半导体激光器混沌输出的延时特征和带宽*

张依宁 冯玉玲 王晓茜 赵振明 高超 姚治海

(长春理工大学物理系, 长春 130022)

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.

1 引 言

半导体激光器 (semiconductor laser, SL)是B类激光器, 所以在光注入或光反馈等外部扰动下可以输出混沌激光[1−5], 并且带宽可以达到GHz量级.SL输出的混沌激光可广泛应用在高速真随机数生成与应用[6,7]、光时域反射仪[8]、混沌保密通信[9]和混沌激光雷达[10]等领域.外腔反馈半导体激光器能输出高维度的混沌激光, 被认为是较好的混沌熵源[11−16].但由于外腔反馈等作用, 会导致输出的混沌激光中产生明显的外腔延时特征(time delay signature, TDS), 这就制约了混沌激光的应用, 例如用混沌激光作为物理熵源生成高数随机数的性能将会变差; 另一方面混沌激光的带宽决定了保密通信的传输速率.所以采取适当的措施来抑制SL输出混沌激光的延时特征并提高其带宽是很有意义的.Li和Chan[17]实验和数值研究了具有光纤布拉格光栅反馈腔的单模激光器的延时特征, 数值结果给出了混沌状态对应的参数区间, 实验证实了当光纤布拉格光栅相对于激光器自由振荡频率正失谐时, 可以观察到TDS的最佳抑制效果.孙巍阳等[18]提出了一种展宽半导体激光器混沌载波发射机带宽的方案, 数值研究了主从半导体激光器之间失谐频率、注入强度、主从激光器偏置电流和从激光器的反馈强度对混沌载波发射机带宽的影响.Schires等[19]实验验证了在短反馈和长反馈相结合的情况下, 混合分布反馈半导体激光器可以输出高带宽的混沌光.Xu等[20]用一个具有光纤随机光栅反馈的半导体激光器作为主激光器, 其输出注入到一个从激光器, 则从激光器能输出具有平坦功率谱的混沌光, 其带宽达到 8.5 GHz.Nguimdo等[21]数值研究了半导体激光器TDS与其外部反馈系数之间的关系, 结果证实通过调整相位和反馈强度, 可以很好地抑制延时特征.Zhao等[22]实验和数值研究了具有延迟干涉自相位调制光反馈半导体激光器产生混沌激光的有效带宽和TDS, 在相位调制引起的频谱扩展和延迟干涉的非线性滤波的共同作用下, 可以在宽动态工作范围内产生具有平坦频谱并具有优异TDS抑制特性的宽带混沌.Brunner等[23]通过实验和理论研究了光反馈半导体激光器输出混沌光的时间序列, 并从中提取到了时延特征信号.Uchida等[24]研究表明, 通过光注入方式半导体激光器可以实现混沌信号带宽增强.Wu等[25]的研究结果已证实, 在合适的反馈参数条件下, 双光反馈半导体激光器输出混沌信号的TDS可得到更为有效的抑制.本文提出一个具有外光注入的双路滤波光反馈半导体激光器(semiconductor laser with external optical injection and double filtered optical feedback,SL-EOI-DFOF)系统降低半导体激光器输出混沌激光的延时特征值, 然后在TDS被有效抑制的条件下, 研究了系统输出混沌激光的带宽.

2 理论模型

将具有单路外腔光反馈的分布反馈半导体激光器 (distributed feedback semiconductor lasers,DFB-SL)作为主激光器, 将具有双路滤波外腔光反馈的DFB-SL作为从激光器, 所提方案的系统示意图如图1所示.

图1 SL-EOI-DFOF 系统示意图Fig.1.Schematic diagram of the SL-EOI-DFOF system.

