1.3.3 互注入法

1.F-P半导体激光器互注入产生多波长混沌激光的研究

两个F-P半导体激光器互注入产生多波长混沌激光的实验装置如图1-15所示。偏置电流为1.5倍阈值电流时，在室温下测得F-P半导体激光器1和F-P半导体激光器2的中心波长分别为1545.72 nm和1546.86 nm，纵模间隔分别为1.11 nm和1.12 nm。F-P半导体激光器1输出的激光经由掺铒光纤放大器放大后分为两路：一路经过一个可变光衰减器和偏振控制器后由一个光环形器注入F-P半导体激光器2，F-P半导体激光器2输出的光分别经过一个可变光衰减器和偏振控制器后由光环形器注入F-P半导体激光器1，从而构成一个互注入系统；另一路输出的混沌激光经光纤耦合器分为两路，一路由光谱分析仪来测量光谱，另一路经过光电探测器转换为电信号后由频谱分析仪和实时示波器分别测量其频谱和波形。

图1-16所示为F-P半导体激光器1在仅有反馈时获得的混沌激光的光谱图和频谱图，此时F-P半导体激光器的偏置电流设定为20 mA。所得混沌激光频谱的中心频率为4.83 GHz，能量为80%，带宽为6.5 GHz，中心波长为1545.72 nm。从光谱图中可以看出，仅有两个波长的光功率相当，其余波长的光功率至少要低5 dB。所得混沌激光如图1-17所示。图1-17（a）所示为产生的多波长混沌激光的光谱，由于互注入锁定，所产生的混沌激光有8个光功率相当的波长输出。图1-17（b）中蓝色曲线所示为此混沌激光的频谱，其带宽为10.8 GHz，频谱轮廓更为平坦。黄色曲线为频谱分析仪的噪声基底。可以看出，利用互注入使得混沌激光的带宽获得了超过1.5倍的增强。

如图1-18为所产生的多波长混沌激光的时序图。所得波形峰峰值为200 mV，在8 ns的时间内有近30个脉宽约为150 ps幅度随机起伏的混沌脉冲振荡。图1-19为此混沌激光的自相关曲线，旁瓣水平（PSL）为-11.8 dB，呈现尖锐的图钉形。

本实验所产生的多波长混沌激光在混沌激光波分复用通信系统中具有重要的应用前景。实验中由于两个F-P半导体激光器的参数存在一定的差异，使得调节优化各个波长失谐量时存在一定的困难，仅获得了带宽10 GHz左右的混沌激光。在进一步的实验中，可以选择波长间隔均为0.8 nm、参数相接近的两个F-P半导体激光器互注入，适当调节波长失谐量和注入功率有望获得带宽超过20 GHz、光谱输出超过15个波长的混沌激光。

2.基于半导体激光器互注入产生宽带混沌激光的研究

基于半导体激光器互注入的实验装置如图1-20所示。偏振控制器控制偏振状态；可调光衰减器（VOA）控制互注入功率的大小，即控制耦合强度，其定义为由DFB激光器2注入DFB激光器1的光功率与DFB激光器1自身输出功率的比值；光隔离器（OI，隔离度≥48 dB）可防止外部光进入光路中影响混沌激光的输出状态。

具体光路为：DFB激光器1通过两个90:10耦合器与DFB激光器2连接，其中间光路加入PC和VOA可调节混沌激光的输出状态，从而组成一个基于半导体激光器的光互注入结构。光谱分析仪（MS9740A，ANRITSU公司）的分辨率为0.03 nm，将其接入光纤耦合器20%的输出端，可监控输出功率和中心波长的变化，从而得到频率失谐量的变化。高灵敏掺铒光纤放大器（CEFA-C-HG，KEOPSYS公司）将光纤耦合器80%的输出端进行放大，然后将其由分光比为50:50的光纤耦合器分成两部分：一部分连接到50 GHz带宽的光电探测器（XPDV2120R-VF-FP，Finisar公司）和50 GHz带宽的频谱分析仪（FSW50，Rohde&Schwarz公司）；另一部分连接到同种型号的50 GHz带宽的PD和带宽为36 GHz的高速实时示波器（MCM-Zi-A，LeCroy公司）。光功率计用于监控反馈的变化，从而计算出耦合强度的变化。因此，经光路中各个器件的调节，可用上述精密仪器实现高带宽信号的输出测试。

实验中使用的分布式反馈半导体激光器芯片性能相近，因此互注入产生的拍频效应能够实现频谱整形和带宽增强。此DFB激光器为WTD公司生产的普通商用半导体激光器，其无内置隔离器，FC/APC输出接口，14针蝶形封装形式，DFB激光器1、DFB激光器2的型号分别为E21238、E21236。通过标准蝶形激光器夹具（LDM-4980）实现了对激光器的供电，驱动电流源（LDX-3412，ILX Lightwave公司）实现了对激光器偏置电流和输出功率的控制，温度控制器（LDT-5412B，ILX Lightwave公司）实现了对激光器温度和中心波长的调节，该控制系统保证了激光器的高稳定性和低噪声输出。

