高斯切趾型光纤布拉格光栅反馈下半导体激光器的混沌输出特性研究

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半导体激光器(SL)自诞生以来,凭借着体积相对较小、制造成本相对低廉等一系列优势,在光通信、光存储、光互连等众多的领域中都扮演着重要角色。通常情况下,如果未引入外部扰动,SL将保持连续光稳态输出,但由于SL是一种非线性器件,当它受到光反馈、光注入、光电反馈等外部扰动时可表现出一系列丰富的非线性动力学特性。在这些众多的外部扰动中,对SL进行光反馈扰动是其中比较特殊的一种,凭借着其结构简单、相对容易进行操作、并且在合适的反馈参数下能够产生高维光学混沌等特殊的优势而被人们广泛采用。但输出的光在外腔中的往返过程将会导致光反馈SL系统的混沌输出中包含比较明显的延时特征(TDS),而这种具有明显TDS的混沌信号会威胁保密通信系统的通信安全性、导致所获得的物理随机数的统计性能劣化、引起混沌雷达对探测目标的误判。基于上述原因,对光反馈SL系统混沌输出的混沌输出特性进行研究具有非常重要的现实意义。对于光反馈SL系统,SL的外腔通常选用平面镜,平面镜反馈使得信号中的不同频率成分以相同的传输时间反馈回SL中,不具有波长选择性。而对于法布里-珀罗干涉仪或光纤布拉格光栅(FBG)等一些具有滤波特性的反射器件,它们能够提供波长选择性的光反馈而使不同频率光经过不同的群延时被反馈回SL腔内,从而展宽混沌延时特征峰,对混沌延时特征进行抑制。此外,已有的研究证明:高斯切趾型光纤布拉格光栅(GAFBG)提供的群延时高于同等反射带宽下的均匀FBG。如果采用GAFBG构成SL的外腔,可以得到混沌延时特征更低的光混沌输出。基于以上考虑,本文利用GAFBG代替平面镜作为光反馈SL系统的外腔,构成GAFBG反馈SL(GAFBGF-SL)系统,并数值仿真了GAFBGF-SL动力学状态的演化,利用自相关(SF)分析方法对GAFBGF-SL的TDS演化规律进行了研究,同时考虑到混沌带宽亦是评价混沌信号质量的又一关键指标,因此利用相关文献中的有效带宽计算方法对系统的混沌带宽也进行了计算。数值仿真结果表明:随着系统中反馈强度的增加,GAFBGF-SL系统输出将表现出由稳态、准周期态,最后进入混沌态的动力学演化路径;两个反馈参数(GAFBG布拉格频率与SL中心频率之间的频率失谐及反馈强度)都将会显著影响该系统混沌输出的TDS,并且在合适的反馈参数作用下,系统输出的混沌TDS能得到比较好抑制;通过绘制GAFBGF-SL系统输出的TDS和有效带宽在两种反馈参数构成的参量空间下的分布图,为获取弱TDS、宽带宽的高质量光混沌信号提供了最佳的反馈参数取值范围。
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