图1中M-DFB-SL代表主激光器, S-DFB-SL代表从激光器, FC (optical fiber coupler)是光纤耦合器, VA (variable attenuator)是可调衰减器,ISO (optical isolator)是光隔离器.光纤反射镜FR (fiber reflector)将光反馈回 M-DFB-SL 中, 在图1 中, M-DFB-SL 产生的激光通过 FC0, VA1,ISO1及 FC1注入到 S-DFB-SL中, S-DFB-SL输出的激光经过FC1和FC2后分成两束, 其中一束经过FC3又分成两束, 分别通过VA2和VA3及滤波器Filter1和滤波器Filter2再反馈回S-DFBSL中; 从FC2输出的另一束光经过ISO2后, 利用光电探测器PD (photodetector)将光信号转化成电信号, 之后将电信号输入到示波器OSC(oscilloscope)中.

图1所示系统的动力学速率方程为[26,27]:

其中 Em(t) 和 Es(t) 分别为主激光器和从激光器的慢变电场复振幅, 脚标m和s分别代表主激光器和从激光器, N (t) 为载流子密度, Pm和 Ps分别为主激光器和从激光器的抽运因子,是主激光器和从激光器中心场频率之间的频率失谐, ωm和 ωs分别为主激光器和从激光器的中心场角频率, τ 是主激光器的外腔延迟时间, kf是主激光器反馈腔的反馈强度, gm和 gs分别为主激光器和从激光器的微分增益系数, αm和 αs分别是主激光器和从激光器的线宽增强因子, kin是主激光器对从激光器的外光注入系数, εm和 εs分别是主激光器和从激光器的饱和增益系数, N0m和 N0s分别是主激光器和从激光器的透明载流子密度, τp是光子寿命, τN是载流子寿命, Jth是阈值电流密度, 且Jth=Nth/τN, Nth=N0+1/gτp, τin是光子在激光腔内的往返时间.脚标1和2分别表示从激光器的反馈腔1和反馈腔2, τ1和 τ2分别是两个反馈腔的延迟时间, kf1和 kf2分别表示从激光器两个反馈腔的反馈强度, ∆ f1和 ∆ f2分别表示两个反馈腔内滤波器中心频率和从激光器中心频率之间的频率失谐, Λ1和 Λ2表示两个滤波器的带宽, F1(t) 和F2(t)分别表示从激光器两个反馈腔中反馈光的电场振幅.

为了描述混沌激光的延时特征, 一般利用自相关函数和互信息函数, 自相关函数(autocorrelation function, ACF)定义为[28]

其中 I (t)=E(t)2表示混沌光强度时间序列, 〈·〉 表示对时间求平均, ∆t 表示移动时间.利用从激光器输出光的自相关函数曲线中的局部最大值来定量描述混沌输出的延时特征值 β , 即TDS.一般认为β<0.2时, 自相关峰值较难辨别, 即认为混沌激光的延时特征得到了较好的隐藏[29].互信息函数(mutual information, MI) 定义为[30]

其中 p [I(t),I(t+∆t)]表示联合概率密度, p[I(t)]和 p [I(t+∆t)]分别表示边缘概率密度.

3 TDS的数值研究和分析

首先对本文提出的SL-EOI-DFOF系统数值研究外腔延迟时间 τ1对TDS的影响, 然后进一步研究外光注入系数 kin和反馈强度 kf1对TDS的影响, 最后在相同的参数条件下将SL-EOI-DFOF系统对TDS的抑制效果和具有外光注入的单路光反馈半导体激光器 (semiconductor laser with external optical injection and single optical feedback, SL-EOI-SOF)系统、具有外光注入的双路光反馈半导体激光器(semiconductor laser with external optical injection and double optical feedback, SL-EOI-DOF)系统、具有外光注入的单路滤波光反馈半导体激光器(semiconductor laser with external optical injection and single filtered optical feedback, SL-EOI-SFOF)系统以及无光注入双路滤波光反馈半导体激光器(semiconductor laser with double filtered optical feedback, SLDFOF)系统进行对比和分析.

