下载文档原格式
年月(上)1引言在光纤通讯系统中,掺铒光纤激光器作为可靠的信号光源具有十分广阔的应用前景,因此对于掺铒光纤激光器混沌控制的研究是十分必要的。
1998年澳大利亚学者L.Luo 等人讨论了低掺杂浓度下,环形掺铒光纤激光器的混沌产生过程,并建立了双环掺铒光纤激光器的动力学方程。
但目前对于双环掺铒光纤激光器混沌和超混沌控制的研究并不多。
本文提出的新方法不依赖于受控系统的参数,只要将周期信号与某变量的一部分耦合,再反馈回原系统中去,就可以实现双环掺铒光纤激光器混沌和超混沌的稳定控制。
2基于变量与周期信号耦合的弱周期微扰法控制双环掺铒光纤激光器混沌的方案1991年Y .Braiman 等人提出的一种控制混沌的方法———弱周期微扰法,其基本思想是给系统某参数加上一个周期性微扰来达到抑制混沌的目的。
有不少学者研究了直接给系统加上一个周期性强迫微扰来控制混沌,但在实际中大都是给系统参数加上一个正弦扰动来实现对混沌的控制。
我们将双环掺铒光纤激光器的某输出变量的一部分与周期信号耦合作为反馈信号,利用定向耦合器将反馈信号反馈回系统中即可控制该方案中描写双环掺铒光纤激光器系统的动力学方程如下:E a =-k a (E a +η0E b +αE a sinwt)+g a E a D a ,(1)E b =-k b (Eb-η0E b )+g b E b D b ,(2)D a =-(1+I pa +E b 2)D a +I pa -1,(3)D b =-(1+I p b +E b 2)D b +I pb -1,(3)其中E a 、E b 分别表示a 环和b 环的激光场强;D a 、D b 分别表示a 环和b 环的反转粒子数;I pd 、I pb 分别表示a 环和b 环的泵浦光强;E 22、E b 2分别表示a 环和b 环的激光光强;K a 、K b 分别表示a 环和b 环的损耗系数;g a 、g b 分别表示a 环和b 环的增益系数;η0代表定向耦合器的耦合系数。
文章编号:025322239(2004)0122924掺铒光纤激光器反相位混沌同步及其编码3颜森林 迟泽英 陈文建(南京理工大学电子工程与光电技术学院,南京210094)摘要: 针对单模双环掺铒光纤激光器具有光耦合相互作用的非线性动力学特点,应用“交叉注入反相位双环对两环主动被动”混沌同步方法,数值模拟实现了两组相互独立的单模单环掺铒光纤激光器激光分别和单模双环掺铒光纤激光器对应环激光混沌同步;提出并数值模拟了具有调制频率1kHz 和15kHz 的正弦信号的双环两环的两路混沌隐藏编码保密通信系统,它们解码质量好,保密性能强,可以很好地应用在混沌多路保密通信中。
关键词: 光纤通信技术;混沌;同步;编码;掺铒光纤激光器;双环中图分类号:TN911:O211161 文献标识码:A 3江苏省教育厅自然科学基金(02K JD510019)资助课题。
E 2mail :senlinyan @收稿日期:2002211201;收到修改稿日期:2003202210Chaos Synchronization Through R everse 2Phase and Its Encodingin Erbium 2Doped Fiber LasersY an Senlin Chi Zeying Chen Wenjian(School of Elect ronic Engi neeri ng a n d Photoelect ronic Tech nology ,Na nji ng U ni versi t y of Scie nce a n d Tech nology ,Na nji ng 210094)(Received 1Novembe r 2002;revised 10Februar y 2003)A bs t r act : A chaotic s ynchronization met hod of t he optical inte rcross 2injecting and reve rse 2p hasebetween dual 2ring and two rings is p resented ,based on t he nonlinear kinetic characte ristic of two lasing fields coupling each ot he r in e rbium 2doped fibe r dual 2ring lase r.Nume ricall y simulations s how t hat t he s ynchronous s ystems wit h two absolute sin gle 2mode e rbium 2doped fibe r single 2ring lase rs and a single 2mode e rbium 2doped fibe r dual 2ring lase r can be chaotic s ynchronization.Two channels of t he chaotic secure