经光功率计（PM100D，Thorlabs公司）测试，DFB激光器1、DFB激光器2的 P-I 曲线如图1-21所示。从图中可得，DFB激光器1和DFB激光器2的阈值电流均为7.2 mA。可以明显看出，两个激光器的斜率效率基本一致，经计算可得，DFB激光器1的斜率效率为0.173 W/A，DFB激光器2的斜率效率为0.168 W/A。因此得出，两个激光器的性能基本接近。

当分别设定DFB激光器1和DFB激光器2的驱动电流源为15 mA、温度控制器在25℃时，经APEX高分辨率光谱仪（分辨率为0.04 pm）测试，分别得到DFB激光器1和DFB激光器2的输出光谱，如图1-22所示。经测量，DFB激光器1的中心波长为1548.231 nm，-3 dB线宽为4.64 MHz；DFB激光器2的中心波长为1548.384 nm，-3 dB线宽为8.679 MHz。频率失谐量定义为自由运行的DFB激光器1和自由运行的DFB激光器2之间的频率差，计算可得，此时激光器的频率失谐量为-19.125 GHz。因此，频率差可经过温度控制器调节，使DFB激光器1和DFB激光器2达到恰当的频率失谐范围，从而产生恰当的拍频效应。

利用驱动电流源调节DFB激光器1的偏置电流为阈值电流的1.4倍，DFB激光器2的偏置电流为阈值电流的2.8倍，利用温度控制器将DFB激光器1和DFB激光器2的温度分别设置为25℃和25.1℃。此时，基于半导体激光器互注入的耦合强度为1.635，频率失谐量为-33.5 GHz。在这种状态下，得到了平坦度为±2.8 dB、频谱范围超过50 GHz的混沌激光，如图1-23中的蓝色曲线所示。观察可得，基于半导体激光器的互注入使高频振荡得到激发，极大增强了混沌激光的频率覆盖范围；其低频分量也得到极大增强，因此半导体激光器的弛豫振荡频率对应的峰值得以消除。

为了进行光互注入和普通光反馈的效果比较，用光反射镜将DFB激光器2替换，进一步研究基于光反馈的混沌激光。将DFB激光器1的偏置电流仍设置为阈值电流的1.4倍，反馈强度设置为-21 dB，即DFB激光器1的反馈。因此，可以获得基于光反馈产生的混沌激光，频谱如图1-23中红色曲线所示，噪声基底如图1-23中灰色曲线所示。可以清楚地看出，基于光反馈产生混沌激光时，半导体激光器的弛豫振荡频率占据了混沌激光的主要能量。因此，混沌信号的频谱起始位置基本接近噪声基底，且频率达到22 GHz时，频谱也基本与噪声重合。混沌信号的低频和高频成分能量较低，大大限制了其带宽覆盖范围，导致混沌激光的带宽受限和频谱不平坦，这将限制混沌信号的实际应用。

由于混沌信号的能量分布不均匀，即频谱不够平坦，若采用-3 dB带宽来衡量频谱带宽，将会忽略混沌信号的低频和高频成分，所以-3 dB带宽不适用于该频谱。为了更好地描述混沌信号的频谱带宽，我们采用80%带宽计算方法，其定义为从0开始，占据频谱总能量80%的频谱宽度。经计算可得，图1-23中基于光反馈产生混沌激光的80%带宽为6.0 GHz，而基于互注入产生混沌激光的80%带宽提升至38.6 GHz。很显然，通过半导体激光器互注入可以将混沌信号的带宽增强至6.42倍左右。混沌信号的带宽得到大幅度增强，这将对高速混沌保密通信和高速随机数生成起到至关重要的作用。

宽带混沌激光光谱如图1-24所示。红色和紫色曲线分别对应DFB激光器1和DFB激光器2自由运行时的输出光谱，可测得此时的中心波长分别是1548.191 nm和1548.459 nm，以及-20 dB线宽分别为0.075 nm和0.073 nm。蓝色曲线为DFB激光器1经过互注入后输出的混沌激光光谱，其-20 dB线宽展宽为0.537 nm，是DFB激光器1自由运行的7.16倍。从蓝色曲线可以看出，DFB激光器1的激光场产生了红移，这是由于半导体激光器互注入时，其载流子密度的动态变化导致的。

基于光互注入产生混沌激光的时序图和相图如图1-25所示。从图1-25（a）中可以清楚地看到，时间序列呈现类噪声的无规则随机起伏，且幅值大幅度增加，峰峰值为70.2 mV，因此可知这是一种典型的混沌状态。此外，相图是从一系列的瞬态强度中获得的，而且从图1-25（b）中可以看出，此时的相图是在有限范围内的复杂分布，表明DFB激光器1的输出信号为混沌信号。

为了进一步验证DFB激光器1输出了混沌信号，利用所采集时间序列的数据进行运算，计算可得最大李雅普诺夫指数为0.0366，而指数大于零即为混沌信号，因此可知DFB激光器1输出为混沌激光。

