1.3.2 双波长联合光反馈法

作者团队通过双波长外光注入F-P半导体激光器，以期增强混沌激光的带宽，实验系统示意图如图1-9所示。带有光纤反馈环的F-P半导体激光器用于产生多波长混沌激光，通过掺铒光纤放大器（EDFA）和可调光衰减器（VOA3）控制反馈光强的大小，偏振控制器（PC3）用于调节反馈光的偏振状态。两个分布反馈式半导体激光器（后文简称为DFB激光器）（DFB激光器1和DFB激光器2）作为外部注入光源，通过一个50:50的光纤耦合器注入F-P半导体激光器。DFB激光器1和DFB激光器2的输出波长分别通过两个精密的温度控制器调节。利用PC1、PC2和VOA1、VOA2分别调节注入光的偏振态与功率大小。在适当的注入功率和光频失谐情况下，实验产生了宽带的双波长宽带混沌激光。

利用光谱分析仪（AQ6370B）测量输出混沌激光的光谱。利用一个带宽为50 GHz的超快光电探测器（u ² t XPDV2020）将混沌激光转变为电信号，由一个带宽为42.98 GHz的频谱分析仪（Agilent E4447A）测量其频谱特性，利用一个6 GHz带宽的实时示波器（LeCroy 8600A）监测混沌振荡状态的波形。

实验中，F-P半导体激光器的偏置电流设置在1.27倍阈值电流。由于混沌振荡能量分布的起伏较大，传统的-3 dB频率点的定义不再适合混沌带宽的标定，研究者一般采用混沌频谱全带宽能量的80%或者最高功率点-20 dB范围内的总带宽。图1-10中绿色曲线为只有光反馈时获得的最大带宽的混沌激光的频谱，可以得到此时混沌激光的带宽为8.8 GHz。蓝色曲线为选择合适的注入功率和光频失谐量所获得的宽带混沌激光的频谱，其带宽为32.3 GHz，比之原始混沌激光，其带宽大约增强了4倍。此时双波长注入功率总计为-2.11 dBm（约各占50%），光频失谐量分别为25.4 GHz和32.9 GHz。另外，极为重要的是，混沌振荡的功率谱较为平坦，在2.5~38.5 GHz的频段范围功率起伏在±3 dBm内，所产生的混沌频谱的能量分布更为均匀，轮廓更为平坦。这对高速混沌保密通信和高速随机数的产生是至关重要的。

如图1-11所示为所产生的宽带混沌激光的光谱图。可以明显看出，此时F-P半导体激光器处于非注入锁定状态（un-locked），输出的光谱中包含多个纵模输出。由于光反馈，使得各个纵模发生红移且产生了新的光频成分，光谱展宽。而对于两个与注入光波长相接近的纵模，与注入光波发生非线性作用，产生更多新的光频成分，光谱展宽相较于单纯反馈情况下更宽。主激光器1（MLD1：DFB激光器1）的波长为1549.170 nm，F-P半导体激光器红移后与其相接近的模式的波长为1549.374 nm，两者波长失谐量为0.204 nm，对应的光频率失谐量为25.4 GHz。MLD2（DFB激光器2）的波长为1550.234 nm，F-P半导体激光器红移后与其相接近的模式波长为1550.498 nm，两者波长失谐量为0.264 nm，对应的光频率失谐量为32.9 GHz。被注入的两个光波模式各自与注入光波的拍频作用，使得混沌激光的频谱在25.4 GHz和32.9 GHz处出现明显的周期振荡尖峰。可见，由于多个模式间的拍频效应，特别是由于双波长注入激光和原始的混沌激光光场发生拍频效应从而激发高频周期振荡，宽带高频周期振荡与原始混沌振荡叠加耦合，使得混沌激光的带宽变宽并且更为平坦。

图1-12所示为利用6 GHz带宽的实时示波器采集的上述宽带双波长混沌激光的波形时序图。从图1-10中可以看出，此混沌激光的带宽已高达40 GHz，因此由于示波器带宽限制，所采集的波形相当于经过了一个6 GHz带宽的低通滤波器，已不能真实反映此宽带混沌激光的真实带宽，结果仅能定性地分析判定此时F-P半导体激光器是否处于混沌振荡状态。

图1-13所示为获得的宽带双波长混沌激光的自相关曲线。从图中可以看出，此宽带混沌信号具有极好的δ函数特性，呈现近似理想的图钉形，这对混沌激光测距和光时域反射测量应用是至关重要的特性。另外可以看出，在中心两边具有两个对称分布的旁瓣，其时间延迟为218.49 ns，对应的距离为43.698 m，这反映了激光器的反馈腔长信息，这在混沌保密通信中需要抑制，以避免窃听者获得发射机的硬件信息。不过从另外一个角度给出提示：可以利用光反馈的方法通过测量产生的混沌激光的自相关曲线来获取光纤的长度信息。

随后进一步研究了注入功率和光频失谐量对所产生混沌激光带宽的影响。图1-14（a）所示为双波长注入激光的光频失谐量对混沌激光带宽的影响。绿色曲线表示DFB激光器1的注入光频失谐量对混沌激光带宽的影响趋势，此时DFB激光器2的注入光频失谐量固定为17.5 GHz，注入的总功率为-3.42 dBm。蓝色曲线描述了DFB激光器2的注入光频失谐量对混沌激光带宽的影响，此时DFB激光器1的注入光频失谐量固定为20.9 GHz，注入的总功率为-2.92 dBm。可以看出，在一定注入功率下，混沌激光的带宽随注入光频失谐量的增大而呈现近似线性的增大，但是，当注入失谐量超过一定范围后，混沌频谱开始出现大的凹陷，轮廓不再平坦，且带宽不再增大。

图1-14（b）所示为主激光器DFB激光器1和DFB激光器2的波长分别为1549.170 nm和1550.234 nm，注入光频失谐量分别对应为25.4 GHz和32.9 GHz时，注入功率对混沌激光带宽的影响曲线。此时，两个激光器的注入功率各占50%，可以看出，在-9 dBm至-2 dBm的范围内，随着注入功率的增大，混沌激光的带宽也在不断增大，从9.2 GHz增大至32.9 GHz，最后趋于稳定缓变状态。