communications s ystems of dual 2ring 2two 2rings are p resented and nume rically simulated ,which mas k two sinusoidal f re quencies of 0.5kHz and 10kHz modulated signals.Their encodin g qualit y is ve ry good and securit y is robust.The y can be well applied in multi 2channel chaotic secure communications.K ey w ords : optical fiber communication technology ;chaos ;synchronization ;encoding ;erbium 2doped fiber laser ;dual 2ring1 引 言混沌是普遍存在的一种自然现象,其基本特性是它对初值条件极为敏感,它的变化具有随机特点,它的长期行为是不可以预测的。
ISSN 1000-0054CN 11-2223/N 清华大学学报(自然科学版)J T singh ua Un iv (Sci &Tech ),2009年第49卷第10期2009,V o l.49,N o.10w 13http://qhx bw.chinajo 双频损耗调制型掺铒光纤环形激光器中的锁频与混沌刘 越, 张 巍, 冯 雪, 刘小明(清华大学电子工程系,北京100084)收稿日期:2008-10-07作者简介:刘越(1980—),男(汉),北京,博士研究生。
通讯联系人:张巍,副教授,E-mail:zw ei@mail.ts 摘 要:为了深入分析掺铒光纤激光器的非线性动力学特性,扩大产生混沌的参数范围,实验研究了采用2个正弦信号驱动的损耗调制型掺铒光纤环形激光器。
该激光器在不同的调制参数条件下可产生锁频与混沌现象;随调制电压的增加,在锁频处通过倍周期分岔进入混沌;在非锁频处通过准周期进入混沌。
实验发现频率比不同时由准周期转变为混沌所需调制电压不同,频率比等于黄金分割数时所需调制电压最低。
在频率比保持不变时,该激光器可在不同调制电压比时产生混沌。
结果表明:双频损耗调制型掺铒光纤环形激光器具有复杂的非线性动力学行为和更大的混沌参数空间。
关键词:掺铒光纤环形激光器;混沌;准周期;锁频;倍周期分岔;调制中图分类号:T N 241;O 415.5文献标识码:A文章编号:1000-0054(2009)10-0051-06Frequency locking and chaos in erbium -doped fiber -ring laserswith dual -frequency loss modulationLIU Yu e ,ZHAN G Wei ,FE NG Xue ,LIU Xiaoming (Department of Electronic Engineering ,Tsinghua University ,Beij ing 100084,China )Abstract :Loss-m od ulated er bium-doped fiber-rin g lasers w ith du aldriving sin e signals are experimentally inves tig ated to an alyz e the nonlin ear dynamic ch aracteristics of the erb ium-doped lasers and en lar ge th e parameter range for chaos g eneration.Frequency locking an d chaos w ere obs erved in th es e las ers at the differen t conditions of the modu lation param eters.As th e modulation voltage increased ,the routes to chaos via period -d ou bling bifurcation were dem onstrated in the frequency-locked reg ion s and via quasiperiodicity in th e unlocked regions.T he modulation voltag es for chaos generation w ere found to ch an ge w ith the frequen cy ratio w ith the low est voltage at the frequency ratio equal to the gold mean.Chaos occurs at different values of the modulation