【精品】混沌激光的产生与应用

【精品】混沌激光的产生与应用
REVIEW 综合评述混沌激光的产生与应用 Generation and Application of Chaotic
Laser 王云才太原理工大学理学院物理系，山西太原 030024 Wang Yuncai Department of Physics College of Science Taiyuan University of Technology Taiyuan，
Shanxi 030024 China 摘要而混沌是激光器不稳定性的一个重要特例。

混沌激光作
为激光器输出的一激光器的不稳定性是一个普遍现象，具有类噪声宽频谱的特性。

近年来，种特殊形式，基于混沌激光的一些应用技术相继被提出与完善，结合国
内外研究现状，简要介绍了利用半导体激光器产生混沌激光，以及混沌激光
在保密
光通信、激光测距、光纤断点检对激光相干长度任意调控等方面的应用与研
究进展。

测、关键词混沌激光;保密通信;激光雷达;光时域反射仪;相干长度Abstract
Chaotic laser viewed as a special form of laser diode outputs is a general phenomenon emitted by laser. Chaotic laser has noise-like appearance and wide spectrum bandwidth. Recently some novel techniques have been proposed and developed based on chaotic light. Combined with the research situation and the project team the generation of chaotic
laser utilizing semiconductor laser with optical feedback/injection is briefly introduced and the research progresses of the chaotic laser applications are riviewed such as the chaotic optical secure communication chaotic laser ladar chaotic optical time domain reflectometer and new-type light source of arbitrary variable coherence length. Key words chaotic laser;secure communication;laser ladar;optical time domain
reflectometer;coherence length 中图分类号 N93
doi:10.3788/LOP20094603.00001
引言光反馈在激光器应用中是不可避免的，换言之，激光自从 1960 年世界上第
一台红宝石激光器问世以 R. 器的不稳定性是一个普遍现象。

Lang 等2 发现外部
来，激光技术及应用得到快速发展。

激光器的主要应光反馈引起半导体激光
器的非
稳定性和混沌。

混沌激用包括:光显示、光存储、激光材料加工、激光医学、
光光
是激光器输出不稳定性的一种特殊形式，此时尽管纤通信、激光检测和光谱分析等
方面。

激光器是一个激光器的动态特性同样可以由确定的速率方程来描非线
性系
统，其输出可分为稳态、非稳态和混沌三种述，但是激光器的输出光强、波长、相
位在时域上不 1 再是稳态，而是类似噪声的随机变化。

在早期的研究形式。

Arecchi
等按照激光器腔内电场、粒子数及相位弛豫时间长短的分类，所有的激光器均可分
为 A，中，侧重于研究如何抑制光反馈或外光注入激光器的 CB，三类。

A 类和
B 类激光器在外界扰动下即引入噪声和不稳定输出，以保持激光器的稳态工作35。

C一个自由度可能无法稳定工作，类激光器本身就 20 世纪 80 年代逐渐清晰了
光反馈及光注入激可能运行在非稳态或者混沌输出的状态。

类和 B 类 A 光器
的动态特性，发现了激光器从低频起伏 Low激光器所受的外界扰动最
简单、也是最常见的形式即 Frequency Fluctuation到混沌，从倍周期到混沌的演外
部光学元件引起的光反馈，如耦合或准直透镜的表 Ott 10 变过程68 。

1990 年，等
9，相继提出了混沌控制和面反射、光纤端面和被照射器件表面反射等。

可以说，混
沌同步的概念，启示人们认识到混沌激光可能有着中国光学期刊网 www .
opticsjournal . netREVIEW 综合评述重要的应用。

本文结合国内外研究现状，对
光反馈或外光注入下半导体激光器产生混沌激光，特别是混沌激光的几个重要应用:
如混沌保密通信、混沌激光雷达、混沌光时域反射仪、相干长度可调的激光光源给
予简要介绍。

2 混沌激光的产生与特性半导体激光器属于 B 类激光器，要实现半
导体激光器的混沌输出需要增加一个自由度。

增加自由度典型的方法就是通过外部
光注入、光反馈或光电反馈如图 1 所示。

通过控制光注入激光器的注入光强度、相图 2 混沌激光的特性。

a 波形;b 吸引子;c 频谱;位以及主从激光器的频率失谐，激光器能够输出稳定 d 自相关曲线的混沌态。

同样，通过控制光反馈或光电反馈激光器的反馈光强度和相位，激光器也能够输出稳定的混沌有类似噪声的随机变化，如图 2a所示。

其相图为混态。

图 1a为外部光注入产生混沌的方式，将主激光沌吸引子，表明混沌激光过程是遍历混沌吸引子所包器输出的相干光场注入到从激光器而产生混沌。

光反含状态的伪随机过程，见图 2b。

频域上对应的频谱馈产生混沌就是在半导体激光器的外部，通过放置反具有连续宽带的频谱特性，如图 2c所示，从而混沌馈器件使得激光器的输出经反射器件重新返回到激激光天生具备隐蔽性。

