損耗調(diào)制型摻鉺光纖環(huán)形激光器混沌現(xiàn)象的實驗研究

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物理學(xué)ACTAPHYSICA

5PS劉 張巍馮雪電子工程系,(2008年9月2日收到2008 月5日收到修改稿了損耗調(diào)制型摻鉺光纖環(huán)形激光器中的混沌現(xiàn)象在單頻損耗調(diào)制型摻鉺光纖環(huán)形激光器中,改變調(diào)制頻率或調(diào)制電壓,觀察到倍周期分岔和陣發(fā)兩種進入混沌途徑的共存現(xiàn)象,與抽運調(diào)制型摻鉺光纖環(huán)形激光器的實驗結(jié)果相一致提出了一種采用兩個正弦信號驅(qū)動的損耗調(diào)制型摻鉺光纖環(huán)形激光器,在調(diào)制信號頻率比近似等于黃金分割數(shù)和白銀分割數(shù)時,增加調(diào)制電壓,發(fā)現(xiàn)激光器通過準(zhǔn)周期途徑進入混沌當(dāng)調(diào)制信號兩頻率比不同時,發(fā)生轉(zhuǎn)變所需的調(diào)制電壓也不同.摻鉺光纖環(huán)形激光器,混沌,倍周期分岔, 1混沌Chaos現(xiàn)象是非線性系統(tǒng)中普遍存在的現(xiàn)象,是確定性非線性系統(tǒng)產(chǎn)生的一種復(fù)雜的類隨為Lorenz為以來,廣大研究者在混沌的理論和實驗研究上投入了巨大的精力,在數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)、氣象學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)、力學(xué)等眾多領(lǐng)域取得了豐富的研究成果,混沌研究已經(jīng)成為非線性科學(xué)的前沿課題之一光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)和激光器中的不穩(wěn)定現(xiàn)象是光學(xué)混沌研究的重要內(nèi)容.激光器屬于非線性系統(tǒng),在一定條件下可以產(chǎn)生混沌現(xiàn)象近年來,激光混沌通信的應(yīng)用引起了人們的關(guān)注,大推動了對激光器混沌行為的研究,摻鉺光纖激光器因其具有較高增益且工作波長位于光纖的低損耗窗口而備受重視摻鉺光纖激光器屬于B類激光器,可用關(guān)于光場和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的速率方程描述其動態(tài)特性它是一個二階自治系統(tǒng),功率或者腔內(nèi)損耗等方法增加系統(tǒng)的自由度,可使激光器1

產(chǎn)生混沌損耗調(diào)制型摻鉺光纖環(huán)形激光器被廣泛用于激光器混沌動力學(xué)行為和混沌同步的研究610,望用于激光混沌通信我們在實驗中發(fā)現(xiàn),損耗調(diào)制型摻鉺光纖環(huán)形激光器可以通過倍周期分岔、陣發(fā)和準(zhǔn)周期這三種途徑進入混沌,這進一用.倍周期分岔與陣發(fā)途徑我們首先研究在單一正弦信號調(diào)制時,隨著調(diào)制頻率和調(diào)制電壓的變化,損耗調(diào)制型摻鉺光纖形激光器產(chǎn)生混沌的途徑.實驗裝置如1所示,其結(jié)構(gòu)是一個典型的Q調(diào)制摻鉺光纖環(huán)形激光器.圖中的摻鉺光纖放大器(EDFA模塊包含一段25m長的摻鉺光纖和一個光器,采用980nm的半

導(dǎo)體激光器做抽運源光纖光柵FBG)的中心波147306光纖光柵2端口相連接環(huán)行器一起構(gòu)成一個帶通濾波器環(huán)行器與器共同決定了振蕩光的傳輸方向激光器內(nèi)對光功率起調(diào)制作是聲光調(diào)制器為了避免由于AOM的移頻反饋作用產(chǎn)生自脈11,我們在腔內(nèi)放置了移頻量相產(chǎn)生正移頻的AOM上加載調(diào)制信號對通過的光功,載調(diào)制信號只起移頻作用AOM的電調(diào)制系數(shù)為調(diào)制信號的幅值與平均值的比,幅值等于峰峰值的一半,平均值就是AOM在調(diào)制工作模式下的直流 58電壓,本實驗中此電壓為438mV保持不變,通過調(diào)整信號的峰峰值來改變調(diào)制系數(shù)PC為偏振控制器,Coupler是耦合比為80∶20的光耦合器.激光器的57m20%端口輸出的光經(jīng)過光電PD83440BOSC,5483AFF的頻譜頻譜分析是在混沌信號特性研究中的常用方法能夠使我們確定激光器的運行狀態(tài). 損耗調(diào)制型摻鉺光纖環(huán)形激光器實驗裝置結(jié)構(gòu)

