混沌半导体激光器及其应用研究进展（特邀）

混沌激光具有宽频谱、类噪声、低相干等特性,在通信、雷达、传感等领域有广泛的应用。本文介绍了混沌半导体激光器的3种主要工作机制,分别为光反馈、光注入和光电反馈;重点研究典型混沌半导体激光器的频谱带宽、时延特征,以及复杂度等性能及其研究进展;进一步论述光子集成混沌半导体激光器的发展趋势;最后介绍混沌半导体激光器在保密光通信、随机数生成器、激光雷达、分布式光纤传感、混沌光时域反射计等领域的应用现状。本文可为高带宽、低时延混沌半导体激光器的发展和应用前景提供借鉴。     

混沌激光的产生与应用

激光器的不稳定性是一个普遍现象.而混沌是激光器不稳定性的一个重要特例.混沌激光作为激光器输出的一种特殊形式,具有类噪声宽频谱的特性.近年来,基于混沌激光的一些应用技术相继被提出与完善.本文结合国内外研究现状,简要介绍了利用半导体激光器产生混沌激光,以及混沌激光在保密光通信、激光测距、光纤断点检测、对激光相干长度任意调控等方面的应用与研究进展.     

光子晶体垂直腔面发射激光器特性研究

本文介绍了光子晶体垂直腔面发射激光器的制备工艺、工作原理、基本特性和研究进展,重点评述了光子晶体垂直腔面发射激光器的优良特性及应用前景.我们认为光子晶体垂直腔面发射激光器是一种新型的半导体激光器,它具有大出光孔径、较高的出光功率、稳定的单模、多芯传输等特点,而且具有优良的热特性和高速调谐特性,可在二维光信息处理的GaAs基近红外波段激光器、面阵集成等方面具有很大的应用潜力.     

InP基环形波导激光器的研究与进展

光子集成作为未来全光网络发展的必然趋势,是实现高速光通信的重要解决方案。正如硅基集成电路的发展历程一样,找到一种类似晶体管的基本集成单元,并实现光子集成的大多数功能是目前光子集成技术中最迫切的问题。近年来,由于半导体环形谐振器的功能多样性和可集成性,使其最有可能成为光子集成的基本单元,因而成为集成光子学、光通信和光信息处理领域的研究热点。文章在介绍半导体环形激光器工作原理和基本特性的基础上,总结了InP基环形波导激光器在集成光源及光信息处理方面的应用和最新进展。     

光子晶体面发射激光器阈值增益与输出光功率的研究

光子晶体面发射激光器(PCSELs)可实现大面积单模激射,且具有高功率、高光束质量等优点,在光通信、激光雷达、激光打印、激光显示和激光加工等领域具有广泛的应用前景.因此,分析了具有面内多向分布反馈效应光子晶体激光器的带边激射原理、阈值增益,并结合半导体激光器速率方程推导了PCSELs输出光功率的表达式,同时给出了提高P...     

半导体激光器结构对全光波长转换速率的影响

作为自动交换全光网络中的核心器件,全光波长转换器的实用化研究一直是目前的热点问题.基于半导体激光器实现波长转换的理论模型,利用速率方程讨论了光子寿命对不同半导体激光器实现波长转换特性的影响.通过两组实验,验证了具有不同光子寿命的光纤光栅外腔半导体激光器(FBG-ECL)和分布反馈半导体激光器(DFB-LD),在实现波长转换速率及消光比等方面的差异,实验结果和仿真基本吻合.得出结论:优化半导体激光器结构,减小光子寿命对实现高速全光波长转换有重要参考价值.     

光通信源的相干检测

为了提高光通信系统的可靠性,利用光反馈半导体激光器在自由空间产生了通信源,实验中通过分析半导体激光器输出的相干特性,实现了对光通信源性能的检测。研究发现,无反馈时,激光器的输出为单模振荡,随反馈强度的增加,系统的输出经周期区域进入了混沌状态,通信光源的相干性逐渐变弱。此时系统处于复杂的随机变化状态,系统的抗破译能力强,利于隐藏信息,进行保密通信传输。     

半导体微腔双稳态激光器

适于光子集成的半导体微腔双稳态激光器,在高速光存储、光交换等光信息处理方面具有重要的应用价值。模式竞争产生的双稳态半导     

腔内调制激光器的输出特性及其研究进展

激光器的腔内调制与腔外调制相比有许多独特的优点，因而可望在未来的宽带光通信中得到应用。带有反馈的腔内调制激光器，其输出将出现双稳，多稳特性，因而可用数字光通信的调制源。带长延时的腔内调制激光，春输出将出现不稳定混沌现象，且共与腔外调制有本质的区别。本文对腔内调制激光系统的输出特性作了较全面的概述。     

光纤通信用半导体激光器

半导体激光器是光纤通信用的主要光源,由于光纤通信系统具有不同的应用层次和结构,因而需要不同类型的半导体激光器。文章根据目前光纤通信系统的发展趋势,介绍几种典型的光纤通信用半导体激光器件———法布里-珀罗激光器、分布反馈半导体激光器、电吸收型调制器集成光源、波长可选择光源、垂直腔面发射激光器的特点和发展方向。     

Characteristics of Fast Physical Random Bit Generation Using Chaotic Semiconductor Lasers

We investigate the characteristics of fast random bit generation using chaotic semiconductor lasers. The optical amplitudes of two lasers with chaotic oscillations induced by optical feedback are each sampled at a fixed rate to extract binary bit sequences which are then combined by an exclusive-OR operation to obtain a single random bit sequence. Bit sequences generated at rate of 1 Giga bit per second are verified to pass statistical tests of randomness. We describe the dependence of randomness on laser parameters, in particular the injection current, the external cavity length and the feedback strength. The results provide clear empirical guidelines for tuning the chaotic laser parameters to achieve random bit sequences. This study shows that chaotic laser devices can be fast and reliable sources of physical entropy for computing and communication applications.      

