宽带混沌信号发生器的研制

发布时间：2020-06-02 17:57

【摘要】：混沌信号由于其类噪声、宽频谱特性,在光纤故障检测、分布式光纤传感、保密光通信、随机数生成、远程水位检测、混沌雷达等领域具有重要应用价值。半导体激光器作为B类激光器,易引入外部扰动产生混沌激光,且具有体积小、寿命长、成本低、性能稳定等优点,已经成为混沌激光产生的重要光源。但是,由于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,现有的混沌激光仍存在频谱不平坦、带宽窄等问题,限制了其广泛应用。大量学者们一直致力于带宽增强和频谱整形的研究,但基于商用器件产生混沌激光的带宽和平坦度仍存在限制。为了进一步提高混沌激光的带宽和平坦度,并实现宽带混沌激光的产业化应用,本文主要进行了以下研究:1.提出了基于半导体激光器的互注入结构。当耦合强度为1.635、频率失谐量为-33.5GHz时,得到平坦度为±2.8dB、频谱范围超过50GHz的混沌激光。经对比实验发现,同一反馈强度下,基于普通光反馈产生混沌激光的80%带宽仅为6.0GHz,而互注入结构将混沌激光的带宽提升至38.6GHz,带宽增强6.42倍左右。2.分析了带宽增强和频谱整形的影响因素。通过调节频率失谐量和耦合强度,得到混沌信号频谱带宽和平坦度的变化曲线及光谱特性;对比研究激光器在单向注入和弱互注入状态下的混沌特性,进一步证明了激光器的强互注入结构能够实现频谱整形和带宽增强。3.提出了放大自发辐射噪声扰动联合半导体激光器互注入结构,并研制50GHz宽带混沌信号发生器样机。当反馈强度为9.096%、频率失谐量为-32.75GHz、耦合强度为1.966时,产生了频谱带宽超过50GHz、平坦度为±2.5dB、光谱线宽为0.56nm的混沌激光。样机具有高带宽、高平坦度、输出稳定、易于调节等特点,有利于促进混沌激光的产业化应用。4.通过调节宽带混沌信号发生器的驱动模块,实现了混沌信号带宽的有效控制。进一步研究了混沌激光在不同频率失谐量下输出的光谱和频谱状态,分析了频率失谐量对频谱带宽的影响,并详细讨论了带宽增强的物理机制。
【图文】：

太原理工大学硕士研究生学位论文半导体激光器不稳定输出时可产生混沌激光，目前已经引起研究者们的广泛关注。混沌信号呈现类噪声、宽频谱等特征，如图 1 所示。图 1-1（a）为混沌信号的时序波形，呈现类噪声的随机、大幅值振荡，峰峰值达到几十甚至上百 mV，而激光器自由输出的时序波形为噪声分布，峰峰值只有 3.5mV 左右；图 1-1（b）为混沌信号的功率谱，呈现平坦、高带宽分布，频谱带宽达到数 GHz 甚至更高。

图 1-2 外腔光反馈示意图Fig. 1-2 Schematic diagram of external-cavity optical feedback（2）外部光注入外部光注入方式的示意图如图 1-3 所示，采用两台半导体激光器，将主激光器单向注入从激光器中。通过外部光注入引入自由度扰动从激光器，控制两台半器的频率失谐量、注入强度改变从激光器的非线性动力学状态，，从而实现混沌生。另外，频率失谐量为主从半导体激光器的光学频率的差值，注入强度为主入从激光器的光功率和从激光器自身输出光功率的比值。目前，研究者们为了进一步优化混沌激光的输出状态，基于外部光注入方式进。例如，将从激光器的输出光注入外腔光反馈的混沌激光器，从而实现带宽增腔主激光器、一个中间激光器和一个从激光器级联组成，实现时延特征的抑制之外，还有许多基于外部光注入方式实现激光器的扰动[17,18]。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN248;O415.5

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本文编号：2693550