混沌激光的自相关曲线还具有光器而产生混沌。

外部反馈可以是相干光的反馈或是类似于 d 函数的线形，如图 2d所示，可用作抗干扰非相干光反馈，可以是单向的反馈或是双向反馈，可测量信号。

优良的相干性是激光器一个显著的特性，以是一般的平面镜反馈或是光栅滤光反馈。

而一般在而激光器输出的混沌激光却有低的相干性。

由于混沌实验和理论分析中，主要针对平面镜反馈来进行描激光的特性逐渐被掌握，混沌激光日益显示出在以下述，如图1b所示。

光电反馈是指半导体激光器输出几个方面的重要应用。

的光信号用高速
光电探测器转化为电信号，并采用适当的电路进行处理延时、带通滤波、放大等，再与激 3 混沌保密通信光器的偏置进行叠加反馈到激光器中，控制半导体激随着电子商务和金融证券网上交易的普及，用户光器产生混沌的方式，如图 1c所示。

的密码、身份认证和交易信息都已成为极其重要的私产生的混沌激光的特性如图2 所示。

在时域上具人信息，一旦被非法入侵者窃取，就会对使用者造成很大的损失。

因此，保密通信在金融、商业等领域有着极为重要而广泛的应用前景，当前实现保密通信的主要手段是采用数字加密技术——众密钥public —公 keys，这是一种软件加密技术，随着计算机运算能力的不断提高，软件加密技术在理论上必然存在解码的可能。

量子通信可以最终解决密钥分配问题，但目前亟待解决传输速率低和实用化技术障碍两大瓶颈。

然而，混沌激光信号以其连续宽带频谱和类似噪声的特性非常适于保密通信领域的应用。

与现行的数字加密技术相比，混沌保密通信是依靠物理层面上的硬件加密，只有当接收者具有与发射机参数匹配的接收机时，才能接收到信息，否则，接收者窃听者只能收到类似噪声的混沌信号。

特别是，混沌通信中的硬件加图 1 混沌激光产生的三种方式。

a外光注入; 密技术可以与现有的软件加密及量子编码技术兼容， b光反馈; c光电反馈进一步增强保密能力。

激光与光电子学进展 2009.03 REVIEW 综合评述近十几年来，人们对混沌激光保密通信进行了大联同步以及双信道混沌光通信。

黄肇明课题组 30研究量的研究。

1994 年，Colet 等11首先讨论了两个固体激了光电双延时反馈混沌系统在高速光保密通信中的光器实现混沌同步的可能性，从此，以光信号为混沌应用。

余重秀课题组31实验研究了基于掺铒光纤环形载波的混沌激光通信的研究开始发展起来。

1996 年，激光器波长可调谐混沌的产生和同步太原理工大学Mirasso 等 12 提出半导体激光器可实现混沌同步，由实验实现了基于光纤环形腔反馈半导体激光器频谱于半导体激光器是目前光通信系统的主要光源，故基平坦的宽带混沌同步 32。

于半导体激光器的混沌保密通信很快
成为研究热点。

混沌光通信是一种硬件加密技术，适用于高速、1998 年，Van Wiggeren 等 13 在上《science》报道了用长距离、低误码率传输。

它利用结构相同的一对接发两个光纤激光器实现混沌保密通信的研究。

2000 年，器耦合产生相同的混沌载波即混沌同步，待传输的H.F. Chen 14 提出了开
环激光混沌同步的方法，分析信息隐藏在混沌载波中，接收者将接收到的信号混了半导体激光器参数失配、激光相位等因素对同步的沌载波垣信息与本地产生的混沌信号相减即提取出影响。

同年，Sivapralcasam 15 实验研究了主从半导体所加密的信号，其原理示意图如图 3 所示。

激光器的混沌同步并实现了 9.5 kHz 方波信息的解混沌保密通信实现的关键技术是实现发射器和欧盟第五届科技框架计划设立了调。

2001 年，“利用半导体接收器的混沌同步。

所谓混沌同步，就是让发射器的激光器实现光学混沌通信”Optical ChaosCommunications Using Laser -Diodes Transmitters，简称 OCCULT 计划研究专题 16 ，法、意、由英、德、西班牙、希腊和瑞士七个国家共八个组织共同研究。

