基于非对称双路光反馈的宽带混沌激光产生装置及方法

1.本发明属于混沌激光技术领域，具体是一种基于非对称双路光反馈的宽带混沌激光产生装置及方法，适用于光通信、传感、信息安全等领域。


背景技术：

2.由于具有宽频谱、类噪声的特性，混沌激光已广泛应用于保密通信、随机数产生、光纤传感和人工智能等领域。目前，利用半导体激光器产生混沌激光的方式包括光反馈、光注入和光电反馈。然而，由于激光输出的能量主要集中在弛豫振荡频率附近，限制了混沌激光的有效带宽和低频成分能量，使得产生的混沌激光带宽窄、功率谱不均匀，极大地限制了混沌激光的实际应用，比如降低了混沌保密光通信系统中信息的传输速率和随机数的生成速率，影响光纤传感系统的空间分辨率等。
3.针对以上问题，研究者们提出了各种产生宽带混沌激光的方法，其中，最常见的方法是光注入。已经证明，可以采用单光注入、双光注入、级联光注入和互注入等方法实现混沌激光的带宽增强。然而，上述方案需要对多个参数进行精确调整。在大多数情况下，光注入产生混沌激光的功率谱不平坦，低频成分的能量低，这些都导致混沌激光的利用效率有所降低。此外，光注入方法容易导致主从激光器进入注入锁定的状态。
4.一些研究者们倾向于采用容易产生混沌激光的新颖光反馈方法来提高带宽。2017年，西南大学的钟祝强等人从滤波反馈的弱谐振腔法布里
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珀罗激光二极管中获得了可调谐的宽带混沌信号，带宽可达30.0 ghz，平坦度在10 db左右(ieee photonics technology letters,2017,29(17):1506
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1509）；2019年，bouchez等人利用相位共轭反馈将混沌带宽提高到18 ghz(optical letters,2019,44(4):975
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978)；2020年，chang等人利用受光反馈作用的离散模激光器获得了平坦的宽带混沌激光(optical express,2020,28(26):39076
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39082)；2019年，电子科技大学江宁等人利用延迟干涉自相位调制反馈实现了带宽为30ghz的宽带混沌激光(optical express,2019,27(9):12336
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12348)，并于2020年证明了半导体激光器在平行耦合环形谐振器的反馈下也可以产生宽带混沌(optical express,2020,28(2):1999
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2009)。但以上方案实验装置复杂，且产生的混沌激光带宽有限。


