基于时延光子储备池计算的混沌激光短期预测

提出并证明了一种利用时延光子储备池计算短期预测混沌激光的时间序列.具体来说,建立基于光反馈和光注入半导体激光器的储备池结构,通过选择合适的系统参数,时延光子储备池计算可以有效地预测混沌激光约2 ns的动态轨迹.此外,研究了系统参数对预测结果的影响,包括掩模类型、虚拟节点数、训练数据长度、输入增益、反馈强度、注入强度、岭参数和泄漏率.作为一种具有全光实现潜力的机器学习方法,时延光子储备池具有结构简单、训练成本低、易于硬件实现等优点.

利用光反馈VCSEL模式跳变产生随机数

近年来,在物理随机数生成速率的提高方面取得了很大的研究进展,但仍存在产生过程复杂和体积庞大等缺陷。针对该问题,文章从理论上提出了利用光反馈下垂直腔面发射激光器(VCSEL)模式跳变产生随机数的方案。通过光反馈扰动使VCSEL产生模式跳变,再由方波信号对注入电流进行调制,周期性重启VCSEL使其由非激射状态切换到模式跳变状态,最终输出随机脉冲序列实现随机数的产生。研究结果表明,具有通过随机性验证的无偏随机数能够以Gbit/s量级的速率连续产生。文章所提方案消除了对光/电转换和后处理操作的需求,简化了当前随机数的产生结构,且具有实现低成本光子集成随机数发生器的潜力。

经典物理层高速密钥分发研究进展

信息加密传输是网络空间安全的核心问题,根据香农"一次一密"理论,安全加密要求随机密钥安全分发.随着光通信速率的不断提高,信息加密传输亟需高速密钥分发技术.近年来,研究者不断探索基于经典物理方法的密钥分发技术,以期实现与现有通信网络相兼容的高速密钥分发.目前,主要方法包括光纤激光器参数随机选择、物理不可克隆函数、光纤信道噪声和混沌激光同步等.该文介绍了上述4种方案的基本原理及主要研究进展,指出了混沌激光同步密钥分发方法最具高速率潜力,并分析了这个方案尚需解决的关键科学问题.

基于VCSEL模式跳变产生全光物理随机数

针对当前大多数随机数产生方案结构复杂和体积庞大的问题,文章从理论上提出并仿真论证了一种基于垂直腔面发射激光器(VCSEL)模式跳变直接产生全光物理随机数的技术方案。通过方波调制信号周期性重启工作在双稳区域的VCSEL,并利用自发辐射噪声平衡两个偏振模式出射的不对称,可以直接实现随机数的产生。仿真结果表明,该方法可以直接产生速率为2.5 Gbit/s且随机性得到验证的物理随机数。该方案主要包含一个VCSEL,结构简单,为随机数发生器的光子集成问题提供了新的解决方案。

噪声光注入分布式布拉格反射型激光器的混沌动力学特性

研究了由噪声光驱动的分布式布拉格反射型(DBR)激光器的混沌动力学特性,观察到在边模注入时DBR激光器产生的混沌。研究了注入强度与频率失谐对混沌带宽和关联维度的影响。结果表明,噪声光在光谱边模注入时,DBR激光器也可产生混沌,且混沌信号的低频频谱平坦。其关联维度的平均值为1.86,维度的波动为±0.36,且混沌信号受注入噪声光的影响程度低。

垂直腔面发射激光器的混沌同步恢复时间研究

利用半导体激光器的混沌同步有望实现高速物理随机密钥分发,然而激光器的混沌同步恢复时间限制密钥分发的速率。为此数值研究垂直腔面发射激光器(VCSEL)在开环注入锁定同步系统中,影响混沌同步恢复时间的因素。模拟结果表明,可以通过三种途径缩短混沌同步恢复时间,增加激光器的偏置电流、微分增益系数,或减小光子、载流子寿命来缩短弛豫振荡周期;减小线宽增强因子来减小激光混沌的复杂度;增加注入强度、减小频率失谐来实现强注入锁定。研究结果对提高基于混沌激光同步的密钥分发速率具有理论借鉴的意义。

级联啁啾光纤光栅反馈激光器产生宽带无时延混沌激光

提出并实验验证一种级联啁啾光纤光栅反馈半导体激光器产生宽带、无时延混沌激光的方法。在该方法中,级联啁啾光纤光栅的高色散引入不规则的外腔模式,破坏了外腔模式谐振,进而消除混沌信号的时延特征。此外,不规则的外腔模式与激光器内部模式拍频,引入了新的高频振荡,进而增强混沌信号的带宽。对比研究了单个与级联啁啾光纤光栅反馈系统中色散光反馈强度、激光器与光栅波长失谐对混沌信号带宽及其时延特征的影响。结果表明,在强反馈、负波长失谐的条件下,级联反馈系统具有更好的带宽增强与时延特征抑制效果,获得了3 dB带宽12 GHz且无时延特征的混沌信号。

光反馈弧边六角微腔激光器的稳态-准周期态切换现象

通过Lang-Kobayashi速率方程发现并研究了光反馈弧边六角微腔激光器的稳态-准周期态切换现象,分析了反馈速率和偏置电流对该切换现象的影响,并通过分岔图分析了此切换现象产生的原因。结果表明,在高偏置电流、长腔反馈情况下,更容易出现稳态-准周期态切换的现象。最后对比分析了该切换现象与其他激光器出现的类似现象的区别。