特性的主从式速率方程. 利用所得数学模型, 研究了系统中可能存在的两类同步:全混沌同步和普通注入锁模型混沌同步; 分析了两端激光器自发辐射噪声对此二类同步以及系统收发两端混沌信号的影响; 最后,以2.5Gb/s伪随机数字调制下的混沌掩蔽方式为例,介绍了系统的加/解密过程以及噪声对系统解码性能的影响. 关键词： 混沌光通信 外光反馈 光注入 混沌同步 自发辐射噪声     

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.     

半导体光放大光纤环形激光器的偏振混沌与相干性

研究了基于半导体光放大器(SOA)的光纤环形激光器的偏振混沌光的特性及其相干性。实验采集激光器的输出功率和偏振度,得到了基于半导体光放大器的光纤环形激光器的输出从自发辐射到受激辐射、再到偏振态混沌激光辐射的演化过程。利用马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪验证了混沌激光的相干性,并发现混沌干涉只有零级。测量不同光程差时干涉仪的输出功率,计算相应的干涉条纹可见度,进一步算得混沌激光的相干时间约为40 ps。这一结果与根据光谱计算的该混沌激光的相干时间43 ps基本一致。实验还测得该混沌激光的相干性与半导体光放大器的电流无关。并指出了混沌激光相干应用于低相干光源探测领域的灵敏度和分辨力优势。     

光注入半导体激光器分岔与周期研究

研究外部光注入半导体激光器的非线性物理特性,用小信号分析方法分析了激光器的动力学行为.分析了外部光注入对半导体激光器的激光非线性频率啁啾影响,给出了最大静态锁模公式,理论上指出.有外部光注入半导体激光器激光频率唰啾小再是传统意义上独立的半导体激光器线性啁啾,它和外部注入光以及激光器所处的物理状态有着非常强烈的非线性关系,并随着注入指数的增加而增强,同时,频差以及激光器光线宽增强因子也将起到一定的非线性影响作用.还给出了频差、最大锁模区域、激光分岔条件以及分岔的周期公式.详细地数值模拟了激光随外部光注人频差和注入参数变化所产生的由分岔进入混沌的动力学行为,并数值分析了周期、三周期、多周期、混沌、充分发展混沌过程以及它们的旋转涡旋吸引子、频率、频谱、波形变化,分别算出了最大李雅普诺夫(Lyapunov)指数、静态最大锁模区域和分岔周期,数值给出激光随频率差变化分岔图,逐步认清了该激光系统不稳定动力学行为以及频谱特点.     

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.     

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     

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     

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.     

双路混沌光注入的相位调制光反馈半导体激光器的混沌特性

混沌光的延时特征（TDS）和带宽（BW）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（SL）作为主激光器,将具有相位调制光反馈的SL作为从激光器,并将主激光器输出的混沌光单向双路注入到从激光器中,构成具有外光单向双路注入的相位调制光反馈的SL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混沌光TDS的影响,进而在TDS被有效抑制的参数条件下,对系统输出混沌光的带宽进行了研究。结果表明,用该方案和通过对参数值区间的适当选取可以有效地抑制混沌激光的TDS,并且混沌激光的3 dB带宽最大约为20 GHz。     

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.     

外部光注入空间耦合半导体激光器高维混沌系统的增频与控制研究

提出外部光注入空间耦合半导体激光器系统,研究 外部光注入两激光器混沌振荡频率增强以及混沌控制等特点, 给出稳定频率失谐公式.研究表明,当单激光器注入时,注入激光器 呈现出三个混沌扩频区域;发现在强激光注入条件下,随着注入程度的 增加,注入激光器混沌振荡频率增强非常有效且可达到 3.5倍以上(尽管另一个激光器频率会缓慢下降); 随着注入光正频率失谐的增加,两激光器混沌振荡都能进一步增 强;发现混沌控制窗口,即在弱注入条件下两激光器可以被控制到单周 期、双周期、四周期、六周期等.当双激光器注入时,随着注入程度 的增加,两激光器混沌振荡频率 进一步增加, 且可达到3.5倍和2.65倍以上; 随着注入光正频率失谐增加, 两激光器混沌振荡频率增加.双激光器注 入控制混沌的一个窗口也被发现:即在强注入条件下两激光器可以被 控制到单周期、三周期、六周期等.最后详细给出了单激光注入系 统从单周期模式锁定到类周期再进入混沌增频的发展路径以及双 激光注入系统从混沌到类周期再进入单周期模式锁定的演化控制路径等.     

基于VCSEL的光储备池计算实验研究（特邀）

结合时延储备池计算和垂直腔面发射激光器,基于现有的光纤光学平台,对以1 550 nm波段垂直腔面发射激光器为非线性节点的时延光储备池计算系统进行了实验研究。结果表明,在该实验系统中可以分别成功地实现单个Santa-Fe混沌时间序列预测任务以及单个非线性信道均衡任务。基于垂直腔面发射激光器在特定参数条件下能实现双模共存,进一步在该系统中垂直腔面发射激光器的两个偏振模式中同时注入外部信号,成功地完成了Santa-Fe混沌时间序列预测和非线性信道均衡任务的并行处理,但是整体性能要弱于单任务处理性能;除此之外,并行任务的性能随着外光注入强度的增加而得到改善,其中注入强度比率大的一方性能更好。