基于互耦合环形激光器获取高质量混沌信号

为了满足混沌保密通信的需求，提出了一种基于两个半导体环形激光器互耦合产生高质量混沌光信号的方案，采用数值仿真的方法进行了理论分析，得到了各种参量情况下的时间序列、功率谱及自相关系数分布图。结果表明, 在一定的参量条件下，激光器能展现出单周期、多周期及混沌等动力态；在较大的频率失谐下，混沌信号的时延特征能够被较好地抑制；通过大范围扫描注入参量，可得到带宽最大为14.0GHz并且具有较低的时延特征的混沌信号，能显著提高混沌保密通信的传输速率及安全性。此研究结果可为环形激光器在混沌保密通信中的应用提供一定的理论参考。     

耦合半导体激光器的多调制延时混沌同步

为了研究多调制延时混沌系统的动力学,用数值计算法研究了非相干光反馈与非相干光注入半导体激光器的多常数延时与多调制延时混沌同步,由于该系统是基于非相干注入的,所以不需要接收激光器与发送激光器频率完全匹配。另外,研究了非相干光反馈半导体激光器输出自相关函数。结果表明,多常数延时和多调制延时两种情况下都能获得高质量的同步,但在多调制延时系统中自相关函数的延时标识可以被隐藏,这一特性大大提高了系统的安全性,非常适用于混沌保密通信系统。     

利用耦合时延增强激光混沌系统安全性能研究

安全性是混沌通信中的重要问题。基于一个外光反馈半导体激光器驱动两个互耦合激光器的混沌通信系统,研究激光混沌系统中反馈时延与耦合时延特征,并应用龙格-库塔法进行动态仿真。重点分析了当调节一些可控参数(耦合时延和驱动强度)时,能够改变两耦合激光器输出自相关函数中反馈时延和耦合时延幅值的差异,以此掩藏反馈时延,从而得出更优载波。仿真结果说明利用耦合时延可以增强激光混沌系统的安全性。最后给出了在优化载波后系统同步质量的讨论。     

互注入激光器研究进展

基于互注入系统的激光器,在研究激光混沌通信,高功率激光输出方面起着重要作用,在激光加工,保密通信以及军事领域有着极其重要的价值。目前国内外的研究机构对基于互注入半导体激光器、固体激光器、光纤激光器等都开展了诸多研究。本文对国内外互注入激光器的研究进展进行了总结,分别介绍了上述三种激光器的最新研究成果,并对其前景进行了展望。     

混沌保密光通信研究进展

针对混沌保密光通信的关键技术和最新的研究进展,首先介绍了基于不同非线性器件的混沌生成方法;然后重点研究了混沌光通信的研究前沿,包括如何提高安全性、如何提升混沌保密光通信的传输容量和距离;最后讨论了混沌保密光通信的局限性和潜力,并对混沌保密光通信的关键技术和研究进展进行了总结。     

Recent advances in long-wavelength semiconductor lasers for opticalfiber communication

A brief history of the semiconductor laser and a short tutorial on its basic operating principles are given. Some key criteria for semiconductor lasers to be used in advanced systems are discussed. Various advanced laser structures (including single-frequency, high-speed and wavelength tunable lasers, laser transmitter optoelectronic integrated circuits, and coherent receiver photonic integrated circuits) are presented together with their performance characteristics     

Optical Chaotic Communication Using Generalized and Complete Synchronization

We propose a secure optical communication system based on the principles of generalized and complete chaotic synchronization. A transmitter and a receiver both composed by two chaotic external-cavity semiconductor lasers are coupled in a master-slave configuration to provide generalized synchronization, while the master lasers in the transmitter and in the receiver are completely synchronized through the synchronization channel via an optical fiber. A message is added to the transmitter slave laser and sent to the receiver through the information channel to be compared with the output of the receiver slave laser. The system is robust to a small mismatch of the laser parameters or of the coupling between the master and slave lasers, unavoidable in a real system, and can even enable a good communication up to a 5 Gb/s transmission rate using the chaos masking encryption method, when the master laseres are coupled bidirectionally.      

A two-port bilateral model for semiconductor lasers

A bilateral two-port model of a semiconductor laser that includes bidirectional electronic and photonic interfaces is developed by combining an equivalent circuit laser model and a transmission-line laser model (TLLM). The new model includes chip and package parasitics, gain nonlinearities, and a detailed optical cavity model based on optical traveling waves. This model can be applied to a variety of device structures to simulate optical spectra, optical and electrical waveforms, intensity spectra, and noise characteristics. Three examples demonstrate the flexibility of the model: (1) transient response simulation of semiconductor lasers, (2) characteristics of lasers used as detectors, and (3) coherence collapse in lasers with optical feedback. In all cases, the results are in good agreement with experimental measurements