半导体激光器系统输出混沌激光研究进展

匡尚奇，郭祥帅，冯玉玲，李博涵，张依宁，于 萍，庞 爽

（长春理工大学 理学院，吉林 长春130022）

1 引 言

从1960年出现激光以来，激光输出的不稳定性就是令人头疼的难题。许多科研工作者为了使激光能够稳定输出进行了大量的研究，并发现这种不稳定性来源于激光器内部介质的非线性效应。1961年，Maiman在报告中对这种激光输出的不稳定性进行了第一次观察，这种现象现在被认为是混沌效应[1]。1963年，美国的Lorenz在天气预报的研究背景下，通过深入研究提出了混沌的概念，并用来解释这一种激光输出的不稳定性[2]。此后在气体激光器[3]、半导体激光器[4]、光纤激光器[5]中都发现了混沌现象。

在所有可产生混沌激光的激光器中，半导体激光器由于其自身具有体积小、价格低、能耗低和寿命长等优点，成为应用最为广泛的激光器[6]。1980年，Lang和Kobayashi建立了带光反馈的半导体激光器的理论模型与动力学方程[7]，对此后混沌的研究产生了深远的影响，成为混沌激光研究道路上的重要里程碑。同时受混沌激光研究的启发，相应的各项理论也相继得到完善。

半导体激光器在施加外部扰动的情况下，会输出具有非线性动力学行为的混沌激光。施加外部扰动的方式主要有3种，分别为光反馈[8]、光注入[9]和光电反馈[10]。光反馈与光注入同属于全光结构，即将本身激光或其他激光器发出的激光作为扰动激光，产生非线性动态。光电反馈则是通过电信号进行调制产生一种类似全光结构的非线性动态。

混沌激光具有类噪声的随机特性、宽带平坦的频谱和优良的抗干扰性等优点，使得混沌激光被广泛应用在混沌激光雷达[11]、混沌激光通讯[12]、混沌检测[13]等领域。但是，光反馈半导体激光器通过外部扰动输出混沌激光，而外部扰动的腔长会引发外部谐振频率，使产生的混沌激光具有一定的周期性，导致混沌激光存在明显的延时。外在表现为自相关等评价函数会在延时时间及其整数倍处发现延时特征峰值，同时光反馈半导体激光器具有信号带宽窄等缺点，影响混沌激光的应用[14]。各国的科研人员通过对半导体激光器系统结构的改进和参数范围的选择等方法来改善混沌激光的性能，增强了混沌激光在各领域的应用。

本文结合国内外对于混沌激光器系统内部参数的研究和半导体激光器系统构造的改进等实现混沌激光性能的优化，重点阐述延时特性的抑制与带宽的增强、同步性能的提升等混沌激光的一些问题。

2 混沌激光性能的优化

光反馈半导体激光器系统虽然结构简单，但具有延时特性与信号带宽窄的缺点。各国科研人员针对这些问题进行了研究，对混沌激光性能进行优化，进而提升混沌激光的应用价值。目前，评价混沌激光性能的指标有自相关函数（Autocorrelation Function,ACF）[15]、延迟互信息函数（Delayed Mutual Information,DMI）[15]、排 列 熵（Permutation Eneropy,PE）[16]、标准带宽[17]与有效带宽[18]和李普诺夫指数(Lyapunov exponent,LPE)[19]等。

2.1 单个激光器输出混沌激光性能的提升

半导体激光器系统多个参数都可以对混沌激光的性能产生影响，目前主要通过调节注入电流、反馈强度、线性增宽因子、延迟时间等参数对混沌激光性能进行优化，以及通过改变光反馈结构的方式改善混沌激光的性能。

（1）对于单个激光器参数进行改进

2007年，法国乔治亚理工学院的D.Rontani[20]等人通过数值模拟的方式，发现合理调节反馈强度的参数范围值可以使外腔半导体激光器（external-cavity lasers,ECLS）所发出的混沌激光的延时特性被抑制。自此激光系统参数与混沌激光性能之间的关系引起科研人员的关注。法国的乔治亚理工学院[21]、日本的静冈大学[22]、国内的太原理工大学[23]等众多高校针对单光反馈系统参数对混沌激光性能的影响问题进行了系列研究且取得很多成果。