技术实现要素：

5.本发明旨在解决现有光反馈结构产生的混沌激光带宽窄、频谱不平坦的问题，提出一种基于非对称双路光反馈的宽带混沌激光产生装置及方法，以提高混沌激光的带宽。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于非对称双路光反馈的宽带混沌激光产生装置，包括半导体激光器、第一分束器、第二分束器，第一衰减控制器、第一偏振控制器、可调谐光带通滤波器、第二衰减控制器、第二偏振控制器和合束器；所述半导体激光器输出的激光经第一分束器分为两束后分别作为输出光和反馈光，反馈光经第二分束器分为两束，其中第一反馈光依次经第一衰减控制器、第一偏振控制器后入射到合束器，第二反馈光依次经可调谐光带通滤波器、第二衰减控制器、第二偏振控
制器后入射到合束器，经合束器后的两束光合并到一起，并反馈回半导体激光器。
7.所述的一种基于非对称双路光反馈的宽带混沌激光产生装置，还包括光放大器，所述光放大器设置在第一分束器与第二分束器之间，用于将经第一分束器输出的反馈光放大。
8.所述的一种基于非对称双路光反馈的宽带混沌激光产生装置，还包括光环形器，所述光环形器的第一端口与半导体激光器的输出端连接，第二端口与第一分束器的输入端连接，第三端口与合束器的输出端连接。
9.所述光环形器的第一端口通过单模光纤跳线与半导体激光器的输出端连接，第二端口通过单模光纤跳线与第一分束器的输入端连接，第三端口通过单模光纤跳线与合束器的输出端连接；所述第一分束器、光放大器、第二分束器之间通过单模光纤跳线连接，第二分束器、第一衰减控制器、第一偏振控制器、合束器之间通过单模光纤跳线连接，第二分束器、可调谐光带通滤波器、第二衰减控制器、第二偏振控制器和合束器之间通过单模光纤跳线连接。
10.所述第一分束器、第二分束器、合束器均为
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光纤耦合器。
11.此外，本发明还提供了一种基于非对称双路光反馈的宽带混沌激光产生方法，基于所述的一种基于非对称双路光反馈的宽带混沌激光产生装置实现，包括以下步骤：通过第一衰减控制器和第一偏振控制器分别控制第一反馈光的强度和偏振状态；通过可调谐光带通滤波器、第二衰减控制器、第二偏振控制器分别控制第二反馈光的频率失谐、强度和偏振状态。
12.所述的一种基于非对称双路光反馈的宽带混沌激光产生方法，第二反馈光的频率失谐介于
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74.4 ghz 和
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12.0 ghz之间。
13.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：1、本发明提出了一种基于非对称双路光反馈的宽带混沌激光产生装置及方法，利用非对称双路光反馈结构，一路为直接反馈路，另一路接入可调谐光滤波器，利用激光器主模式和滤波模式的拍频效应增强了混沌激光的带宽。
14.2、与传统无源光反馈结构相比，本发明在反馈路中接入光放大器，构成有源光反馈，可以使得反馈强度增大到激光器自身输出的数倍，随着反馈强度的增大，混沌激光的频谱得到展宽。
15.3、本发明最终可以产生标准带宽为36.1 ghz、频谱平坦度为5.8 db的宽带混沌激光，这是现有技术中的光反馈结构中难以实现的，因此，本发明可以使混沌激光带宽得到拓展，频谱平坦度高，设计合理，具有很好的推广应用价值。
附图说明
16.图1为本发明实施例提供的一种基于非对称双路光反馈结构产生宽带混沌激光的装置的结构示意图；图2为本发明实施例中得到的宽带混沌激光的频谱图，其中，浅灰色曲线代表噪底，深灰色曲线代表单反馈产生的混沌激光，黑色曲线代表基于非对称双路光反馈结构产生的标准带宽为36.1 ghz、频谱平坦度为5.8 db的宽带混沌激光。
17.图中：1
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半导体激光器，2
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光环形器，3
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第一分束器，4
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光放大器，5
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第二分束器，6
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第一衰减控制器，7
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第一偏振控制器，8
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可调谐光带通滤波器，9
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第二衰减控制器，10
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第二偏振控制器，11
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合束器。
具体实施方式
18.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.实施例一如图1所示，本发明实施例提供了一种基于非对称双路光反馈的宽带混沌激光产生装置，包括半导体激光器1、光环形器2、第一分束器3、光放大器4、第二分束器5，第一衰减控制器6、第一偏振控制器7、可调谐光带通滤波器8、第二衰减控制器9、第二偏振控制器10和合束器11。
