1 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部/山西省重点实验室，山西 太原 030024
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室，吉林 长春 130033
3 广东工业大学广东省信息光子技术重点实验室，广东 广州 510006
4 中国工程物理研究院应用电子学研究所，四川 绵阳 621900
提出了一种基于多模光纤模间色散的无时延特征混沌产生方案。在多模光纤长度为4.4 km、芯径为62.5 μm、反馈强度为0.1的条件下，实验获得了无时延特征的混沌信号。进一步理论分析了多模光纤的纤芯直径、相对偏移、长度对混沌光模场的影响，结果显示：随着纤芯直径和相对偏移的增大，模式数量逐渐增多，模场分布变复杂；随着光纤长度的增加，模式分离程度（即模间色散）增大。最终探明了多模光纤相对偏移、反馈强度、长度对时延特征的抑制规律。结果表明，在与实验相同的纤芯直径和反馈强度下，消除时延特征的多模光纤的临界长度为1 km。
光纤光学 半导体激光器 混沌激光 时延特征 多模光纤
1 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部/山西省重点实验室，山西 太原 030024
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室，吉林 长春 130033
3 广东工业大学广东省信息光子技术重点实验室，广东 广州 510006
4 大连理工大学光电工程与仪器学院，辽宁 大连 116024
对主从开环结构下，混沌激光偏振度对混沌同步质量的影响进行实验研究。在背靠背和200 km传输条件下，分析混沌激光偏振度以及同步质量的演变规律，发现随着距离和时间的增加，混沌激光偏振度逐渐减小，导致激光器的有效注入强度降低，进而削弱了注入锁定效应，恶化了主从混沌同步质量。增大注入强度可以提高同步质量对偏振度变化的容忍度，有助于实现稳定的长距离混沌激光同步。
激光器 光偏振度 混沌激光 混沌同步 混沌保密通信 光学学报
2023, 43(21): 2114003
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Advanced Transducers & Intelligent Control Systems, Ministry of Education and Shanxi Province, College of Physics & Optoelectronic Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China
2 Guangdong Provincial Key Laboratory of Photonics Information Technology, School of Information Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China
An optical scrambler using a whispering-gallery-mode (WGM) micro-bottle cavity to scramble a complex optical signal to generate an uncorrelated output is proposed. We experimentally demonstrated this micro-cavity scrambler by using chaotic laser light as the incident signal and studied the influence of the coupling state. Experiments achieved full scrambling with a low cross correlation of 0.028 between the output and the input. Results indicate that the scrambling effect originates from the interference among numerous WGMs in the bottle cavity. It is believed that the micro-bottle cavity with an efficient scrambling function can become a promising candidate for encryption.
scrambler encryption whispering gallery mode micro-bottle cavity secure communication Chinese Optics Letters
2023, 21(6): 060601
1 新型传感器与智能控制教育部重点实验室（太原理工大学），山西 太原 030024
2 太原理工大学物理与光电工程学院，山西 太原 030024
混沌激光在载波通信、密钥分发等信息安全传输领域具有巨大的应用潜力，但放大器自发辐射噪声、光纤色散以及非线性效应会降低混沌信号的保真度，进而限制单跨光纤混沌同步的距离。本文通过研究滤波器线宽、光纤色散补偿偏差以及混沌入纤功率对混沌激光传输保真度的影响，探明了单跨光纤混沌同步的极限距离，并在实验中实现了200 km单跨光纤中保真度为0.9214的混沌信号传输。以此信号为驱动，获得了同步系数为0.9043的共驱混沌同步，为长距离混沌载波通信与密钥分发的实现提供了基础。
光通信 混沌激光 混沌同步 光纤传输 载波通信 密钥分发
