双反馈半导体激光器的混沌特性研究

实验利用双反馈半导体激光器获得了关联维数为3.8的高维混沌光.同时对比分析了双反馈与单反馈两种不同模式产生混沌的区别.结果表明：在反馈强度均为-26 dB时,双反馈产生混沌的关联维数高于单反馈产生混沌的关联维数2.6;双反馈可获得带宽为11 GHz的混沌光,为单反馈产生混沌带宽5.5 GHz的两倍.当双反馈的两个外腔长度不相等时,混沌的自相关曲线能很好的隐藏外腔长度信息,可提高混沌通信的保密性. 关键词： 双反馈 半导体激光器 混沌 带宽     

延迟光反馈VCSEL的混沌动力学特性

根据延迟光反馈垂直腔面发射半导体激光器动力学模型,数值模拟了激光器的混沌动力学特性,分析了外腔长度和光反馈强度对激光器混沌动力学特性的影响.结果表明:外腔较短的激光器,经过混沌区后仍会回到锁频状态|外腔较长的激光器,经过混沌区后不是进入锁频状态而是回到周期1.取定激光器外腔长度为3.0 cm,使反馈强度由小增大,得到激光器由倍周期分岔进入混沌的过程,并在混沌区中出现周期12窗口.本文对混沌保密通信的实际应用具有一定的理论参考价值.     

延迟光反馈VCSEL的混沌动力学特性

根据延迟光反馈垂直腔面发射半导体激光器动力学模型,数值模拟了激光器的混沌动力学特性,分析了外腔长度和光反馈强度对激光器混沌动力学特性的影响.结果表明:外腔较短的激光器,经过混沌区后仍会回到锁频状态;外腔较长的激光器,经过混沌区后不是进入锁频状态而是回到周期1.取定激光器外腔长度为3.0 cm,使反馈强度由小增大,得到激...     

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     

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.     

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.     

一种提取光反馈混沌激光器时延信息的谱分析方法

鉴于时延信息严重威胁着混沌通信的保密性,提出了一种利用频谱仪直接确定激光器时延信息的新方法。通过记录和观察信号的频谱,发现其频谱受到了时延信息的调制;进一步对频谱作逆傅里叶变换,即可直接获取光反馈混沌激光器的时延信息。实验中对腔长L=11.02 m的单反馈和腔长近似相等(L1=11.02 m, L2=11.25 m)或腔长成整数比(L1=11.02 m, L2=22.03 m) 的双反馈情形进行了研究。分析结果表明:在两外腔长度近似相等的情况下,2个外腔长度信息不能被隐藏;当反馈外腔长度成整数比时可以从频谱中提取出半导体激光器的反馈延迟时间。     

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     

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     

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.     

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.     

Experimental demonstration of anticipating synchronization in chaotic semiconductor lasers with optical feedback

We report the first experimental observation of anticipating chaotic synchronization in an optical system using two diode lasers as transmitter and receiver. The transmitter laser is rendered chaotic by application of an optical feedback in an external-cavity configuration. It is found that the anticipation time does not depend on the external-cavity round trip time of the transmitter.     

Transition between anticipating and lag synchronization in chaotic external-cavity laser diodes

Chaotic synchronization is investigated by use of two diode lasers as transmitter and receiver. The transmitter laser is rendered chaotic by application of optical feedback in an external-cavity configuration. Changes in the spectrum of the synchronized system are shown to be associated with the transition between anticipating and lag synchronization.     

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.     

激光二极管自混合干涉信号随外腔长度衰减

理论分析了激光二极管自混合干涉信号随外腔长度增大的变化特点及规律。从复合谐振腔干涉函数出发,推导出激光二极管自混合干涉信号随外腔长度增加指数衰减,衰减系数与光频虚部成正比,并给出光频虚部和实部满足的超越方程组。求解该超越方程组得到,当外腔长度超过一个临界值时,光频虚部随外腔长度近似反比衰减,则激光二极管自混合干涉信号随外腔长度增加衰减很缓慢;当外腔长度小于该临界值时,外腔反馈会使光频虚部增大,而且光频虚部随外腔长度变化而振荡,激光二极管自混合干涉信号出现复杂的状态。外腔反馈强度越大,或激光单模线宽越大,这一外腔长度的临界值则越小。分析激光二极管自混合干涉还需要考虑外腔反馈对光频虚部的影响。     

半导体激光自混合干涉仪稳定性的仿真分析

利用半导体激光器的Lang-Kobayashi方程,对半导体激光自混合干涉系统的动力学特性进行了仿真分析。研究结果表明,当光反馈系数较小时,激光器处于稳定状态,外腔长度不影响系统的稳定性;当光反馈系数较大时,激光器将进入不稳定状态,对于不同的外腔长度,激光器的稳定状态将发生变化。为实现大量程的位移或距离测量,光反馈系数必须足够小才能保证在较大外腔长度变化范围内,激光器始终处于稳定状态。     

Control of an external-cavity laser diode operating in the regular pulse package regime with a frequency shift of the optical feedback

I demonstrate numerically that the regular pulse package regime observed in an external-cavity laser diode can be controlled by means of an adequate shift of the optical feedback frequency. This control leads to a stable pulsed behavior.     

Chaos generation by a hybrid integrated chaotic semiconductor laser

We design a hybrid integrated chaotic semiconductor laser with short-cavity optical feedback. It can be assembled in a commercial butterfly shell with just three micro-lenses. One of them is coated by a transflective film to provide the optical feedback for chaos generation while insuring regular laser transmission. We prove the feasibility of the chaos generation in this compact structure and provide critical external parameters for the fabrication by theoretical simulations. Rather than the usual changeless internal parameters used in previous simulation research, we extract the real parameters of the chip by experiment. Moreover, the maps of the largest Lyapunov exponent with varying bias current and feedback intensity K_(ap) demonstrate the dynamic characteristics under different external-cavity conditions. Each laser chip has its own optimal external cavity length(L) and feedback intensity(K_(ap)) to generate chaos because of the different internal parameters. We have acquired two ranges of optimal parameters(L = 4 mm, 0.12 K_(ap) 0.2 and L = 5 mm, 0.07 K_(ap) 0.12) for two different chips.     

External-cavity lasers based on a volume holographic grating at normal incidence for spectroscopy in the visible range

We present two external-cavity diode lasers that utilize a volume holographic grating as the frequency selective feedback element. By using the grating at normal incidence, it is possible to design simple and compact external-cavity diode lasers that have sufficient tunability for molecular spectroscopy. The first design utilizes a long-cavity designed for narrow linewidth and good long-term stability. The laser operates near 635 nm and it has a PZT-controlled tuning range of 28 GHz and a 1-s linewidth of 900 kHz. The second design utilizes a grating attached very close to the laser diode, making the laser compact, robust and easy to operate. The short external-cavity laser operates near 658 nm and it has a linewidth of 30 MHz. Continuous and mode-hop free tuning range of 145 GHz can be obtained by using a simple temperature tuning method.     

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