voltage ratio w hen the frequency ratio is fixed at certain valu es.T he res ults sh ow that the las ers have complex n onlinear d ynamics and a larger modulation parameter space.Key words :erbium-doped fiber-ring las er;chaos;qu as iperiodicity;frequ ency locking;period -d ou bling b ifur cation ;modulation耗散物理系统中的有序与混沌现象是非线性科学研究中备受关注的课题之一[1-2]。
《基于掺铒(Er3+)光纤混沌激光的Bragg光栅静冰压力传感系统的研究》篇一一、引言随着科技的不断进步，光纤传感技术已成为现代工业、环境监测和生物医学等领域的重要工具。
其中，基于掺铒(Er3+)光纤混沌激光的Bragg光栅静冰压力传感系统，以其高灵敏度、高分辨率和良好的稳定性等优点，受到了广泛的关注。
本文旨在深入探讨该系统的原理、设计、性能及其在静冰压力测量中的应用。
二、掺铒(Er3+)光纤混沌激光的基本原理掺铒光纤激光器是一种利用掺铒光纤中Er3+离子能级跃迁产生激光的光源。
其基本原理是：在泵浦光的激发下，Er3+离子从基态跃迁至激发态，随后通过非辐射跃迁和辐射跃迁的方式释放能量，产生混沌激光。
这种激光具有线宽窄、光谱纯度高、相干性好等优点，为Bragg光栅静冰压力传感系统提供了理想的激光源。
三、Bragg光栅的工作原理及在传感系统中的应用Bragg光栅是一种利用周期性结构对光进行衍射的器件。
其工作原理是：当光波通过Bragg光栅时，由于光栅的周期性结构，使得特定波长的光发生衍射，形成干涉条纹。
通过测量干涉条纹的变化，可以推算出外界物理量的变化。
在静冰压力传感系统中，Bragg光栅被用于感知静冰压力的微小变化，通过测量混沌激光在Bragg光栅中的衍射效应，实现压力的精确测量。
四、系统设计与性能分析本研究所设计的基于掺铒(Er3+)光纤混沌激光的Bragg光栅静冰压力传感系统，主要包括掺铒光纤激光器、Bragg光栅、光电探测器及信号处理电路等部分。
系统通过将混沌激光引入Bragg光栅，利用其衍射效应实现压力的测量。
该系统具有高灵敏度、高分辨率、响应速度快、稳定性好等优点，可实现对静冰压力的精确测量。
五、实验结果与讨论通过实验验证了该系统的性能。
实验结果表明，该系统在静冰压力测量中具有较高的灵敏度和分辨率，能够实现对微小压力变化的精确测量。
同时，该系统还具有良好的稳定性和重复性，为实际应用提供了可靠的保障。
《基于掺铒(Er3+)光纤混沌激光的Bragg光栅静冰压力传感系统的研究》篇一一、引言随着科技的不断进步，对压力传感系统的精度和稳定性要求日益提高。
在众多应用场景中，如海洋工程、石油开采以及环境监测等，静冰压力的监测显得尤为重要。
近年来，基于掺铒(Er3+)光纤混沌激光的Bragg光栅静冰压力传感系统因其高灵敏度、高分辨率和良好的稳定性而备受关注。
本文旨在研究这一系统的原理、设计及其在静冰压力传感中的应用。
二、掺铒光纤混沌激光与Bragg光栅原理1. 掺铒光纤混沌激光原理掺铒光纤激光器是一种利用掺铒光纤作为增益介质的激光器。
其工作原理是通过泵浦光激发Er3+离子，使其在特定波长下产生光放大效应，从而形成激光输出。
混沌激光是激光输出的一种特殊状态，具有宽频带、高复杂度等优点，有利于提高传感系统的性能。
2. Bragg光栅原理Bragg光栅是一种利用光栅效应实现光波调制的器件。
其工作原理是当光波通过光栅时，由于光栅周期性结构对光的干涉作用，会在特定波长处产生反射或透射，从而实现对光的调制和解调。
在压力传感系统中，Bragg光栅可用于测量由于压力变化引起的光纤长度变化，从而推算出压力值。
三、基于掺铒光纤混沌激光的Bragg光栅静冰压力传感系统设计该系统主要由掺铒光纤混沌激光源、Bragg光栅、光纤传输系统及信号处理与显示单元等部分组成。
其中，掺铒光纤混沌激光源提供稳定的激光输出，Bragg光栅用于测量由于静冰压力引起的光纤长度变化，光纤传输系统负责将信号传输至信号处理与显示单元进行数据处理与显示。
四、系统性能分析该系统具有高灵敏度、高分辨率和良好的稳定性等优点。
首先，掺铒光纤混沌激光的宽频带和高复杂度有利于提高传感系统的灵敏度和分辨率；其次，Bragg光栅的高精度测量能力可实现微小长度变化的精确测量；最后，通过优化光纤传输系统和信号处理算法，可进一步提高系统的稳定性和可靠性。
五、实验与结果分析通过实验验证了该系统的有效性。
文章编号:0258 7025(2005)05 064205双环掺铒光纤激光器混沌相移控制方法研究颜森林,何龙庆,吴海勇,王海军,罗 青(南京晓庄学院物理系,南京210017)摘要 提出双环单模掺铒光纤激光器激光混沌相移控制方法以及物理模型,数值计算出该激光器的最大李亚谱诺夫(lyapunov )指数,分析了光耦合器耦合系数对激光由分岔进入混沌的动力学行为的影响。