3.1 延迟时间τ1对TDS的影响

数 值 研 究 中 的 参数 取 值 如 下[17,27]: α =5.0 ,g = 8.4 × 10–13m3·s–1, N0= 1.4 × 1024m–3, tp=1.927 × 10–12s, tN= 2.04 × 10–9s, e = 2.5 × 10–23m3,Pm= 1.4, Ps= 1.6, kf= 0.1, ∆f1= ∆f2= 20 GHz,kf1= 0.1, kf2= 0.2, t2= 3 ns, kin= 0.1, L1= L2=20 GHz, ∆f = 3.0 GHz.用以上参数值通过 4 阶龙格-库塔法对方程(1)—(6)进行数值求解, 得到τ1分别为2.7, 2.8和2.9 ns时从激光器输出混沌激光的时间序列图、自相关曲线以及互信息曲线, 如图2所示.

在图2(a1)—(a3)中, 光强的幅值随时间的变化呈现无规则的起伏, 说明此时半导体激光器输出的是混沌激光; 由图2(b1)—(b3)可见左边第一个尖峰几乎和纵轴重合, 这是由激光器的弛豫振荡引起的[31], 其余的尖峰即为延时特征峰.通过对比图2(b1)—(b3), 可见延时特征峰的峰值都小于0.2且图2(b2)(对应的 τ1=2.8ns )中峰值最小, 所以当 τ1=2.8ns 时TDS的抑制效果最好, 这是由于此时两个反馈腔的延时差 τ2− τ1=0.2ns 等于半导体激光器的弛豫振荡周期τRO≈ 2π(gE2/τp)−1/2≈0.2 ns[17,25,27,32].通过观察对比图2(c1)—(c3)以及图2(b1)—(b3)发现当自相关曲线的峰值都小于0.2, 即TDS被有效抑制时, 互信息曲线的峰值也都被有效抑制, 并且其峰值都小于自相关曲线的峰值, 这和相关文献的研究结果一致[21,33,34].所以下面的研究中只利用自相关函数来描述系统输出混沌激光的TDS[35].

图2 SL-EOI-D−FOF在不同的延迟时间− τ1 下输出混沌激光的−(a1)−(a3)时间序列、(b1)−(b3)自相关曲线以及(c1)−(c3)互信息曲线 (a1)(c1) τ1=2.7ns ; (a2)(c2) τ1=2.8ns ; (a3)(c3)τ1=2.9nsFig.2.Time series (a1)−(a3), ACF curves (b1)−(b3) and MI curves (c1)−(c3) of chaotic laser from the SL-EOI-DFOF at different delay times τ1 : (a1)−(c1) τ1=2.7ns ; (a2) −(c2) τ1=2.8ns ; (a3)−(c3) τ1=2.9ns.

3.2 外光注入系数kin和反馈强度kf1对TDS的影响

下面取对TDS抑制效果较好的延迟时间τ1=2.8ns, 其他参数取值与图2(b2)相同, 数值求解方程(1)—(6), 得到图3所示的系统输出混沌激光的延时特征值 β 随外光注入系数 kin和反馈强度kf1变化的二维图.

图3 SL-EOI-DFOF 输出混沌激光延时特征值 β 随参数kin和 kf1 变化的二维图Fig.3.Two-dimensional maps of the time-delay characteristic β in the parameter space of kin and kf1 of chaotic laser from the SL-EOI-DFOF.

由图3 可见, 当 kin在区间 (0, 0.5)内时, kf1的变化对 β 值的影响不明显, 这是由于此时注入光对输出混沌激光的延时特征值 β 起主要作用; 随着kin在该区间内的增大, 整体上看 β 值先减小, 之后再增大, 这是由于当 kin在区间 (0, 0.25) 内增大时, 外部注入光对从激光器的扰动使其输出光的无序性增强, β 值减小; 但随着 kin在 (0.25, 0.5) 内的继续增大, 此时主激光器对从激光器相当于是一个外腔, 会使从激光器出现弱周期性, 导致 β 值又增大.当 kin在区间 (0.05, 0.25) 内时, β 值都是较小的,都小于0.2, 即TDS被很好地抑制了.

