撰稿 |邓禹（上海科技大学）
说明 |本文来自论文作者（课题组）投稿
“混沌”是自然界中一种普遍存在的现象，混沌系统对初始条件具有高度敏感的依赖性，不可长期预测。为大众所熟知的“蝴蝶效应”就是指混沌行为，它由美国气象学家Edward Lorenz在1963年发现，这也是混沌理论的起源。1975年，德国物理学家Hermann Haken首次发现了混沌与激光之间的联系。此后，激光混沌引起了科研人员的广泛关注和深入研究。半导体激光器由于具有高带宽、结构紧凑、易于控制等特点，成为研究激光混沌的理想平台。基于半导体激光器的激光混沌在保密光通信、高速物理随机数发生器、混沌激光雷达以及储备池计算等领域有极为重要的应用价值。然而，目前激光混沌源的工作波长绝大多数集中于近红外波段，这限制了混沌在其它光谱波段的应用。因此，迫切需要开发其他波段的激光混沌源并扩展其应用领域。
中红外宽带超混沌激光源
近日，来自上海科技大学的王成教授团队及其合作者基于带间级联激光器开发了中红外宽带超混沌激光源，该研究工作发表在国际顶尖光学期刊Light:Science & Applications。
带间级联激光器是中红外波段最重要的激光源之一，由美国University ofOklahoma的杨瑞青教授在90年代发明。相对于量子级联激光器，其具有能耗低的优势，因此装载在“好奇号“火星车上探测火星的甲烷气体。独立运转的带间级联激光器并不能产生激光混沌。上海科技大学的研究团队采用一种叫做光反馈的技术对带间级联激光器进行扰动，即使用一面反射镜将激光器输出的光重新耦合到激光器内部。在适当的控制条件下，研究团队成功触发带间级联激光器产生激光超混沌。
如图1a所示，随着光反馈强度的增加，带间级联激光器首先从连续波输出变化为周期振荡波输出。随着光反馈强度进一步增加，带间级联激光器最终产生激光混沌。图1b的分岔图完整的展示了激光器的动力学行为演化过程。Lyapunov谱线是衡量混沌复杂度的一个重要指标。混沌系统的Lyapunov 谱线中至少具有一个正值的Lyapunov指数，而具有两个或以上正值的系统称之为超混沌系统。相比一般的混沌系统，超混沌系统具有高维的复杂度，是确保通信系统保密性的必要指标。图2中的Lyapunov谱线分析表明，带间级联激光器产生的混沌具有三个正值的Lyapunov指数，因而属于超混沌激光源。另外，该中红外超混沌源具有宽带特性，其频谱覆盖范围高达GHz量级。研究团队还发现，带间级联激光器在较大的控制参数空间内均能够稳定的产生宽带混沌。实验在不同泵浦电流条件下、不同反馈强度和反馈长度条件下、以及单纵模和多纵模激光器中均验证了超混沌激光的产生。
图1：（a）带间级联激光器在不同反馈强度条件下的时序波形；（b）激光器动力学演化过程的分叉图。
图2：带间级联激光器超混沌的Lyapunov谱线图。
前景展望
中红外波段存在两个低损耗的大气通信窗口（3‒5 μm和8‒12 μm）。因此，相比于近红外激光，同等条件下中红外激光能够进行远距离的传输。预期中红外宽带超混沌激光源有望应用于长距离保密光通信和远程混沌激光雷达等领域。
该研究成果以"Mid-infrared hyperchaos of interband cascade lasers"为题在线发表在Light: Science & Applications。
Deng, Y., Fan, ZF., Zhao, BB. et al. Mid-infrared hyperchaos of interband cascade lasers. Light Sci Appl 11, 7 (2022).
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