为进一步研究基于光互注入产生混沌激光的光谱细节，采用APEX高分辨率光谱仪（分辨率为0.04 pm）测试混沌激光的输出光谱，如图1-26所示，其对应于图1-24光谱中的蓝色曲线。可以看出，混沌激光的光谱有两个尖峰位置，从图1-24中可知其分别对应DFB激光器1和DFB激光器2自由运行时的中心波长位置。而光谱中间位置实现抬升展宽，但仍存在光谱下陷问题，没有实现平坦的展宽。说明两个激光器互注入时存在较大的频率失谐量，因此产生拍频效应，从而实现光谱抬升和光谱展宽。对于混沌保密通信带宽和随机数生成速率来说，其主要受限于频谱带宽，从上面实验结果，已知该系统的频谱带宽已增强至50 GHz，因此已满足混沌激光在该方面的应用。但是，在光纤传感方面，其主要依赖于混沌激光的光谱线宽，因此可以进一步减小激光器的频率失谐量，从而进一步实现光谱的优化。因此，该实验系统可以通过调节不同参数，实现混沌激光在不同方面的应用。

将整个频谱范围内功率谱的波动幅值差定义为平坦度，频谱带宽仍采用之前所述的80%带宽计算方法，即从零开始、占据频谱总能量80%的频谱宽度。将耦合强度固定不变，探讨频率失谐量对带宽和平坦度的影响。

当耦合强度为1.635时，混沌激光的频谱带宽和平坦度随频率失谐量的变化如图1-27所示，蓝色曲线和红色曲线分别代表混沌信号带宽和平坦度的变化趋势。通过温度控制器将DFB激光器1的温度固定在25℃，调节DFB激光器2的温度为17.9~27.5℃。此时DFB激光器1的中心波长固定在1548.191 nm，DFB激光器2的中心波长从1547.738 nm至1548.607 nm变化，计算得到中心波长的差值为0.416~-0.453 nm，因此可得相应的频率失谐量为-56.6~52.0 GHz。

当频率失谐量在零附近时，频谱带宽和平坦度的变化均比较缓慢，且80%带宽较小、平坦度较差，其光谱如图1-27（f）所示。这是由于光锁定注入，功率谱的能量主要集中在弛豫振荡频率周围，其能量呈现不均匀分布导致的。

当频率失谐量在负方向上增加时，相互作用的两个半导体激光器产生拍频效应激发了丰富的频率成分，如图1-27（c）~（e）所示。因此，低频成分的能量得以增强，接着低频部分的能量由于拍频效应逐渐向高频部分转移。所以，平坦度表现出先减少后增加的变化趋势。在此过程中，能量分布逐渐趋于均匀，当频率失谐量为-33.5 GHz时，频谱平坦度优化至最小水平，为±2.8 dB。

当频率失谐量在正方向上增加时，如图1-27（g）所示，高频成分的激发导致80%带宽的增加和平坦度的恶化。随着频率失谐量进一步增大，两个激光器的相互作用逐渐变弱，因此高频部分能量也逐渐减弱。当频率失谐量接近±60 GHz时，两个激光器几乎无相互作用，高频部分基本趋于噪声基底，因此80%带宽和平坦度均表现出微弱变化。

为进一步分析混沌信号的频谱带宽和平坦度的影响因素，我们研究了半导体激光器的耦合强度对其产生的影响。根据图1-27提到的当频率失谐量为-33.5 GHz时，频谱平坦度优化至最小水平，因此将频率失谐量固定在-33.5 GHz，通过衰减器控制互注入强度来改变耦合强度的大小。

当频率失谐量为-33.5 GHz时，混沌激光的频谱带宽和平坦度随耦合强度的变化趋势如图1-28所示。DFB激光器1的偏置电流固定为其阈值电流的1.4倍，温度控制在25℃。同时，将DFB激光器2的偏置电流固定为其阈值电流的2.8倍，温度控制在25.1℃。因此，两个半导体激光器的输出功率和频率失谐量维持不变。通过调节VOA，使激光器的耦合强度在0.468~1.89之间变化。

图1-28（a）中的蓝色曲线表示混沌激光带宽的变化，图1-28（b）中的红色曲线表示平坦度的变化。如图1-28（c），（d）所示，在耦合强度从0.468增加到0.761的过程中，两个激光器之间的相互作用较弱，80%带宽和平坦度的变化都比较缓慢。在耦合强度从0.761增加到1.635的过程中，两个激光器之间的相互作用变得更强，产生四波混频，如图1-28（d）~（f）所示，光谱中新的频率分量得到均匀增益。因此，低频分量中的能量得以增强，并进一步通过拍频效应来增强高频分量中的能量，从而实现频谱带宽的增强和平坦度的优化。研究发现，当耦合强度为1.635时，平坦度达到最佳，为±2.8 dB。当耦合强度增加至1.89左右时，如图1-28（g）所示，DFB激光器2的能量占据了主导地位，DFB激光器1的混沌输出状态受到抑制，但是高频振荡仍然存在。因此，DFB激光器1所输出混沌信号的频谱平坦度逐渐变差，而80%带宽则相应增加。 oTiuHcNU5C6uJDQXzanRlg8unPB3m6hHO9gSbGMm7ffc1WgNwgpdRUl4uxB5tmrm