3.3 结果对比和分析

为了表明本文所提出的SL-EOI-DFOF系统能更好地抑制TDS.这里首先将本文提出的方案和SL-EOI-SOF系统、SL-EOI-DOF系统、SLEOI-SFOF系统及SL-DFOF系统进行对比和分析.对于 SL-EOI-SOF 系统而言, 方程 (5)和方程(6)不存在, 取方程(3)中的F1(t)=Es(t− τ1)×exp(−iωsτ1), kin=0.1 , kf1=0.1 , kf2=0 ; 对 于SL-EOI-DOF系统而言, 方程(5)和方程(6)不存在, 取方程(3)中的 F1(t)=Es(t− τ1)exp(−iωsτ1) ,F2(t)=Es(t− τ2)exp(−iωsτ2), kin=0.1 , kf1=0.1 ,kf2=0.2; 对 于 SL-EOI-SFOF 系 统 而 言 , 取 方程 (3)中的 kin=0.1 , kf1=0.1 , kf2=0 ; 对于 SL-EOI-DFOF系统而言, 取方程(3)中的 kin=0.1 ,kf1=0.1, kf2=0.2 ; 对于 SL-DFOF 系统而言, 取方程 (3) 中的 kin=0 , kf1=0.1 , kf2=0.2.以上这5个系统中的其他参数的取值与图2(b2)相同, 数值求解方程(1)—(6)得到5个系统输出混沌激光的延时特征值 β 随 Pm的变化曲线, 如图4所示.

图4 SL-EOI-SOF, SL-EOI-DOF, SL-EOI-SFOF, SLEOI-DFOF和SL-DFOF输出混沌激光的延时特征值 β 随Pm的变化Fig.4.Variations of the time delay characteristic values β with Pm of chaotic laser from the SL-EOI-SOF, SL-EOIDOF, SL-EOI-SFOF, SL-EOI-DFOF and SL-DFOF, respectively.

由图4可见, 在所选的控制参数区间范围内,SL-DFOF系统输出混沌激光的延时特征值 β 远大于其他4个系统, 其原因是外部光注入可以有效抑制混沌激光的TDS[36]; SL-EOI-DFOF和SL-EOISFOF系统输出混沌激光的延时特征值 β 都小于0.2, 并且小于SL-EOI-SOF和SL-EOI-DOF系统输出混沌激光的 β 值, 这是因为滤波器的滤波特性对TDS具有抑制作用[37].并且可以看出本文提出的 SL-EOI-DFOF 系统在 Pm=1.4 时, β 达到极小值, 则下面的研究中取 Pm=1.4.

下面针对SL-EOI-DFOF和SL-EOI-SFOF两个系统进一步证明本文所提出的SL-EOIDFOF系统可以更好地抑制TDS.滤波器带宽也是影响反馈光TDS的因素之一.这里以滤波器带宽 Λ1作为控制参数进行对比和分析.对于SLEOI-DFOF系统取方程(6)中的 Λ2=20GHz , 其他的参数取值与图4相同; 对于SL-EOI-SFOF系统则取方程(6)中的 Λ2=0GHz , 其他参数取值也与图4相同.数值求解方程(1)—(6), 得到两个系统输出混沌激光的延时特征值 β 随 Λ1的变化, 如图5所示.

由图5可见, 在其他参数相同的情况下, 在所选的控制参数区间内, SL-EOI-DFOF系统输出混沌 光 的 β 值 随 Λ1的 变 化 平 稳 , 都 小 于 0.12, 在Λ1=20GHz 时 β 达到最小值; 并且可以看出在 Λ1的大部分区间内SL-EOI-DFOF系统的 β 值都小于SL-EOI-SFOF系统.其原因是: 与单路滤波光反馈系统相比, 由于滤波器的滤波特性和混沌激光的维度, 采用双路滤波光反馈系统更有利于获得高混沌程度的混沌激光[32].综合图4和图5, 比较而言SL-EOI-DFOF系统对TDS的抑制效果最好,证明了本文提出的SL-EOI-DFOF系统对TDS抑制的有效性.

