單環(huán)鉺光纖激光器的混沌行為

馮玉玲， 常 峰

(長春理工大學 物理系, 長春 130022)

研究簡報

單環(huán)鉺光纖激光器的混沌行為

馮玉玲， 常 峰

(長春理工大學 物理系, 長春 130022)

利用延時反饋法實驗研究單環(huán)摻鉺光纖激光器的混沌行為, 并利用時間序列和功率譜研究該系統的混沌特性.實驗結果表明： 通過在激光器系統中加入一個光學延時反饋回路, 改變光延時反饋信號的強度和延遲時間可增加該單環(huán)摻鉺光纖激光器系統的自由度； 該單環(huán)摻鉺光纖激光器可通過倍周期分岔途徑產生混沌.

單環(huán)摻鉺光纖激光器； 延時反饋； 混沌產生； 功率譜

由于鉺光纖激光器的輸出光波長處于光纖通信的低損耗窗口, 因而在通信和傳感等領域應用廣泛[1-5].王榮等[6-8]數值研究了雙環(huán)鉺光纖激光器中混沌的控制與同步； 張勝海等[9-12]數值研究了雙環(huán)鉺光纖激光器中超混沌的控制和同步以及混沌同步的鉺光纖激光器在保密通訊中的應用; 顏森林[13]通過調制泵浦光和外部光注入的方法數值研究了雙環(huán)鉺光纖激光器中混沌的控制; 范文華等[14]通過延時反饋的方法數值研究了單環(huán)鉺光纖激光器的動力學行為和混沌同步; 劉越等[15]利用聲光調制器實驗研究了單環(huán)鉺光纖激光器的動力學行為, 并通過雙頻損耗調制方法研究了單環(huán)鉺光纖激光器的頻率鎖定和混沌; 楊玲珍等[16]數值研究了鉺光纖激光器的混沌帶寬; 常峰等[17]利用電光調制器實驗研究了單環(huán)鉺光纖激光器的動力學行為.單環(huán)鉺光纖激光器為B類激光器, 它是二階自治系統.該類激光器系統可通過增加延時和腔損耗等自由度使其產生混沌.本文通過增加一個光學延時反饋回路的方法實驗研究單環(huán)鉺光纖激光器混沌的產生, 并將實驗結果與已有文獻報道的數值結果進行比較.

1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示: 2個耦合器C3和C4(耦合比為50∶50)、延時線D和衰減器OAT2組成光學延時反饋回路; 光探測器PD(帶寬10 GHz)和示波器OSC(美國Tektronix公司, TDS7404型)組成測試部分, 利用PD將光信號轉換為電信號, 利用示波器觀察來自光探測器PD的電信號的時間序列和頻譜; 其余器件組成單環(huán)鉺光纖激光器.該系統的信號光為激光, 其輸出功率和波長分別為20.9 mW和1 550.190 nm; C1和C2為2個耦合器, 耦合比為90∶10; OAT1為衰減器; 2個光學隔離器ISO1和ISO2用于保持光的單向傳輸; 鉺光纖放大器(EDFA, 武漢光迅科技股份有限公司, EDFA-PA-26-2-4-FC/PC型)包含一個半導體激光器(產生980 nm波長的泵浦光)、一個耦合器、一段26 m長的鉺光纖和位于末端的一個光學隔離器, 該鉺光纖放大器輸入光信號的波長和功率分別為1 528～1 563 nm和-40～-10 dBm; 窄帶光纖濾波器的波長為1 547～1 551 nm.

圖1 具有光學延時反饋回路的單環(huán)鉺光纖激光器實驗裝置Fig.1 Experiment setup of erbium-doped fiber single-ring laser with optical delay feedback loop

2 實驗結果與分析

先調節(jié)光學延時反饋信號的延遲時間研究該系統混沌的產生.將衰減器OAT2的衰減保持在5 dB不變的條件下調節(jié)延時線D的長度L, 分別取L=1,5,23,25 m, 通過示波器觀察對應的時間序列和Fourier頻譜, 結果分別如圖2(A)和(B),(C)和(D),(E)和(F),(G)和(H)所示.由圖2(A)可見, 脈沖信號的幅值有一個極大值; 由圖2(B)可見, 存在一些分立的尖峰, 左邊第一個尖峰對應基頻(f0), 后邊的尖峰是其倍頻(nf0), 即圖2(A)和(B)顯示了該單環(huán)鉺光纖激光器系統處于一周期(1P)狀態(tài).由圖2(C)可見, 脈沖信號的幅值有2個極大值; 由圖2(D)可見, 在低頻帶含有圖2(B)所示的尖峰, 并在尖峰中間出現一些明顯的次尖峰, 左邊第一個次尖峰對應分頻(f0/2), 后邊的次尖峰為分頻的倍頻(nf0/2), 即圖2(C)和(D)顯示了該單環(huán)鉺光纖激光器系統處于二周期(2P)狀態(tài).由圖2(E)可見, 脈沖信號的幅值有4個極大值； 由圖2(F)可見, 在低頻帶含有圖2(D)所示的尖峰和次尖峰, 并在2個次尖峰中間出現新的次尖峰, 左邊第一個新的次尖峰對應第二次分頻(f0/4), 后邊新的次尖峰為第二次分頻的倍頻(nf0/4), 即圖2(E)和(F)顯示了該單環(huán)鉺光纖激光器系統處于四周期(4P)狀態(tài).由圖2(G)可見, 脈沖信號的幅值隨機變化, 即非周期變化； 由圖2(H)可見, Fourier頻譜接近連續(xù)譜, 類似寬帶噪聲, 即圖2(G)和(H)顯示了該單環(huán)鉺光纖激光器系統處于混沌狀態(tài).因此, 在保持衰減器OAT2的衰減為5 dB時, 隨著延時線D長度的增加(反饋信號延遲時間增加), 該單環(huán)鉺光纖激光器通過倍周期分岔的途徑進入混沌狀態(tài), 從而實現了混沌的產生.