说明了相移控制器是通过控制电光相位调制器外调制电压来控制相移,从而实现控制激光光场相位以控制偏振耦合效应,最终实现了控制激光混沌动力学行为;单相移混沌控制方法能实时、动态、有效地控制激光混沌到稳定态和周期态;双相移混沌控制方法则可以灵活改变两个相移控制器的相位,也能实时、动态、有效地控制激光混沌到稳定态和周期态,并能进一步产生多种丰富的激光动力学行为现象。
关键词 激光技术;混沌;控制;掺铒光纤激光器;相移中图分类号 T N 25;O 415.5 文献标识码 AStudies on Method of Phase Shift Controlling Chaos for Dual Ring Erbium Doped Fiber LasersYA N Sen lin,H E Long qing,WU Hai yong,WANG Hai jun,LU O Qing(D ep ar tment of P hy s ics ,N anj ing X iaoz huang Co llege ,N anj ing 210017,China)Abstract M et ho d o f chaos co ntr olled by phase shift and it s phy sical model a re presented for dual ring sing le erbium do ped fiber laser s.T he max imum L y apunov ex ponent is numer ically calculated to analyze the effect of the co upler s co upling co efficient o n kinetic behav ior fro m bifur cat ion into chaos in the laser.T he phase shift co ntr oller is ex plained by contro lling ex ternal mo dulat ion vo ltag e of elect ro o pt ical phase mo dulator.T he metho d can adjust the optical field phase to co nt rol the pola rizatio n coupling effect to contr ol laser chao s kinetic behavior.Single phase shift can contro l r eal time dynamically effectively laser chaos into st able st at es and per iodic states.Dual phase shift can also contr ol r eal time dynamically effectively laser chao s into stable states and per iodic stat es by adjusting flex ibly phase shifts o f tw o phase shift contro llers.And it can pro duce a lo t of laser kinet ic phenomena.Key words laser technique;chaos;co ntro l;er bium do ped fiber laser ;phase shift收稿日期:2004 01 06;收到修改稿日期:2004 04 13 基金项目:江苏省教育厅资助项目(04K JD520084)。
作者简介:颜森林(1962 ),男,江苏淮安人,副教授,博士后,主要从事光纤通信系统与技术、光保密通信、光电子器件、激光混沌的研究。
E mail:senliny an@1 引 言混沌是普遍存在的一种自然现象,其基本特性是它对初值条件极为敏感,它的变化具有随机特点,它的长期行为是不可以预测的。
虽然混沌表面上呈现无规律性,但其背后也隐藏着有序的本质特点。
所以人们总是期望找到一些方法来控制混沌,并实现对混沌系统中某个不稳定周期轨道的稳定控制或使其保持在某个希望的平衡态上。
20世纪90年代,Ott,Grebogi,Yorke [1]共同提出混沌控制(OGY)方法后,混沌控制研究迅速发展,自适应控制方法、反馈方法和周期扰动方法等相继被提出并实现了对各种混沌系统以及包括激光混沌系统的控制。
20世纪90年代,掺铒光纤作为新颖的激光光源和光放大器在光纤通信中得到了广泛的应用,人们对掺铒光纤激光器的动力学行为进行了大量的理论和实验研究[2~5]。
由于光纤芯功率密度高且铒离子的亚稳态寿命长达1~10ms,激光器可以由连续工作状态过渡到自脉动或混沌状态[6,7]。
本文则研究光纤激光器混沌的另一个重要方面 混沌控制。
