色散光反馈半导体激光器产生无周期混沌激光

It has been demonstrated that optical chaos has significant applications in many fields such as secure communication, high-speed key generation, and anti-warning radar due to its broadband, sharp and irregular oscillation characteristics. External cavity feedback semiconductor laser is the common source of broadband chaotic light because of its simple configuration and flexible operation (the feedback cavity consists of an external reflecting mirror). However, external cavity feedback semiconductor laser has a serious security flaw. The oscillations in the external cavity generated by linear feedback from the mirror cause the periodicity of the optical chaos. The periodicity can deteriorate randomness of chaotic waveform and disclose the length information of external cavity, thus the chaotic system is in the risk of crack. Increasing cavity number or modulating cavity length can depress the periodicity to a certain extent, but it complicates the system structure. In this project, we propose a novel feedback scheme in which chromatic dispersion components, such as a chirped fiber grating and chromatic dispersion fiber, are utilized as reflector instead of mirror, and the nonlinear feedback caused by feedback light dispersion generates non-period chaotic laser. We will study the nonlinear dynamics and the physical mechanism of the chromatic dispersion feedback semiconductor laser, explore simple and effective feedback schemes and find out the mechanism and rules to depress the oscillations in the external cavity and generate the non-period chaotic laser. It will also provide a complicated and secure chaotic light source for the various chaos-based applications and enrich the original research on the time delay feedback dynamics.

混沌光的宽带、大幅、无规则的振荡特性使其在保密通信、高速密钥产生、反告警雷达等领域具有重要应用价值。外腔反馈半导体激光器，因结构简单、操作灵活（外部反射镜构成反馈外腔）成为最常用的混沌光源。但镜面的线性反馈形成外腔谐振，导致混沌光蕴含周期性。该周期性既恶化混沌波形的随机性，又泄漏了外腔长度信息、降低了混沌系统的安全性。增加反射镜数量、调制外腔长度等方法，可一定程度地抑制周期性，但并未改变外腔谐振的本质，且结构较复杂。 本项目提出一种新型反馈方式，采用色散元件如啁啾光纤光栅、色散光纤等取代反射镜，使反馈光色散，形成非线性反馈，从而产生无周期的混沌激光。项目将研究色散光反馈半导体激光器的动力学特性及物理机理，探寻简单有效的反馈方案，并揭示抑制外腔谐振、产生无周期混沌的机理和规律。本项目的实施可为上述混沌应用领域提供高复杂度、安全、可靠的宽带混沌源，还将丰富并激发时延反馈动力学领域的原创性研究。

混沌光在保密通信、高速密钥产生、反告警雷达等领域具有重要应用价值。外腔反馈半导体激光器，因结构简单、操作灵活成为最常用的混沌光源。但镜面的线性反馈形成外腔谐振，导致混沌光蕴含周期性。该周期性既恶化混沌波形的随机性，又泄漏了外腔长度信息、降低了混沌系统的安全性。.我们按原定计划开展了研究，并取得了预期的研究成果：对色散元件反馈半导体激光器，探明了无周期混沌的产生范围，揭示了无周期混沌产生的原理；利用色散2000ps/nm、长度10cm的啁啾光纤光栅实验实现了无周期混沌的产生；提出高速物理随机数的产生方案，获得320Gbps物理随机数；提出混沌保密通信密钥空间增强方案，将密钥空间提升2^44倍；提出基于驱动同步的相关密钥抽取方案；提出并验证了抗干扰混沌激光雷达方案。.项目执行过程中，取得的主要成果主要有：发表期刊论文22篇（其中被SCI收录21篇、EI收录21篇）、会议论文6篇；授权国家发明专利27项、授权实用新型专利7项、获软件著作权10项，公开国家发明专利24项；获国家优秀青年科学基金1项、山西省科学技术奖一等奖1 项、教育部技术发明奖二等奖1项、霍英东教育基金会第十六届高等院校青年教师奖三等奖1项、中国专利优秀奖1项、第十八届山西省优秀学术论文二等奖2项；举办国内会议1次，参加国际学术会议13人次、国内会议37人次（其中，特邀报告5人次、口头报告37人次）。此外，在本项目的资助下，先后培养博士5名、硕士6名。.本项目研发的具有自主知识产权的无周期混沌源，解决了外腔反馈混沌弱周期的问题。为保密通信、高速密钥产生、反告警雷达等领域的前沿基础研究和尖端科技提供硬件和技术支撑。