下面調節(jié)光學延時反饋信號的強度研究該系統混沌的產生.在延時線D的長度L=18 m下, 調節(jié)衰減器OAT2分別取其衰減為23,20,10 dB, 通過示波器觀察對應的時間序列和Fourier頻譜, 結果分別如圖3(A)和(B),(C)和(D)，(E)和(F)所示.由圖3(A)可見, 脈沖信號的幅值有一個極大值; 由圖3(B)可見, 存在一些分立的尖峰, 左邊第一個尖峰對應基頻(f0), 后邊的尖峰為其倍頻(nf0), 即圖3(A)和(B)的狀態(tài)為一周期狀態(tài).由圖3(C)可見, 脈沖信號的幅值有2個極大值； 由圖3(D)可見, 在低頻帶含有圖3(B)所示的尖峰, 并在尖峰中間出現一些明顯的次尖峰, 左邊第一個次尖峰對應分頻(f0/2), 后邊的次尖峰為分頻的倍頻(nf0/2), 即圖3(C)和(D)顯示了該單環(huán)鉺光纖激光器系統處于二周期狀態(tài).由圖3(E)可見, 脈沖信號的幅值隨機變化, 即非周期性變化; 由圖3(F)可見, Fourier頻譜接近連續(xù)譜, 類似寬帶噪聲, 即圖3(E)和(F)的狀態(tài)為混沌狀態(tài).因此, 在保持延時線D的長度L=18 m時, 隨著衰減器OAT2衰減的減小(光學延時反饋信號強度逐漸增加), 該單環(huán)鉺光纖激光器通過倍周期分岔途徑進入混沌狀態(tài), 從而實現了混沌的產生.與文獻[14]數值結果相符.

圖2 延時線D取不同長度對應的時間序列及Fourier頻譜 Fig.2 Time series and the corresponding FFT spectra with the different lengths L of delay line D

圖3 衰減器OAT2衰減取不同值時對應的時間序列和Fourier頻譜Fig.3 Time series and the corresponding FFT spectra with the different attenuation of attenuator OAT2

綜上, 本文通過在單環(huán)鉺光纖激光器中增加一個光學延時反饋回路的方法實驗研究了單環(huán)鉺光纖激光器混沌的產生.結果表明: 當衰減器OAT2的衰減為5 dB時, 隨著延時線D的長度L從1 m增加到25 m(反饋信號延遲時間增加), 實驗觀察到該單環(huán)鉺光纖激光器通過倍周期分岔途徑進入混沌狀態(tài)； 當延時線D的長度L=18 m時, 隨著衰減器OAT2從23 dB衰減到10 dB(光學延時反饋信號強度增加), 實驗觀察到該單環(huán)鉺光纖激光器以倍周期分岔途徑產生混沌, 該實驗結果與文獻[14]的數值結果相符.

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ChaosGeneratedbyErbium-DopedFiberSingle-RingLasers

FENG Yuling, CHANG Feng
(DepartmentofPhysics,ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun130022,China)

The chaotic behaviors generated by an erbium-doped fiber (EDF) single-ring lasers(EDFSRL) were investigated experimentally via the delay feedback method.The chaotic characteristics of this system were studied by observing the time series and power spectrum.An optical delay feedback loop was added in the system.Thus, by changing the intensity and retardation time of the optical delay feedback signal, the freedom of this EDFSRL system was increased.The experimental results indicate that the erbium-doped fiber single-ring laser system can generate chaos through the period-doubling bifurcation route under the experimental conditions selected by us.

erbium-doped fiber single-ring lasers; delay feedback; chaos generation; power spectrum

2014-08-21.

馮玉玲(1965—), 女, 漢族, 博士, 教授, 從事非線性混沌控制與同步的研究, E-mail: FYL0819@aliyun.com.

吉林省自然科學基金(批準號： 20101510)、吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目(批準號： 2012JYT09)和吉林省科技發(fā)展計劃項目(批準號： 20090309).

O415.5

A

1671-5489(2014)06-1316-04

10.13413/j.cnki.jdxblxb.2014.06.40

王 健)