2002 年，Kusumoto 等 17用两个 780 nm 的半导体激光器实现了1.5 GHz 正弦信号的混沌保密通信。

同年，J.M.Liu 等18对适用于高速通信的半导体激光器混沌同步及信息调制方案进行了总结，从而让人们对半导体激光器混沌系统有了比较全面的认识。

2004 年，M.W.Lee 等 19 用两个半导体激光器作接收器实现了一图 3 混沌光通信原理示意图对二的广播保密通信。

Matsuura 等 20 实现了混沌保密通信中的波分复用。

2005 年 11 月，欧洲 OCCULT 混沌载波信号与被注入接收器输出的混沌信号相同。

项目的研究小组在希腊雅典城利用总长为 120 km 的图 4 为课题组进行实验所获得的发射与接收激光器商用光通信网络实现了数据传输速率为1 Gb/s，误码同步的时序图及频谱图32 。

图 4a中蓝色线为发射激率为 10 的混沌保密通信。

同年， -7 21 意大利的研究者光器的混沌输出，红色线为接收激光器的混沌输出;Annovazzi-Lodi 等 22 则实现了电视视频信号的混沌图 4b为发
射与接收激光器的频谱图，上半部分为发保密通信。

2006 年欧盟第六届科技框架计划启动了毕射激光器混沌输出的频谱，下半部分为接收激光器混加索Photonic Integrated Components Applied to 沌输出频谱，其中黑线为噪声基底。

实验分析，发射与Secure chao Sencoded Optical
communi -cations 接收激光器同步度的相关系数为 0.84，两激光器的输systems，PICASSO计划，重点对混沌通信系统中的有出功率相关图见图 5。

源和无源器件进行研制，旨在提供可实现波分复用的在发射器和接收器同步的基础上，对信息的编码混沌保密通信系统。

同年，M.W.Lee 等 23 24 实现了自和解码也是混沌光通信中另一关键技术。

1993 年，由空间的混沌光保密通信的中继传输。

2007 年，台湾 Cuomo 等 33 提出混沌调制chaos modulation和混沌清华大学林凡异博士等 25 理论研究了混沌光通信在隐藏 chaos masking 两种加载信号的方式。

随后ROF Radio Over Fiber通信技术中的应用。

国内一 Dedieu 等34提出了混沌相移键控chaos shift keying。

些课题组也在从事混沌光通信的研究，如颜森林等 26 这三种加载信号的机制为目前混沌光通信中常用的在激光混沌同步及其保密通信方面做了大量理论研信号编码方式。

后来在这三种加载方式的基础上，又究与数值分析。

潘炜课题组对 VCSEL 模式选择和偏提出了混沌开关键控chaos on/off keying 35 和开关振控制，互注入和非对称注入产生混沌进行了理论研相移键控on/off shift keying 36
等改进的混沌编码方 28 27， 29究。

吴正茂、夏光琼课题组实现了混沌串联、并式。

2007 年，Annovazzi-Lodi 等 37 基于双反馈的半导中国光学期刊网www . opticsjournal . netREVIEW 综合评述图 4 混沌同步。

a时序图;b频谱图混沌载
波的带宽，因此，提高混沌载波带宽是实现高速混沌激光保密通信的必由之路。

本课题组采用连续光注入一个混沌激光器，可增强混沌激光的带宽 38 ，实
验装置如图 6 所示。

从激光器slave laser通过光纤环形腔反馈产生混沌激光。

将第二个激光器 injection laser输出的连续光注入混沌激光器，以提高混沌激光的带宽。

图 7 给出了光注入前后从激光器输出的混沌光频谱图。

可以看出光注入后从激光器输出混沌的带宽为 16.8 GHz，大大高于无光注入时产生图 5 混沌同步下发射与接收激光器的相关图的混沌光带宽 6.2 GHz。

目前，混沌光通信已在 120 km 长的商用光通信体激光器提出了对混沌载波相位调制phase 网络中实现了数据传输速率为 1 Gb/s，误码率为 10 -7modulation的编码方式实现保密通信，增强了系统的的保密通信 21 。

为进一步提高数据的传输速率，可通保密性。

随着混沌光通信解密技术的发展，寻找新的过提高混沌载波的带宽来实现，当然，更有效的办法编码方式提高系统的保密性将变得越来越重要。

是利用混沌光通信的波分复用技术极大地提高保密实际上，混沌保密通信中信号的传输速率取决于通信的传输容量。

混沌光通信的误码率与收发终端的图 6 连续光注入增强混沌激光带宽的实验装置图激光与光电子学进展 2009.03 REVIEW 综合评述编码，但这样又会引起维护与调试的困难。

随机码调制雷达可以解决测距系统的干扰问题，目前人们已提出了多种随机码雷达方案 39 。

但是，受随机码的码率和调制速率的限制，此测距技术的距离分辨率还很低。

特别是，它的无模糊测量距离受到随机码有限码长的限制，而且还需要价格昂贵的随机码发生器。

以无线电波为测量信号的电子测距雷达也包括脉冲雷达和连续波雷达等不同雷达体制，同样在发展中也存在着类似的待解决问题。

为了提高雷达的测量精度和抗干扰能力，宽带雷达和随机信号雷达的概念 .。