（2）在系统内增加光电器件提升性能

通过在半导体激光器系统内添加光电器件增加半导体激光器系统的复杂程度，可对输出的混沌激光进行优化。长春理工大学研究小组将相位调制器引入双光反馈系统，通过调整相位调制器的调制深度对混沌激光性能进行优化[24]。通过任意波发生器驱动相位调制器，当调制深度变大时，通过增加反馈光的相位变化从而降低延时特性。在相同参数的情况下，通过与双光反馈、单相位调制光反馈的激光器系统进行比较，发现双光反馈双相位调制激光器系统对TDS的抑制情况比其他两种方案都要好。通过对双光反馈双相位调制的激光器系统的参数进行优化发现在对TDS抑制的同时可以增大混沌激光的带宽。

单一的光电器件对混沌激光优化有限，为进一步优化混沌激光，科研人员尝试将两种光电器件相结合对混沌激光进行优化。电子科技大学的江宁等人将系统输出的光信号转变为电信号用于驱动相位调制器，并结合马赫曾德尔干涉仪对混沌激光性能进行优化[25]。在实验与数值模拟中，该方案与相同参数的单光反馈、相位调制单反馈等方案相比，带宽与TDS的抑制情况更好。通过改变参数值发现提出的方案在相位调制与马赫曾德尔干涉仪的共同作用下延迟特征峰的最大值一直小于0.2，将混沌激光的延时特性较好地隐藏，在抑制延时特性的同时该方案也可以增加混沌激光的复杂性，进而提高混沌激光的应用价值。

（3）改变反馈腔结构使混沌激光性能提升

通过改变反馈腔结构，可以避免光电元件的加入，从而减少系统的复杂程度，进而只需考虑光与反馈腔之间的关系，以此来优化混沌激光。Song-Sui Li等人为了简化激光系统的结构提出了使用光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）代替激光器系统的反射镜[26]。这种通过改变光反馈腔结构的方法属于滤波的一种光反馈模式，避免了在激光系统内再引入一个滤波器，降低了半导体激光器系统的复杂程度。当半导体激光器系统参数相同时，通过数值仿真与实验结果进行对比，FBG反馈效果最好时对TDS的抑制是反射镜的10倍，证明了FBG反馈对于TDS有良好的抑制效果。

加拿大渥太华大学的XiaoYi Bao等人认为FBG易受外部环境的干扰，会影响到失谐频率，降低对TDS的抑制，于是进一步提出了使用飞秒激光制造的光纤随机光栅代替反射镜进行反馈来抑制混沌激光的延时特性，其半导体激光系统配置如图1(a)所示[27]，通过数值模拟与实验发现：与FBG反馈相比使用光纤随机光栅具有更大的优越性。利用光纤随机光栅不规则的外腔削弱由外腔引起的延时特性。但是光纤随机光栅内的主双折射轴不同，如图1（b）（彩图见期刊电子版）所示，进入光纤的光的偏振态会影响到对延时特性的抑制效果。

图1 (a)采用随机分布光栅反馈装置示意图；(b)在光纤随机光栅中不同偏振情况下TDS的值随反馈比的变化[27]Fig.1(a)Schematic diagram of a device receiving feedback from a randomly distributed grating;(b)TDS values varying with the feedback ratio under different polarizations in FBG[27]

带宽的平坦度对混沌激光的随机性和随机位元分布的对称性都有影响，也是很重要的一个衡量指标。英国班戈大学的Yanhua Hong等人提出使用一种低成本的垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL）和半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier,SOA）在光纤环形谐振器中产生平坦宽带混沌[28]，并进行了实验研究。实验结果表明，混沌激光的带宽对频率失谐与SOA的偏置电流十分敏感，可以通过其对混沌激光的带宽进行优化。该方案通过调节系统参数可以增强混沌激光的平坦度，并在增强平坦度的同时降低了研发的成本，具有较好的应用价值。