20.其中，所述光环形器2的第一端口通过单模光纤跳线与半导体激光器1的输出端连接，第二端口通过单模光纤跳线与第一分束器3的输入端连接，第三端口通过单模光纤跳线与合束器11的输出端连接。
21.所述第一分束器3的第二输出端作为装置的输出端，第二输出端、光放大器4、第二分束器5的输入端之间依次通过单模光纤跳线依次连接，第二分束器5的第一输出端、第一衰减控制器6、第一偏振控制器7、合束器11的第一输入端之间依次通过单模光纤跳线连接，第二分束器5的第二输出端、可调谐光带通滤波器8、第二衰减控制器9、第二偏振控制器10和合束器11的第二输入端之间依次通过单模光纤跳线连接。
22.具体地，本实施例中，所述第一分束器3、第二分束器5、合束器11均为1
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2光纤耦合器。光放大器4可以是掺铒光纤放大器、半导体光放大器等器件。
23.所述半导体激光器1输出的激光入射至光环形器2的第一端口，从光环形器2的第二端口输出，然后经第一分束器3分为两束，20%的输出端用于作为输出光进行光检测，80%的输出端用于作为反馈光。反馈光经光放大器4放大后入射到第二分束器5，第二分束器5将反馈光分为两束，其中20%的一束为第一反馈光，80%的一束为第二反馈光。第一反馈光依次经第一衰减控制器6、第一偏振控制器7后入射到合束器11，第二反馈光依次经可调谐光带通滤波器8、第二衰减控制器9、第二偏振控制器10后入射到合束器11，经合束器11后的两束光合并到一起，并反馈回半导体激光器1。
24.其中，可调谐光带通滤波器8用于对第二反馈光进行滤波，可调谐光带通滤波器8的型号是exfo xmt
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50。通过调节可调谐光带通滤波器8的中心频率，可以调节第二反馈光的滤波失谐量，这里，滤波频率失谐量定义为光带通滤波器8中心频率与自由运行激光器中心频率之差。第一衰减控制器6和第二衰减控制器9用于控制第一反馈光和第二反馈光的强度，第一偏振控制器7和第二偏振控制器10用于控制第一反馈光和第二反馈光的偏振状态。
25.本实施例的工作原理如下：第二反馈光经光带通滤波器8，使其产生滤波模式后，经第二衰减控制器9和第二偏振控制器10控制反馈强度和偏振后，最终经过合束器11耦合进入光环形器2，最后返回半导体激光器1中形成滤波反馈，第一反馈光经第一衰减控制器6
和第一偏振控制器7进行强度控制和偏振控制后，通过合束器11和光环形器2返回半导体激光器1中形成直接反馈，扰动激光器主模式产生混沌激光，使得激光器主模式光谱展宽，频率分量增加，滤波模式与激光器主模式的相互作用范围增大，利用两者之间的拍频效应产生高频周期振荡，这种周期振荡与激光器弛豫振荡发生非线性混频作用最终产生宽带混沌激光。
26.如图2所示，本发明实施例得到的宽带混沌激光的频谱图。其中，浅灰色曲线代表噪底。定义激光器在相同偏置电流和温度条件下的反馈光功率与自由运转输出光功率的比值为反馈强度。本实施例中，直接反馈路，即第一反馈光的反馈强度始终固定在0.18。当第二反馈光，即滤波反馈路的反馈强度为0时，直接反馈路可作为传统的单光反馈结构，此时混沌激光的频谱如图2中深灰色曲线所示，为典型的单反馈混沌输出状态，其带宽为9.2 ghz，平坦度为21.5 db。黑色曲线代表利用本实施例的非对称双路光反馈结构产生的宽带混沌激光，此时滤波频率失谐为
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66.5 ghz、滤波带宽为100 ghz且滤波反馈路的反馈强度为1.55。可以看出宽带混沌激光的带宽显著增强，且频谱变得平坦，此时混沌带宽为36.1 ghz，频谱平坦度为5.8 db，其实际频谱覆盖范围已经超过50 ghz。
27.实施例二本发明实施例二提供了一种基于非对称双路光反馈的宽带混沌激光产生方法，基于实施例一所述的一种基于非对称双路光反馈的宽带混沌激光产生装置实现，包括以下步骤：通过第一衰减控制器6和第一偏振控制器7分别控制第一反馈光的强度和偏振状态；通过可调谐光带通滤波器8、第二衰减控制器9、第二偏振控制器10分别控制第二反馈光的频率失谐、强度和偏振状态。
28.探究滤波频率失谐、滤波带宽和滤波反馈强度对产生的混沌激光带宽和平坦度的影响。研究发现，当滤波频率失谐从
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90.0 ghz变化至19.3 ghz时，混沌激光带宽先增大，然后基本保持不变，最后减小，而频谱平坦度的变化呈现相反的趋势。当滤波频率失谐介于
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74.4 ghz 和
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12.0 ghz之间时，混沌带宽超过30 ghz，平坦度在6 db左右，混沌带宽和平坦度同时得以提升。并且研究发现，随着滤波带宽的不断增加，混沌带宽首先增强，然后趋于平缓，同样，平坦度的减小也呈现出先急后缓的趋势，持续下降至6 db左右。同时研究还发现，随着滤波反馈强度的增加，混沌激光带宽不断增加，平坦度减小。在滤波反馈强度从0变化至0.62时，由于低频分量的能量不断增大，平坦度迅速下降；在反馈强度达到0.62之后，平坦度变化趋于平缓，在6 db上下浮动。
29.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。