Light | 数字信号驱动激光器实现长距离混沌同步
近日，广东工业大学王云才教授与西南交通大学闫连山教授课题组提出基于随机数字光信号共同驱动激光器的长距离混沌同步机制，并利用相干光纤通信系统进行了验证实验，实现距离8191 km的混沌同步。避免了传统同步方法中链路损伤的硬件补偿、驱动信号占用信道等问题，与光纤通信系统高度兼容，为骨干网等长距离混沌加密传输奠定了基础。
该研究成果以“Experimental demonstration of 8190-km long-haul semiconductor-laser chaos synchronization induced by digital optical communication signal”为题发表在《Light: Science & Applications》。
研究背景 半导体激光器在光反馈、光注入等外部扰动下可产生宽带混沌振荡，其强度、相位呈现大幅随机波动。特别是，一对结构和参数匹配的激光器在适当耦合方式及条件下可以输出高度相似的混沌波形，实现混沌同步。混沌同步的研究不仅丰富了激光器非线性动力学理论，更是催生了物理层高速加密传输新技术，主要包括混沌保密通信、随机密钥分发等。前者利用混沌激光作为载波，掩藏信息传输；后者利用同步的混沌激光作为物理熵源，从中提取一致随机数作为通信双方共享密钥，用于加密和解密。它们具有硬件加密、高速率、可兼容传统光纤通信系统等特点。例如，欧盟在雅典城域网实现了速率1 Gb/s、距离120 km的混沌保密通信的现场试验。
长距离混沌激光同步一直是研究的关切和挑战。两个混沌源可以通过直接耦合实现主从驱动式同步，也可以在同一个随机光信号注入下实现共同驱动式同步。已报道的驱动信号有混沌光或噪声光等模拟信号。但光纤链路传输过程中的色散、非线性、累积噪声等因素会对驱动信号造成损伤，严重限制了激光器混沌同步的距离。为均衡信号损伤，需要在光纤链路中配置特殊硬件进行色散补偿、低噪声分布式光纤拉曼放大等。这不仅会增加传输系统复杂度，也会增加与现行光纤通信传输线路兼容的难度。此外，模拟驱动信号的传输，需要占据一个波长信道，从而会影响光纤通信的传输容量。
创新研究
本文提出基于随机数字光信号作为共同驱动的长距离激光器混沌同步。原理上，利用传统光纤通信的数字信号作为驱动光，结合光纤通信系统损伤均衡算法，在不改变传输链路的情况下可实现高质量的长距离混沌同步。同时，该方案避免了模拟驱动信号挤占数据传输信道的问题。原理如图1所示，来自通信发射机的随机数字信号被分成两部分。一部分在发射端注入半导体激光器SLA以诱导混沌振荡。另一部分通过光纤链路传输到接收端，并利用光通信的数字信号处理进行数字信号的整形恢复。然后将恢复的数字信号注入到与发射端参数匹配的激光器SLB。通过调节注入参数，实现激光器混沌同步。
图1. 随机数字信号共同驱动半导体激光器混沌同步示意图为了揭示数字信号共同驱动同步的机制和条件，研究了注入参数、误码率对同步质量的影响。图2a和2b显示了注入强度、初始频率失谐（驱动光与激光器未被注入时的中心频率差）的影响。当注入强度大于0.06或频率失谐在−6.25 GHz~2.50 GHz的范围内时，能够实现相关性大于0.9的混沌同步（红色圆点）。此时，驱动光与和被注入的激光器的中心频率差为0（蓝色三角形），表示激光器被驱动光的中心频率锁定。但是激光器光谱边带明显不同于注入的驱动光。这体现在激光混沌输出与驱动信号之间相关性较低，如图2a-2b中灰色方块所示。上述结果表明，该混沌同步的物理机制是，中心频率锁定条件下激光器对驱动信号的一致非线性响应。
图2. (a)注入强度、(b)频率失谐和 (c)数字信号误码率对同步性的影响.图2c显示了不同速率下数字信号传输误码率对同步质量的影响。结果表明，当误码率低于某个临界值时，激光器可以实现高质量混沌同步。信号速率越大，该误码率临界值越大。特别是，当驱动信号速率为16 Gb/s时，临界误码达到前向纠错(FEC)软阈值标准0.02。这意味着，可以采用符号速率不小于16 GHz的光纤通信系统来实现激光器的长距离共驱混沌同步。
图3.长距离混沌同步实验结果。(a) 实验装置图；(b) 16QAM信号传输前后星座图；(c) 时间序列；(d) SLA和SLB强度波形散点图。
最后，我们利用相干光纤通信系统进行实验验证。实验装置如图3a所示，相干光纤传输链路是一个循环光纤环路，单圈长度为630.146 km，用于模拟长距离的直线传输。传输信号为32-GBaud 16-QAM信号。在光纤环路中传输13个周期时，光纤总传输长度约为8191 km，传输前后对应的误码率为0.014（图3b为信号星座图），满足上述误码率条件。将发射端和接收端信号的IT(t)和IR(t) 分别调制连续光的相位，然后注入两个响应激光器，产生了相似的混沌波形（图3c）。如图3d所示，两个激光器混沌波形的散点图呈现出明显线性关系，互相关系数为0.91。这一实验结果证明了利用光纤通信数字信号共驱激光器实现超长距离混沌同步的可行性。
应用与展望
提出了利用随机数字光信号作为共同驱动的激光器长距离混沌同步方法，探明了同步机理和参数条件，并利用相干光通信系统进行了长距离实验验证，获得了同步性0.91、距离8191 km的混沌同步。该方法突破了现有模拟驱动信号的传输距离限制，同时避免了链路损伤的硬件补偿、驱动信号对数据传输信道的挤占等问题。该混沌同步方法有望促进长距离、且与现有光纤通信系统高度兼容的物理层加密技术的发展。
论文信息
Wang, A., Wang, J., Jiang, L. et al. Experimental demonstration of 8190-km long-haul semiconductor-laser chaos synchronization induced by digital optical communication signal. Light Sci Appl 14, 40 (2025).
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