单环铒光纤激光器的混沌行为

冯玉玲， 常 峰

(长春理工大学 物理系, 长春 130022)

研究简报

单环铒光纤激光器的混沌行为

冯玉玲， 常 峰

(长春理工大学 物理系, 长春 130022)

利用延时反馈法实验研究单环掺铒光纤激光器的混沌行为, 并利用时间序列和功率谱研究该系统的混沌特性.实验结果表明： 通过在激光器系统中加入一个光学延时反馈回路, 改变光延时反馈信号的强度和延迟时间可增加该单环掺铒光纤激光器系统的自由度； 该单环掺铒光纤激光器可通过倍周期分岔途径产生混沌.

单环掺铒光纤激光器； 延时反馈； 混沌产生； 功率谱

由于铒光纤激光器的输出光波长处于光纤通信的低损耗窗口, 因而在通信和传感等领域应用广泛[1-5].王荣等[6-8]数值研究了双环铒光纤激光器中混沌的控制与同步； 张胜海等[9-12]数值研究了双环铒光纤激光器中超混沌的控制和同步以及混沌同步的铒光纤激光器在保密通讯中的应用; 颜森林[13]通过调制泵浦光和外部光注入的方法数值研究了双环铒光纤激光器中混沌的控制; 范文华等[14]通过延时反馈的方法数值研究了单环铒光纤激光器的动力学行为和混沌同步; 刘越等[15]利用声光调制器实验研究了单环铒光纤激光器的动力学行为, 并通过双频损耗调制方法研究了单环铒光纤激光器的频率锁定和混沌; 杨玲珍等[16]数值研究了铒光纤激光器的混沌带宽; 常峰等[17]利用电光调制器实验研究了单环铒光纤激光器的动力学行为.单环铒光纤激光器为B类激光器, 它是二阶自治系统.该类激光器系统可通过增加延时和腔损耗等自由度使其产生混沌.本文通过增加一个光学延时反馈回路的方法实验研究单环铒光纤激光器混沌的产生, 并将实验结果与已有文献报道的数值结果进行比较.

1 实验装置

实验装置如图1所示: 2个耦合器C3和C4(耦合比为50∶50)、延时线D和衰减器OAT2组成光学延时反馈回路; 光探测器PD(带宽10 GHz)和示波器OSC(美国Tektronix公司, TDS7404型)组成测试部分, 利用PD将光信号转换为电信号, 利用示波器观察来自光探测器PD的电信号的时间序列和频谱; 其余器件组成单环铒光纤激光器.该系统的信号光为激光, 其输出功率和波长分别为20.9 mW和1 550.190 nm; C1和C2为2个耦合器, 耦合比为90∶10; OAT1为衰减器; 2个光学隔离器ISO1和ISO2用于保持光的单向传输; 铒光纤放大器(EDFA, 武汉光迅科技股份有限公司, EDFA-PA-26-2-4-FC/PC型)包含一个半导体激光器(产生980 nm波长的泵浦光)、一个耦合器、一段26 m长的铒光纤和位于末端的一个光学隔离器, 该铒光纤放大器输入光信号的波长和功率分别为1 528～1 563 nm和-40～-10 dBm; 窄带光纤滤波器的波长为1 547～1 551 nm.

图1 具有光学延时反馈回路的单环铒光纤激光器实验装置Fig.1 Experiment setup of erbium-doped fiber single-ring laser with optical delay feedback loop

2 实验结果与分析

先调节光学延时反馈信号的延迟时间研究该系统混沌的产生.将衰减器OAT2的衰减保持在5 dB不变的条件下调节延时线D的长度L, 分别取L=1,5,23,25 m, 通过示波器观察对应的时间序列和Fourier频谱, 结果分别如图2(A)和(B),(C)和(D),(E)和(F),(G)和(H)所示.由图2(A)可见, 脉冲信号的幅值有一个极大值; 由图2(B)可见, 存在一些分立的尖峰, 左边第一个尖峰对应基频(f0), 后边的尖峰是其倍频(nf0), 即图2(A)和(B)显示了该单环铒光纤激光器系统处于一周期(1P)状态.由图2(C)可见, 脉冲信号的幅值有2个极大值; 由图2(D)可见, 在低频带含有图2(B)所示的尖峰, 并在尖峰中间出现一些明显的次尖峰, 左边第一个次尖峰对应分频(f0/2), 后边的次尖峰为分频的倍频(nf0/2), 即图2(C)和(D)显示了该单环铒光纤激光器系统处于二周期(2P)状态.由图2(E)可见, 脉冲信号的幅值有4个极大值； 由图2(F)可见, 在低频带含有图2(D)所示的尖峰和次尖峰, 并在2个次尖峰中间出现新的次尖峰, 左边第一个新的次尖峰对应第二次分频(f0/4), 后边新的次尖峰为第二次分频的倍频(nf0/4), 即图2(E)和(F)显示了该单环铒光纤激光器系统处于四周期(4P)状态.由图2(G)可见, 脉冲信号的幅值随机变化, 即非周期变化； 由图2(H)可见, Fourier频谱接近连续谱, 类似宽带噪声, 即图2(G)和(H)显示了该单环铒光纤激光器系统处于混沌状态.因此, 在保持衰减器OAT2的衰减为5 dB时, 随着延时线D长度的增加(反馈信号延迟时间增加), 该单环铒光纤激光器通过倍周期分岔的途径进入混沌状态, 从而实现了混沌的产生.