图5 SL-EOI-DFOF 和 SL-EOI-SFOF 输出混沌激光的延时 特 征 值 β 随 Λ1 的 变 化Fig.5.Variations of the time delay characteristic values β with Λ1 of chaotic laser from the SL-EOI-DFOF and SLEOI-SFOF, respectively.

4 带宽的数值研究和分析

在本文提出的SL-EOI-DFOF系统中TDS被有效抑制的基础上, 研究了其输出混沌激光的带宽随外光注入系数 k in 、反馈强度 k f1 、抽运因子 P m 和滤波器带宽 Λ1的变化规律.

4.1 外光注入系数kin对带宽的影响

这 里取 Pm=1.4 , Λ1=20GHz , kin分 别 选 择0, 0.1, 0.2, 其他参数值与图5 相同.数值求解方程(1)—(6), 得到系统输出混沌激光的时间序列和功率谱如图6所示.由图6(a1)—(a3)可见时间序列呈现无规则的起伏, 说明激光器此时输出的是混沌激光.

对图6(b1)—(b3)中的功率谱进行拟合, 得到平滑后的功率谱曲线 (见功率谱中的白色曲线),可以看出, 随着 kin的增大, 系统输出混沌激光的功率谱变得平坦, 即带宽有明显的展宽, 经过分析得到图6(b1)—(b3)对应的 3 dB带宽分别为4.33,5.21 和 7.64 GHz.即在所选参数条件下, 改变外光注入系数 kin, 则激光器输出混沌激光的带宽随之增大.

图6 SL-EOI-DFOF在不同的外光注入系数 kin 下输出混沌激光的(a1)−(a3)时间序列以及(b1)−(b3)对应的功率谱 (a1),(b1) kin=0 ; (a2), (b2) kin=0.1 ; (a3), (b3) kin=0.2 , 其中 (b1)—(b3) 中的虚线标示了混沌激光 3 dB 带宽的值Fig.6.Time series (a1)−(a3) and the corresponding power spectra (b1)−(b3) of chaotic laser from SL-EOI-DFOF at different external light injection coefficient kin : (a1), (b1) kin=0 ; (a2), (b2) kin=0.1 ; (a3), (b3) kin=0.2 , the dashed lines in (b1)−(b3) indicate the value of the 3 dB bandwidth of the chaotic laser.

为了展示混沌激光的带宽随外光注入系数kin的整体变化趋势, 下面以 kin作为控制参数, 其他参数的取值与图6相同, 数值求解方程(1)—(6), 得到系统输出混沌激光的3 dB带宽随外光注入系数kin的变化如图7所示.

图7 SL-EOI-DFOF 输出混沌激光的带宽随 kin 的变化Fig.7.Bandwidth versus kin of chaotic laser from the SLEOI-DFOF.

由图7可见, 当外光注入系数 kin在所选参数范围内逐渐增大时, 激光器输出混沌激光的带宽整体呈递增的趋势, 这里获得的带宽最大值约为8.5 GHz.这是由于随着 kin的增加, 注入光的光强也随之增加, 主激光器对从激光器的扰动效果随之增大, 导致激光器输出混沌光的混沌程度增强, 从而使带宽增加[38].

4.2 滤波器带宽Λ1对系统输出混沌激光带宽的影响

根据图3, 取对TDS有较好抑制的 kin=0.2 ,其他参数取值与图7相同, 数值求解方程(1)—(6),得到系统输出混沌激光的3 dB带宽随 Λ1的变化如图8所示.

由图8可见, 曲线变化缓慢, 即滤波器的带宽Λ1对系统输出混沌激光的带宽有影响, 但不明显,说明滤波器的滤波特性对带宽的影响不大.

4.3 反馈强度kf1对系统输出混沌激光带宽的影响

下面以反馈强度 kf1作为控制参数, 其他参数取值与图8相同, 数值求解方程(1)—(6), 得到系统输出混沌激光的3 dB带宽随 kf1的变化如图9所示.

图8 SL-EOI-DFOF 输出混沌激光的带宽随 Λ1 的变化Fig.8.Bandwidth versus Λ1 of chaotic laser from the SLEOI-DFOF.