1 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室，山西 太原 030024
2 太原理工大学物理与光电工程学院，山西 太原 030024
提出并理论研究了基于三段式分布式布拉格反射（DBR）半导体激光器的噪声共驱混沌同步。互相关与关联维分析表明，噪声光注入强度在0.34~0.83内时，一对参数匹配的DBR激光器可以实现混沌同步。更重要的是，混沌同步对激光器光栅区、相位区参数失配非常敏感，具有更大的硬件参数空间；通过对光栅区电流进行调制，可实现快速的混沌同步开关键控，其同步恢复时间仅约为4 ns。利用DBR激光器混沌同步有望实现高速安全的混沌激光密钥分发。
激光器 混沌激光 混沌同步 半导体激光器 密钥分发 光学学报
2022, 42(23): 2314003
1 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室，山西 太原 030024
2 太原理工大学物理与光电工程学院，山西 太原 030024
提出并数值研究了随机数字相位调制光注入半导体激光器中产生混沌的方案。模拟结果表明：随着调制速率或调制深度的增大，激光器可以从初始的注入锁定状态经历准周期路径进入混沌，其原因是相位变化激励了非阻尼弛豫振荡；随机数字相位调制光注入可产生有效带宽大于10 GHz的混沌激光。鉴于数字信号长距离传输的抗干扰能力，该方案为长距离混沌同步及密钥分发应用提供了新思路。
激光器 混沌 光注入 非线性动力学 光学学报
2022, 42(22): 2214001
1 新型传感器与智能控制教育部重点实验室（太原理工大学），山西 太原 030024
2 太原理工大学物理与光电工程学院，山西 太原 030024
3 广东工业大学信息工程学院，广东 广州 510006
4 广东省光子学信息技术重点实验室，广东 广州 510006
提出并实验验证一种级联啁啾光纤光栅反馈半导体激光器产生宽带、无时延混沌激光的方法。在该方法中，级联啁啾光纤光栅的高色散引入不规则的外腔模式，破坏了外腔模式谐振，进而消除混沌信号的时延特征。此外，不规则的外腔模式与激光器内部模式拍频，引入了新的高频振荡，进而增强混沌信号的带宽。对比研究了单个与级联啁啾光纤光栅反馈系统中色散光反馈强度、激光器与光栅波长失谐对混沌信号带宽及其时延特征的影响。结果表明，在强反馈、负波长失谐的条件下，级联反馈系统具有更好的带宽增强与时延特征抑制效果，获得了3 dB带宽12 GHz且无时延特征的混沌信号。
激光光学 半导体激光器 啁啾光纤光栅 宽带混沌 时延特征 激光与光电子学进展
2022, 59(3): 0314006
1 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室，山西 太原 030024
2 太原理工大学物理与光电工程学院，山西 太原 030024
提出一种基于对称相移键控混沌同步的高速密钥安全分发方案：混沌驱动信号对称地经过两个非平衡马赫-曾德尔干涉仪驱动无外腔反馈的响应激光器，并通过随机键控马赫-曾德尔干涉仪中的相位调制器实现相移键控混沌同步。通信双方对相移键控混沌同步时序进行双阈值量化产生随机密钥，然后交换、对比键控参数并筛选出参数相同(即键控相位相同)时的随机密钥作为一致密钥，实现密钥分发。本方案中，混沌驱动信号经过非平衡马赫-曾德尔干涉仪产生了基于延时自干涉的非线性变换，降低了驱动信号与响应信号之间的相关性(～0.25)，提高了密钥分发的安全性。此外，利用共驱无外腔反馈响应激光器构成开环同步结构，缩短混沌同步恢复时间至～1.8 ns，提高了密钥分发速率。数值仿真结果表明，在误码率为3.8×10-3的条件下，可实现1.28 Gbit/s的高速密钥安全分发。
光通信 半导体激光器 混沌激光 混沌同步 密钥分发 保密通信
1 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室, 山西 太原 030024
2 太原理工大学物理与光电工程学院, 山西 太原 030024
提出并数值验证了一种利用光反馈双模分布式反馈(DM-DFB)半导体激光器产生宽带混沌信号的方法。通过双纵模Lang-Kobayashi方程建立了光反馈DM-DFB半导体激光器的理论模型,探明了宽带混沌信号产生的物理机制为模式拍频,数值分析了模式间隔、偏置电流和反馈系数对混沌带宽的影响。仿真设计了双模激光器,在镜面反馈系统中,高偏置电流和强反馈强度条件下可以产生38.6 GHz的混沌信号。这一结构为宽带集成混沌源提供了一种新思路。
激光器 半导体激光器 双模分布式反馈激光器 宽带混沌 光反馈 光子集成 光学学报
2021, 41(21): 2114001
1 新型传感器与智能控制教育部重点实验室(太原理工大学), 山西 太原 030024
2 太原理工大学物理与光电工程学院, 山西 太原 030024
3 广东工业大学信息工程学院, 广东 广州 510006
4 广东省光子学信息技术重点实验室, 广东 广州 510006
利用半导体激光器的混沌同步有望实现高速物理随机密钥分发,然而激光器的混沌同步恢复时间限制密钥分发的速率。为此数值研究垂直腔面发射激光器(VCSEL)在开环注入锁定同步系统中,影响混沌同步恢复时间的因素。模拟结果表明,可以通过三种途径缩短混沌同步恢复时间,增加激光器的偏置电流、微分增益系数,或减小光子、载流子寿命来缩短弛豫振荡周期;减小线宽增强因子来减小激光混沌的复杂度;增加注入强度、减小频率失谐来实现强注入锁定。研究结果对提高基于混沌激光同步的密钥分发速率具有理论借鉴的意义。
光通信 混沌保密通信 密钥分发 半导体激光器 混沌同步恢复时间 激光与光电子学进展
2020, 57(21): 210607
