短谐振腔分布反馈激光器光学反馈下动力学演变的实验研究及其混沌生成新路径探索

针对半导体激光器混沌带宽限制影响应用性能的问题，研究人员通过实验揭示了短谐振腔分布反馈激光器（SC-DFB）在光学反馈下的动态演化新路径：稳定态（S）→稳定与准周期态（S&QP）切换→准周期态（QP）→混沌态→稳定与混沌态（S&Chaos）切换→反馈锁定。该研究首次在DFB激光器中观察到混沌态退出至反馈锁定的现象，并绘制了反馈强度与偏置电流的动态状态映射，为宽带混沌生成提供了理论指导。

　　

研究背景与意义

半导体激光器产生的混沌光在高速保密通信、物理随机密钥生成和雷达测距等领域具有重要应用。然而，混沌带宽的限制直接影响混沌激光雷达的空间分辨率、光通信传输速率和密钥生成效率。如何生成宽带混沌成为研究热点。传统分布反馈激光器（DFB）通过光学反馈驱动混沌时，通常遵循“稳定态→单周期态→准周期态→混沌态”的演化路径。但短谐振腔DFB激光器（SC-DFB）因其高弛豫振荡频率(f
_ro
)和对外界扰动的高敏感性，可能表现出独特的动态行为，此前尚未被系统研究。

研究方法

广东研究团队通过搭建光学反馈实验系统（图1），使用腔长175 μm的SC-DFB激光器（阈值电流I
_th
=10 mA），在30 mA偏置电流下，逐步调节反馈强度K
_f
，结合光学光谱、功率谱和时间序列分析，动态监测激光器状态演变。通过量化准周期振荡占空比，绘制反馈强度与偏置电流的动态状态映射图。

研究结果

1. 实验装置与基础参数
SC-DFB激光器的自由运行中心波长为1547.8 nm（v
_q
），弛豫振荡频率f
_ro
≈10.3 GHz。

2. 动态演化路径
研究发现SC-DFB激光器呈现全新演化路径：

• 稳定态（S）→S&QP切换：反馈强度增加时，激光器在S与准周期态（QP）间规律切换（图2b-d）；
• QP→混沌态：QP占空比随K
  _f
  增大而增加，最终进入混沌态（图2e）；
• 混沌态→S&Chaos切换→反馈锁定：首次观察到DFB激光器从混沌态经S与混沌态切换后进入反馈锁定（图2f-h）。

3. 参数影响规律

• 准周期振荡占空比与反馈强度呈正相关；
• 动态状态映射显示，高偏置电流下更易触发混沌态（图3）。

结论与意义

该研究首次完整揭示了SC-DFB激光器在光学反馈下的六阶段动态演化路径，突破了传统DFB激光器的四阶段理论框架。发现混沌态退出至反馈锁定的现象为激光器动态控制提供了新思路。通过建立反馈强度与偏置电流的状态映射，为优化混沌带宽和稳定性提供了实验依据。论文发表于《Optics》，对宽带混沌光源设计及激光雷达、保密通信等应用具有重要指导价值。