图9 SL-EOI-DFOF 输出混沌激光的带宽随 kf1 的变化Fig.9.Bandwidth versus kf1 of chaotic laser from the SLEOI-DFOF.

从图9可以看出, 当反馈强度 kf1在所选参数范围内逐渐增大时, 激光器输出混沌激光的带宽先增大, 而后缓慢地减小.这是由于随着 kf1在区间(0, 0.05) 内的增大, 系统进入混沌态, 混沌程度增强 , 拓 宽 了 带 宽; 但 是 随 着 反 馈 强 度 kf1在 区 间(0.05, 0.2)内的持续增大, 导致激光器输出混沌光的混沌程度减弱, 带宽减小.

4.4 抽运因子Pm对系统输出混沌激光带宽的影响

下面以抽运因子 Pm作为控制参数, 其他参数取值与图9相同, 数值求解方程(1)—(6), 得到系统输出混沌激光的3 dB带宽随 Pm的变化如图10所示.

由图10 可见, 当抽运因子 Pm在 (1.1, 1.7)范围内逐渐增大时, 激光器输出混沌光的带宽整体呈线性增加趋势, 这里获得的带宽最大值约为8.8 GHz (经计算此时 β 值小于 0.2).这是由于: 随着 Pm在区间 (1.1, 1.7) 内的增大, 主激光器对从激光器的扰动作用随之增强, 使得激光器输出混沌光的混沌程度增强, 从而拓宽了混沌激光的带宽.

图10 SL-EOI-DFOF 输出混沌激光的带宽随 Pm 的变化Fig.10.Bandwidth versus Pm of chaotic laser from the SLEOI-DFOF.

根据以上研究可见, 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.

5 结 论

本文采用SL-EOI-DFOF系统来抑制TDS并研究其带宽.首先对外光注入系数 kin、反馈强度 kf1、抽运因子 Pm和滤波器带宽 Λ1对系统输出混沌激光TDS的影响进行了数值研究和理论分析.结果表明: 在所选的参数区间内, β 值随反馈强度 kf1的变化较缓慢, 并且给出了本文提出的系统输出混沌光的延时特征值 β 随着外光注入系数 kin变化的过程中TDS被有效抑制的 kin取值参数区间, 进而通过对比和分析SL-EOI-SOF系统、SL-EOI-DOF系统、SL-EOI-SFOF系统、SL-EOI-DFOF系统以及SL-DFOF系统输出混沌光的延时特征值 β 随抽运因子 Pm以及滤波器带宽 Λ1的变化曲线, 表明了光注入和滤波光反馈对TDS的有效抑制, 并且通过进一步分析阐明了本文所提出的SL-EOIDFOF系统对TDS的抑制效果是最佳的; 然后在对TDS具有最佳抑制效果的参数条件下, 研究了外光注入系数 k in 、滤波器带宽 Λ 1 、反馈强度 k f1 和抽运因子 Pm对系统输出混沌激光带宽的影响并进行了物理分析, 结果表明: 在所选的参数条件下,随着 kin的增加, 系统输出混沌激光的带宽也随之增大, 这是由于 kin的增加使得注入光的光强也随之增加, 主激光器对从激光器的扰动效果随之增大, 导致激光器输出混沌光的混沌程度增强, 从而使带宽增加; 系统输出混沌激光的带宽随 Λ1的变化较缓慢; 随着 kf1的增大, 系统输出混沌激光的带宽先增大之后逐渐减小; 混沌激光的带宽随 Pm的增加而增大, 这是由于在所选的参数范围内, 随着Pm的增大, 主激光器对从激光器的扰动作用增强,使得激光器输出混沌光的混沌程度增强, 拓宽了带宽; 这里获得混沌激光带宽的最大值约为8.8 GHz.所以对于本文提出的方案, 通过优化参数的取值,可以在较大的参数区间内抑制混沌激光的TDS并使其带宽有所提高, 从而证明了本文所提方案的有效性.本文的研究结果对于混沌激光的应用是有意义的.