1.3 宽带混沌激光的产生

1.3.1 研究概况

目前典型的混沌激光的频谱带宽只有数吉赫兹（GHz）左右，能量主要集中在弛豫振荡频率附近，因此混沌激光存在频谱不平坦、带宽窄等问题。混沌激光的带宽对其在各个领域的应用有着重要的影响。其中，窄带宽会限制随机数的生成速率 ^[36-37] 和混沌激光雷达的分辨率 ^[38] ，频谱不平坦会限制电路采集和处理中的低频成分能量。在混沌保密光通信方面，传统混沌激光中使用的通信系统调制格式主要是开关键控和差分相移键控，因此高速二进制信号加密需要宽带混沌信号 ^[39] ，混沌激光的带宽限制着通信系统的传输速率和距离。为了解决混沌激光存在的频谱不平坦、带宽窄等问题，并将混沌激光推向实际应用，研究者们提出了多种方法以实现混沌激光的带宽增强和频谱整形，包括光注入法 ^[24，40-42] 、混沌激光注入法 ^[36，43-45] 、环形腔延迟自干涉法 ^[37] 、光纤振荡环法 ^[46-47] 、光学外差法 ^[48] 等。

2003年，日本埼玉大学内田（Uchida）教授等将外部光反馈产生的混沌激光注入另一个半导体激光器，弛豫振荡频率仅为6.4 GHz的半导体激光器产生混沌激光的带宽可达22 GHz，实验示意图和功率谱如图1-5所示。受限于仪器带宽，内田教授等进一步仿真研究，发现高频宽带混沌信号的产生主要受到两个因素影响：一是主从激光器之间的拍频效应引起高频振荡；二是混沌激光注入提高了高频范围内的混沌频谱能量，并使频谱更加平坦。研究发现，选择合适的注入强度和光学失谐频率参数，可以进一步改变混沌频谱的范围 ^[36] 。

2012年，西南交通大学潘炜教授等提出了半导体激光器级联方案，该级联系统由外腔反馈主激光器、一个独立的中间激光器和一个独立的从激光器共同组成，如图1-6所示。前两个激光器用于时间延迟特征的抑制，后两个激光器用于带宽增强。受限于仪器带宽，通过调节频率失谐和注入强度，实验产生的混沌带宽为14.49 GHz。进一步，经过朗-小林（Lang-Kobayashi，L-K）方程仿真研究，混沌信号的80%带宽达到35.34 GHz ^[24] 。

太原理工大学张明江教授和王安帮教授等针对混沌激光的带宽增强作了诸多研究：2008年，提出将连续光注入外腔光反馈的半导体激光器，如图1-7（a）所示。通过控制频率失谐量和光注入强度，混沌信号的带宽从6.2 GHz增强至16.8 GHz；研究表明，带宽增强是由于不稳定和稳定锁定注入时高频周期性振荡和弛豫振荡增强导致的，而且正失谐注入导致的高频周期振荡更适合获得带宽增强的混沌信号 ^[40] 。2013年，提出通过混沌激光注入光纤环形谐振腔得到带宽大于26.5 GHz、平坦度为±1.5 dB的宽带混沌激光，如图1-7（c）所示。其中，光学谐振腔中加入光放大器和光滤波器，引起注入光与自身延迟的自拍频效应，实现了混沌带宽的增强和频谱优化 ^[47] 。2015年，通过两个外腔光反馈的半导体激光器的光学外差产生了平坦度为3 dB、带宽为14 GHz的混沌激光，即白混沌，如图1-7（d）所示；光学外差法激发的激光器拍频效应不仅消除了激光器的弛豫振荡峰，并可通过调节两个半导体激光器之间的频率失谐量获得高带宽、频谱平坦的混沌激光 ^[48] 。

2017年，中国科学院半导体研究所赵玲娟等提出放大反馈半导体激光器（AFL）芯片外加光纤环扰动产生混沌激光，如图1-8所示。通过调节AFL的放大区和分布式反馈区的驱动电流使其产生双波长激光，外部光反馈扰动AFL芯片产生混沌状态，两种模式的混沌振荡之间相互耦合，从而产生频谱范围大于50 GHz、平坦度为±3.6 dB的宽带混沌激光 ^[37] 。