當(dāng)抽運功率80mW、調(diào)制電壓峰峰值23mV、調(diào)a示,圖是時間序列經(jīng)過變換F所得的頻譜,在頻譜圖中可以清晰地看到調(diào)制信號頻率的二分頻,即產(chǎn)生了倍周期脈沖.在其他參數(shù)不變的情況下隨著調(diào)制頻率的增加,激光器的輸出經(jīng)過兩次期2e的輸出2d)和分別是相應(yīng)的頻g示,呈現(xiàn)出無規(guī)律的脈沖幅度變化,不能分辨出明顯dfh除包含調(diào)制頻率及其諧波分量等少數(shù)尖峰外,出現(xiàn)了顯著提高的連續(xù)性寬帶背景噪聲時域波形和頻譜上的這些特點均符合混沌的特征,上述實驗結(jié)果證明了隨調(diào)制頻率的增加,損耗調(diào)制型摻鉺光纖環(huán)保持抽運功率80mW調(diào)制電壓峰峰值為23圖2隨調(diào)制頻率依次增加,單頻損耗調(diào)制型摻鉺光纖環(huán)形激光器通過倍周期分岔途徑進入混調(diào)制頻率依次為a,b)8052c),e),233g487a,,e,gbdh的工作條件不變,實驗中觀察到激光器隨調(diào)制頻率變化由陣發(fā)途徑進入混3所示的時域

a,c,e,g3b,d,fh的頻譜中,可以看到在頻率增加的過程中,調(diào)制信號的三分頻變得清晰起來,寬帶背景噪聲則大大

這樣的變化過程是可逆的,即降低調(diào)制頻率激光器可以從三倍周期經(jīng)過陣發(fā)途徑進入混沌.在陣發(fā)的區(qū)域內(nèi),突發(fā)的脈沖會打斷序列的周期性3e,而且調(diào)制頻率離開產(chǎn)生穩(wěn)定周期序列的c,3a3可以看出,二倍周期經(jīng)過倍周期分岔產(chǎn)生的混沌5 越等:損耗調(diào)制型摻鉺光纖環(huán)形激光器混沌現(xiàn)象的實驗研 與三倍周期經(jīng)過陣發(fā)產(chǎn)生的混沌是連在一起的圖2與圖3所示的實驗結(jié)果表明,改變調(diào)制頻率,損耗調(diào)制型摻鉺光纖環(huán)形激光器可以通過倍周期分岔和

Luo等人在抽運調(diào)制型摻鉺光纖環(huán)形激光器中觀察到的現(xiàn)象是相似的12.圖3隨調(diào)制頻率的變頻損耗調(diào)制型摻鉺光纖環(huán)形激光器通過陣發(fā)途徑進入混沌調(diào)制頻依次為a,b28003Hz沌c,ega,,,gb,,,圖4改變調(diào)制電壓,單頻損耗調(diào)制型摻鉺光纖環(huán)形激光器通過倍周期分岔與陣發(fā)途徑進入混沌調(diào)制電壓峰峰值依次增加23V,二倍周期8V,四倍周期3V,八倍周期5V,混沌70V,混沌5V,陣發(fā)0V,輕微陣發(fā)95V,三倍周期.以調(diào)制電壓調(diào)制系數(shù)作為控制參數(shù),也可 觀察到與改變調(diào)制頻率產(chǎn)生混沌的相似過程在抽功率為58mW、調(diào)制頻率為13484Hz的條件下,隨著a

圖4e)到所示的過程是可逆的,即激光器可以隨調(diào)制電壓的降低由三倍周期經(jīng)過陣發(fā)途徑進入混沌這樣,通過改變調(diào)制頻率或調(diào)制電壓,我們在損耗調(diào)制型種途徑進入混沌. 58準(zhǔn)周期向混沌的在非線性系統(tǒng)中,當(dāng)存在兩個頻率的競爭作用時,可以出現(xiàn)鎖頻或者準(zhǔn)周期現(xiàn)象13我們發(fā)現(xiàn)通時施加兩個調(diào)制信號,同樣可以觀察到鎖頻和準(zhǔn)周期現(xiàn)象σg=5)2或白銀分割數(shù)σs=21的時候隨著調(diào)制電壓的增加,系統(tǒng)最容易通過準(zhǔn)周期途徑進入混沌.