由于双环掺铒光纤激光器具有光偏振耦合的动力学特点,提出双环掺铒光纤激光器激光混沌的相移控制方法,它能有效地把混沌控制到稳定态和周期态上,并可以灵活地改变相移控制器的相移,产生多种丰富的激光动力学现象。
第32卷 第5期2005年5月中 国 激 光CHIN ESE JOU RNA L OF LA SERSVo l.32,N o.5M ay ,20052 模 型双环单模掺铒光纤激光器的非线性动力学行为主要是由两激光场的实部和虚部的正交偏振耦合效应所产生的。
针对这一动力学特性,提出激光混沌相移控制方法,图1是相移控制混沌的原理图。
其中,I pa 和I pb 是抽运光;E a 和E b 分别是a 环和b 环的输出光场;C 0是耦合器,它使激光产生 /2相移;WDM 是波分复用器;PC 1和PC 2是相移控制器,它们分别控制进入耦合器的光场的相移。
例如,相移控制器可以采用目前光纤通信中常用的LiNbO 3晶体,GaAs 晶体,LiTaO 3晶体等电光相位调制器,利用电光效应原理,通过直接控制电光相位调制器的外调制电压,控制输出光场的相移。
这样就建立了受相移控制器控制的双环单模掺铒光纤激光器的非线性归一化方程[6~10]d d tE a =-k a {E a - 0 E b exp[j( /2+ )]}+g a E a D a ,(1)d d tE b =-k b {E b - 0 E a ex p[j( /2+!)]}+g b E b D b ,(2)d d tD a=-(1+I pa +E a 2)D a +I pa -1,(3)d d tD b =-(1+I pb +E b2)D b +I pb -1,(4)其中D a ,D b 分别为两激光器的反转粒子数;k a ,k b 分别为两激光器的损耗系数; 0为光耦合器的耦合系数; 为两相移控制器的插入损耗系数;g a ,g b 分别为两激光器的增益系数; 为PC 1相移控制器产生的相移,!为PC 2相移控制器产生的相移。
通过调制 和!值的大小就可以控制混沌进入稳定态和周期态,以及其他状态。
图1相移控制系统F ig.1P hase shift contro lling scheme3 数值模拟结果光耦合器是影响双环单模掺铒光纤激光器非线性动力学行为特性的主要因素。
系统运动轨道的稳定性通常采用最大李亚谱诺夫(Lyapuno v )指数L E 1来描述,L E 1是诊断系统是否进入混沌的主要参量,如L E 1<0,系统是稳定态,L E 1=0,系统是周期态,L E 1>0,系统是混沌态。
所以这里给出该激光器随光耦合器耦合系数变化的最大李亚谱诺夫指数L E 1,了解该激光器在何耦合系数条件下进入混沌态。
激光器归一化数值取[6~10]:I pa =I pb =4,k a =k b =1000,g a =4800,g b =10500。
现对无相移控制时的方程式(1)~(4)数值计算(即取 =1, =0,!=0),结果见表1。
由表1可见,光耦合器耦合系数决定了系统由分岔进入混沌的动力学行为道路。
当0!∀0!0.05时,L E 1<0,系统是稳定态的;当0.06!∀0!0.07时,L E 1=0,系统是周期态的;当0.08!∀0!0.15以及0.08!∀0!0.15时,L E 1>0,系统是混沌态的。
表1最大李亚谱诺夫指数Table 1Maximum Lyapunov exponent ∀0L E 1∀0LE 1∀0LE 10-22.70.08 4.60.16-0.50.01-18.10.0910.30.17-0.80.02-13.70.1011.00.1811.50.03-9.50.1110.30.1916.20.04-5.80.1211.80.2017.80.05-2.50.1312.10.2117.60.0600.140.150.0700.152.2图2相轨迹和波形Fig.2Phase space orbit and wav eforms当 0=0.2, =0和!=0时的双环单模掺铒光纤激光器的非线性动力学行为如图2所示。
其中,6435期 颜森林等: 双环掺铒光纤激光器混沌相移控制方法研究图2(a)是由(E ai ,E bi )构成的相图(E ai 表示a 环输出激光光场的虚部,E bi 表示b 环输出激光光场的虚部),显示出典型的混沌双涡旋吸引子。
而图2(b)和(c)分别表示E bi 随时间变化的混沌波形。
由于a 环和b 环所取增益系数的值不一样,E ai 和E bi 随时间变化的轨迹是不一样的。
在进行相移控制混沌数值模拟时,控制时间选在1.5ms 时变化 和!数值进行控制混沌。
3.1 单相移控制首先进行单相移控制混沌研究(以下均取 0=0.2和 =0.9),让 =0,仅仅变化!的数值。
图3中的左右两幅图[图3(a)~(c)以及(d)~(f)]表示单相移控制时(!= rad)激光由混沌态被控制到稳定态上的动力学行为过程。
其中,图3(a)以及图3(d)是由(E ai ,E bi )构成的相图,图3(b)和(c)以及(e)与(f)分别是E ai 和E bi 随时间变化的波形。
