1.2　混沌激光的典型产生方式

目前，混沌激光的典型产生方式包括外腔光反馈[16-19]、外部光注入[20-26]和光电反馈[27-30]等。

1.2.1　外腔光反馈

图1-2所示为外腔光反馈方式的示意图，左侧为半导体激光器的内部示意图，有源光学谐振腔称为内腔，用于控制腔内光子的频率和相位等；右侧为外部光反射镜，用于提供外腔光反馈，激光器出光面与外部光反射镜之间的无源部分称为外腔。激光器输出的单模激光传输至外部光反射镜后，部分输出光原路反射至激光器腔内，对激光器产生扰动，在一定的光反馈范围内激光器表现出非稳态或混沌状态。在此过程中，可以通过调节光反馈强度和外腔长度对混沌状态进行优化。其中，光反馈强度为光反射镜反馈回激光器的光功率与激光器自身输出功率的比值，外腔长度为激光器与光反射镜之间的距离，表现为时间延迟特征。

图1-2　外腔光反馈结构示意图

此外，反馈光除了可以由外部光反射镜提供，还可以由光纤环自反馈、法布里-珀罗（Fabry-Perot，F-P）标准具滤波反馈[19]等方式提供。通过不同的外腔光反馈方式，控制不同的变量使激光器表现出丰富的混沌动力学特性。

1.2.2　外部光注入

外部光注入方式的示意图如图1-3所示，采用两台半导体激光器，将主激光器的输出光单向注入从激光器中。通过外部光注入引入自由度扰动从激光器，控制两台半导体激光器的频率失谐量、注入强度以改变从激光器的非线性动力学状态，从而实现混沌激光的产生。另外，频率失谐量为主从半导体激光器的光学频率的差值，注入强度为主激光器注入从激光器的光功率与从激光器自身输出功率的比值。

目前，研究者们为了进一步优化混沌激光的输出状态，基于外部光注入方式进行了改进。例如，将从激光器的输出光注入外腔光反馈的混沌激光器，从而实现带宽增强；李念强等提出一种级联耦合半导体激光器，由外腔主激光器、一个中间激光器和一个从激光器级联组成，实现时延特征的抑制[24]。

图1-3　外部光注入结构示意图

1.2.3　光电反馈

光电反馈方式示意图如图1-4所示，半导体激光器（laser diode，LD）输出的光信号首先经过光电探测器（photoelectric detector，PD），实现光信号—电信号的转换。然后经过微波放大器的放大后，电信号对LD的驱动电流进行调制扰动。激光器经扰动后，载流子密度和光子数的密度、光场相位均发生了动态改变，表现出非线性动力学特性，进而产生混沌激光。

图1-4　光电反馈结构示意图

光反馈、光注入和光电反馈三种混沌激光产生方式中，光反馈方式和光注入方式采用全光结构。反馈激光和注入激光作为扰动信号直接进入激光器内腔作用于光场，由于半导体激光器对于外部扰动激光的极度敏感性，光反馈方式和光注入方式可以得到丰富的非线性动态。其中，半导体激光器对于外部光扰动的极度敏感性主要有两个原因[31]。其一，对于边发射半导体激光器而言，由于有源区发射端面较低的反射率（通常为10%~30%），外部激光极易进入有源腔产生扰动。而对于面发射半导体激光器而言，虽然它的发射端面有较高的反射率，但是它腔内极少的光子数导致它对于微弱的扰动光同样敏感。其二，半导体激光器通常线宽增强因子较高，这使激光器有源区的载流子和场相位耦合，加剧半导体激光器的非线性状态。光电反馈方式中，输出光被转化为电信号调制驱动电流来影响激光器载流子密度动态，进而通过线宽增强因子和增益分别导致光场相位和光子数密度的动态变化，该方式也能产生类似于光反馈方式和光注入方式的非线性状态[32-35]。然而，为了响应激光器的弛豫振荡、获得复杂的非线性状态，它需要采用大带宽的光电探测器和相关电子器件。对于光反馈和光注入两种混沌激光产生方式，光反馈方式只需要一个半导体激光器，而光注入方式需要两个半导体激光器，同时需要精确地调节激光器的输出波长。另外，光反馈方式产生混沌激光是由于内部弛豫振荡频率和外腔频率之间的动态竞争，外腔模式数量多、并且受光反馈的影响是变化的；而在光注入方式中，注入光来自其他激光器的输出光，是相对稳定的。因此，相对于光注入方式，光反馈方式更容易产生高维的混沌激光，且产生的混沌频谱比较光滑，另外这种方式结构简单、易于操作、成本较低。在基于混沌的安全通信、随机数生成、光纤传感等应用中，光反馈是最常用的方式。