下面调节光学延时反馈信号的强度研究该系统混沌的产生.在延时线D的长度L=18 m下, 调节衰减器OAT2分别取其衰减为23,20,10 dB, 通过示波器观察对应的时间序列和Fourier频谱, 结果分别如图3(A)和(B),(C)和(D)，(E)和(F)所示.由图3(A)可见, 脉冲信号的幅值有一个极大值; 由图3(B)可见, 存在一些分立的尖峰, 左边第一个尖峰对应基频(f0), 后边的尖峰为其倍频(nf0), 即图3(A)和(B)的状态为一周期状态.由图3(C)可见, 脉冲信号的幅值有2个极大值； 由图3(D)可见, 在低频带含有图3(B)所示的尖峰, 并在尖峰中间出现一些明显的次尖峰, 左边第一个次尖峰对应分频(f0/2), 后边的次尖峰为分频的倍频(nf0/2), 即图3(C)和(D)显示了该单环铒光纤激光器系统处于二周期状态.由图3(E)可见, 脉冲信号的幅值随机变化, 即非周期性变化; 由图3(F)可见, Fourier频谱接近连续谱, 类似宽带噪声, 即图3(E)和(F)的状态为混沌状态.因此, 在保持延时线D的长度L=18 m时, 随着衰减器OAT2衰减的减小(光学延时反馈信号强度逐渐增加), 该单环铒光纤激光器通过倍周期分岔途径进入混沌状态, 从而实现了混沌的产生.与文献[14]数值结果相符.

图2 延时线D取不同长度对应的时间序列及Fourier频谱 Fig.2 Time series and the corresponding FFT spectra with the different lengths L of delay line D

图3 衰减器OAT2衰减取不同值时对应的时间序列和Fourier频谱Fig.3 Time series and the corresponding FFT spectra with the different attenuation of attenuator OAT2

综上, 本文通过在单环铒光纤激光器中增加一个光学延时反馈回路的方法实验研究了单环铒光纤激光器混沌的产生.结果表明: 当衰减器OAT2的衰减为5 dB时, 随着延时线D的长度L从1 m增加到25 m(反馈信号延迟时间增加), 实验观察到该单环铒光纤激光器通过倍周期分岔途径进入混沌状态； 当延时线D的长度L=18 m时, 随着衰减器OAT2从23 dB衰减到10 dB(光学延时反馈信号强度增加), 实验观察到该单环铒光纤激光器以倍周期分岔途径产生混沌, 该实验结果与文献[14]的数值结果相符.

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ChaosGeneratedbyErbium-DopedFiberSingle-RingLasers

FENG Yuling, CHANG Feng
(DepartmentofPhysics,ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun130022,China)

The chaotic behaviors generated by an erbium-doped fiber (EDF) single-ring lasers(EDFSRL) were investigated experimentally via the delay feedback method.The chaotic characteristics of this system were studied by observing the time series and power spectrum.An optical delay feedback loop was added in the system.Thus, by changing the intensity and retardation time of the optical delay feedback signal, the freedom of this EDFSRL system was increased.The experimental results indicate that the erbium-doped fiber single-ring laser system can generate chaos through the period-doubling bifurcation route under the experimental conditions selected by us.

erbium-doped fiber single-ring lasers; delay feedback; chaos generation; power spectrum

2014-08-21.

冯玉玲(1965—), 女, 汉族, 博士, 教授, 从事非线性混沌控制与同步的研究, E-mail: FYL0819@aliyun.com.

吉林省自然科学基金(批准号： 20101510)、吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目(批准号： 2012JYT09)和吉林省科技发展计划项目(批准号： 20090309).

O415.5

A

1671-5489(2014)06-1316-04

10.13413/j.cnki.jdxblxb.2014.06.40

王 健)