储备池计算是一种适合处理时序信号的简单高效的机器学习算法。相比在传统电子计算机上用软件实现的方式, 储备池计算在光器件上的实现方式将更有利于超高速和超低功耗的信息处理。介绍了储备池计算的基本原理, 从输入层、储备池和输出层三个方面介绍了储备池计算硬件实现方案的研究进展, 指出了储备池计算硬件实现方案发展中存在的问题, 并展望了其未来发展趋势。

双向半导体光放大器(SOA)光纤环形混沌激光器输出波形呈帧型结构，相邻帧波形具有相似性且受到外界扰动时其相似性下降。为了获得相似性高且一致性好的混沌波形以准确检测扰动的发生，实验研究了影响该激光器相邻帧相似性的各种因素，包括SOA 性能及其驱动电流、系统结构的对称性、输出耦合比以及光纤环长。以相邻帧互相关峰值的平均值考察其相似性，最大偏差衡量其一致性。结果发现，具有偏振保持特性的光功率放大器(BOA)是最适合的有源器件，且其驱动电流越大，相邻帧相似性越好。只要调整偏振控制器使得输出混沌波形呈连续窄带谱的类正弦信号，则系统结构的对称与否、耦合比和光纤环长都不影响其相邻帧的相似性，但光纤环长却影响系统的灵敏度。考察了系统的工作稳定性，5 min 左右相邻帧相似性的波动在10-3 量级。

从各种扰动随时间变化的共性出发,对光纤扰动分布传感技术进行了分类,并对其系统结构、检测原理、定位方法、技术特点和应用领域进行了分析。对光时域反射(OTDR)型和干涉型两种常见的光纤时变扰动分布传感(TDDS)技术做了较全面的介绍,对新型的混沌有源光纤时变扰动分布传感技术做了较详细的描述,着重说明各种研究方案的扰动定位方法的原理、优缺点及最新的进展。最后指出,提高系统的检测实时性和抗干扰能力并降低系统的误报率是光纤时变扰动分布传感技术实用化研究的主要方向。

提出一种基于半导体光纤环形激光器的混沌光纤围栏系统。在该系统中,激光器输出为具有帧结构的偏振混沌光,环形激光器中的一段光纤用作传感光纤。任意位置的入侵都会改变光纤的双折射分布状态,引起环形激光器初始状态的改变,由于混沌对初值的敏感性,激光器输出波形即刻被改变。通过相邻帧输出波形的互相关检测可实现入侵的检测。利用混沌环形激光器输出波形的帧型特点实现入侵定位的空间时间转换。利用入侵位置与帧间互相关峰值的对应关系实现入侵的定位。该方法实时性好,抗干扰性强,检测结果不受周围环境变化影响。实验结果表明,在3 km左右的监测范围内定位误差约45 m,相对误差5%,且检测结果重复性良好。

提出了一种直线式萨尼亚克(Sagnac)干涉仪入侵检测系统。该系统通过传感光纤末端连接法拉第旋转镜(FRM)构成直线式检测结构，可用作各种区域的光纤围栏。实验证实人行走引起的干涉输出是宽频信号，可利用求入侵信号零点频率的方法进行定位。对入侵引起的干涉信号的频谱分析发现，在特定条件下其与內嵌的入侵信号呈倍频关系。因此，提出由干涉信号的零点频率除以2得到入侵信号零点频率的方法，不必再用相位生成载波(PGC)技术对入侵信号进行解调。数值计算证明了该方法的可行性。把噪声信号驱动的压电陶瓷(PZT)调制器串接进传感光纤进行实验室模拟实验。传感光纤长11 km时平均定位误差为170 m，相对误差为1.5%。这表明利用获取零点频率的方法，该系统能较好地定位入侵。

基于级联半导体光放大器(SOA)的双信道偏振态位移键控(PolSK)光传输系统, 以两种不同码型、码率和时延参数的数据调制光对系统的交叉偏振调制(XPolM)特性进行数值建模和仿真研究。研究结果表明双信道PolSK光传输系统的两偏振复用信道完全独立, 能够同时传输两组具有不同类型、码率和时钟的数据信号, 具有良好的双信道数据的偏振复用与解复用性能与已有实验相符。通过仿真研究观察到在高码率数据调制情况下, 偏振调制信号光会出现码型效应以及信号光相位的时间变化所产生的复杂的频率啁啾现象。

提出一个新颖的采用两个级联半导体光放大器(SOA)作为独立全光偏振调制器实现双信道偏振态位移键控(PolSK)光传输系统方案, 并进行了实验验证。从发射机端输出的PolSK光信号具有四个偏振态, 构成了两个独立的二进制数据信道。各信道数据可以采用不同的码制, 码率以及不同的时钟信号。该系统方案, 提高了通信系统的比特-符号比以及频谱利用率; 又由于PolSK光信号功率恒定, 减小了光纤链路中非线性效应对光信号的影响提高了通信系统长距离数据传输能力; 在接收机端实现了光信号的直接偏振检测, 简化了接收机的设计和成本; 又由于采用了稳偏接收模块使接收系统能够实现稳定信号接收。构成了基于本方案的实验系统, 进行了一系列基础实验和性能测试。分别进行了50 km,80 km以及100 km长距离光纤数据传输实验, 实验结果表明所提出的系统方案是有效的。

提出了基于Wigner分布(WD)的判定混沌信号的改进方法。利用混沌信号的窄带特性和三维时频谱图的峰值波动情况判定混沌信号。该方法经洛伦兹系统验证是可行的。计算了混沌信号与高斯噪声的Wigner分布, 结果表明可以从三维时频谱直接将两者区分开。计算基于半导体光放大器(SOA)的环形激光器输出光实验数据的三维时频谱, 结果与洛伦兹系统的非常相似, 从而可判定该实验装置产生信号确为混沌信号。Wigner分布三维时频谱准确地反映了信号的谱特性, 能够将系统的不稳状态与混沌状态以及噪声区分开。无论是由动力学方程产生的混沌还是实验上产生的混沌信号都可直观、有效地进行判定。

建立了半导体光纤环形激光器的动力学模型, 并进行了数值分析和研究。半导体光放大器采用由张应变引起的自身双折射理论模型, 光纤的双折射效应和偏振控制器对光的偏振调节作用综合用一个线性双折射琼斯矩阵表示。利用Matlab软件对该模型进行仿真, 寻找到特定电流下半导体光纤环形激光器产生偏振混沌时偏振控制器的延迟角与方位角的范围以及半导体光放大器注入电流对环形激光器产生偏振混沌的影响。仿真的环形激光器输出功率与偏振度随半导体光放大器注入电流的变化关系与实验结果相符。结果表明, 半导体光放大器注入电流越大、偏振控制器的延迟角与方位角越接近零, 越容易产生高频偏振混沌。