型摻鉺光纖環(huán)形激光器的實驗裝置結(jié)構(gòu)與1相02nm,不過這對激光器的混沌沒有影響.采用了兩個S參數(shù)取為固定值,f1400Hz,調(diào)制電28mV另一個調(diào)制信號S2)的頻率為f2475Hz或f2156Hz使得兩個信號的頻率f2f1σgσs56分別演示了f2f1σgσsS2調(diào)制電壓圖5調(diào)制信號頻率比近似等于黃金分割數(shù)時,雙頻損耗調(diào)制型摻鉺光纖環(huán)形激光器通過準(zhǔn)周期途徑進入混沌S2的調(diào)制電壓峰峰值依次增加,23V,準(zhǔn)周期,)3V,臨界狀態(tài),57V,混沌,,為時域波形,,d,為相應(yīng)的頻譜5f22475Hzf14000Hz信號的σgS1的調(diào)制電壓峰峰值為28mVS2的調(diào)制電壓較低時激光器的輸出處于5a,5b不僅存在兩個調(diào)制頻率,而且存在兩個調(diào)制頻率的近發(fā)生混沌轉(zhuǎn)變的數(shù)值時,可以看到時間序列的

5c,d中不僅有兩個調(diào)制頻率及其各而且出現(xiàn)了明顯的寬帶背景噪聲.進一步增加調(diào)制電e,5f景噪聲,除調(diào)制頻率本身對應(yīng)的尖峰外,調(diào)制頻率的其他各種頻率組合基本上,這是典型的混沌信號的頻譜6f21656Hzf1400Hz兩個信號的頻率比接近σs保持S1的調(diào)制電壓峰峰28mVS2的調(diào)制電壓也可以觀察到與圖5類似的準(zhǔn)周期到混沌的轉(zhuǎn)變過程,但是達到臨界狀態(tài)和混沌態(tài)的調(diào)制電壓要高于頻率比約等于σg時的值這說明頻率比等于σg時更容易通過準(zhǔn)周期途徑進入在實驗S1的參數(shù)條件不變,改變f2在非鎖頻狀態(tài)的其他頻率比條件下,也可以觀察到激光器隨S2調(diào)制電壓的增加從準(zhǔn)周期到混沌的5 越等:損耗調(diào)制型摻鉺光纖環(huán)形激光器混沌現(xiàn)象的實驗研 6調(diào)制信號頻率比近似等于白銀分割數(shù)時,雙頻損耗調(diào)制型摻鉺光纖環(huán)S的調(diào)制電壓峰ac),eac,,d,轉(zhuǎn)變過程,但是通過比較發(fā)現(xiàn)頻率比等于σg時進入混沌所需的調(diào)制電壓最小.Alexander等人在抽運調(diào)制的自脈動摻鉺光纖激光器中觀察到鎖頻現(xiàn)象和準(zhǔn)周期到混沌的轉(zhuǎn)變過1,15.本文首次建立了雙頻損耗調(diào)制型摻鉺光纖環(huán)形激光器,觀察到了準(zhǔn)周期到混沌的轉(zhuǎn)變過程以及頻率比不同時混沌轉(zhuǎn)變條件不同的現(xiàn)象.實驗中調(diào)制器驅(qū)動信號電壓的最大峰峰值為85mV,直流偏置為438mV10%以內(nèi)就可以觀察到激光器通過準(zhǔn)周期進入混沌的現(xiàn)象,實驗中還狀態(tài).

我們了單頻損耗調(diào)制型摻鉺光纖環(huán)形激光器中實驗觀察到隨調(diào)制參數(shù)變化的倍周期分岔、陣發(fā)和混沌行為,這與已的抽運調(diào)制型摻鉺光纖激光器的實驗結(jié)果一致在雙頻損耗調(diào)制型摻鉺光混沌行為對損耗調(diào)制型摻鉺光纖環(huán)形激光器混沌行為的研究,有助于更深入地了解該類激光器的工作特性,并推動摻鉺光纖激光器在混沌通信中[ WesCO99Dynamicsoflasers(Wenhe[ ZhangHJ997OpticalChaosShaghaSc.andTech.Edu

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