外部扰动下半导体激光器随机阵发混沌态输出的动力学特性及相关应用探索

The optical chaos output of semiconductor laser (SL) has shown potential application prospects in many fields such as high-speed optical secure communications, ultra- high-speed random number generation, high-precision radar, and so on. Currently, related investigations on the optical chaos of SL and its applications were mainly undertaken based on the continuous chaotic state output of SL. In our recent experimental study, we have observed a new type of chaotic signal output of SL, which is named as random intermittent chaos. To our knowledge, no research report has been focused on this phenomenon up to now. The project intends to undertake the following tasks. Firstly, we will conduct preliminary experimental observations on the random intermittent chaos of SL under different external disturbances. Then, we will build related dynamical models suitable for demonstrating the random intermittent chaos of SL under different external disturbances. As a result, we will fumble precisely control experiment schemes of the random intermittent chaos of SL. Finally, we will explore related application directions of SL-based random intermittent chaos in information technology field. By carrying on this project, we hope that we can perform some original research works in fundamental scientific issues of SL-based optical chaos, and explore some possible applications of SL-based random intermittent chaos in the information technology field so as to provide certain key technical support for the development of China's information high-tech field.

基于半导体激光器(SL)的激光混沌已在高速保密光通信、超高速随机码生成、高精度雷达等众多方面展现出诱人的应用前景。目前对SL光混沌本身及其应用方面的相关研究均是基于SL的连续混沌态输出所开展的。在最近的相关实验研究中，我们多次实验观测到SL可实现一类新型的混沌信号输出，我们称之为随机阵发混沌，目前对该现象的研究尚为空白。本项目拟开展如下工作：对不同外部扰动下SL实现随机阵发混沌态输出开展初步实验研究；构建不同外部扰动下SL实现随机阵发混沌输出的相关动力学模型；在此基础上，摸索实验实现SL随机阵发混沌输出的精确调控方案并探索SL随机阵发混沌的相关应用方向。通过本项目的研究，可望在SL光混沌的基础性科学问题上做出一些具有原创性的研究工作，并探索出一些基于SL随机阵发混沌激光在信息技术领域的应用方向，从而为我国信息高技术领域的发展提供若干关键技术支撑。

基于半导体激光器(SLs)的激光(阵发)混沌已在高速保密光通信、超高速随机码生成、高精度雷达等众多方面展现出诱人的应用前景。目前对SLs光(阵发)混沌本身及其应用方面的相关研究尚有许多基础性科学问题亟待解决。本项目完成的主要研究内容及取得的重要结果有：(1) 构建了合理描述不同外部扰动(光注入、光反馈、光电反馈、电流调制等)下不同类型SLs(分布反馈SL、垂直腔面发射激光器、单片集成SL及弱谐振腔法布里-珀罗SL等)的动力学模型；探明了外部扰动下SLs呈现不同动力学状态(稳定态、单周期、倍周期、多周期、注入锁定、双稳、混沌等)的相关物理机理及其与各主要系统参量之间的关联；获得了在不同系统参量空间下外部扰动SLs输出的不同动力学状态分布图谱；(2) 摸索并掌握了使不同外部扰动下不同类型SLs实现(阵发)混沌输出的相关参数设置及实验实现方案；(3) 在上述工作基础上，利用进一步优化获取的(阵发)混沌信号作为熵源，提出并实验验证了不同系统构架下高速物理随机数的获取方案；(4) 提出并理论(或实验)上论证了基于不同外部扰动不同类型SLs的若干实现混沌同步和保密通信的相关方案。通过该项目的实施，在外部扰动下SLs的激光(阵发)混沌动力学的基础研究方面取得了一些突破和进展，在此基础上探索并掌握了相关高速物理随机数获取及光混沌保密通信的实现方案。