（4）外部器件通过对信号处理增加混沌激光性能

通过对混沌信号进行处理可以优化混沌激光并降低半导体激光系统的复杂程度，Fan-Yi Lin等人提出对单频振荡的混沌信号进行电外差处理[29]，达到对混沌激光优化的目的。江宁等人则提出通过由相位控制器与色散单元组成的光学时间透镜对半导体激光器系统输出的混沌激光进行处理，该半导体激光系统如图2(a)所示[30]，使用混合的正弦信号驱动相位调制器来降低相位的周期性。通过调整相位控制器与色散单元内的色散系数破坏由外腔产生的弱周期性，从而降低混沌激光中的TDS并得到了平坦的带宽，同时光学时间透镜的扩频效应使得带宽得以增加。如图2（b）所示，当相位调制指数较大时可以在抑制TDS的同时得到较大的带宽，增强了混沌激光的应用价值。

图2 (a)光学时间透镜处理混沌激光装置示意图；(b)光学时间透镜模块输出混沌信号的有效带宽与相位调制指数的关系[30]Fig.2(a)Schematic diagram of the device using optical time lens to process chaotic laser device;(b)efficient bandwidth of the chaotic signal outputted by the optical time lens module versus the phase modulation index[30]

对单激光器系统可以通过调节参数、改变光反馈腔结构、使用光电器件等方式增强混沌激光性能的相关方案如表1所示。虽然经过各国科研人员的努力，单个激光器输出混沌激光的性能得到较好的改善，但是扰动方式单一，外腔对于混沌激光系统的影响仍较为明显，所以科研人员尝试通过多个激光器组成激光系统对混沌激光性能进行优化。

表1 单激光器混沌激光性能优化Tab.1 Optimization of chaos in the laser system

2.2 多个激光器组成的系统产生混沌激光性能的提升

多个激光器构成的激光系统相比于单个激光器系统增加了外腔的复杂性，具有更大的优化空间。多个激光器构成的激光器系统可以采用光注入与多种扰动相结合的方式对混沌激光进行优化，同时注入强度、多个激光器之间的失谐频率与多个激光器内的内部参数可以作为系统参数对混沌激光进行优化。

（1）通过调节系统参数改进性能

多个激光器组成的激光系统增加了激光系统的复杂程度而便于对激光性能进行优化。解放军信息工程大学张胜海等人于2016年提出了一种外腔半导体激光器受到外部混沌光注入的方案[31]，以此提高信息的传输速率与安全性。调节激光系统参数后，混沌信号的带宽是原始混沌信号带宽的5倍，增加了混沌激光在通讯领域的信息传输速率，进一步说明了通过改变参数可极大地改善混沌激光的性能。张明江等人认为在考虑带宽增强的同时也要考虑带宽的平坦度[32]，提出两个激光器之间进行互注入来产生宽带激光，并通过实验比较了两个激光器自由运行的效果，发现互注入系统可以产生带宽较高且平坦的混沌激光，并通过调节系统参数可进一步优化混沌激光的带宽和平坦度。激光互注入的方法较为简单且易于操作，该方案进一步增加了混沌激光的应用潜力。

多数科研人员利用带宽和自相关函数衡量混沌激光的性能，但对各性能之间的关系研究较少。Kazutaka Kanno等人通过调节相关参数，研究具有延时光反馈的混沌半导体激光器内的带宽与自相关性、李雅普诺夫指数的关系[33]，指出在相同的参数范围内较高的李雅普诺夫指数对应较低的自相关函数延时峰值，李雅普诺夫指数虽然与带宽宽度没有直接的联系，但是李雅普诺夫指数却与混沌激光的带宽平坦度有直接关系，这是因为频谱可以直接由自相关函数的时间波形转换求得。

（2）改变反馈腔结构使混沌激光性能提升

单光反馈的半导体激光系统是输出混沌激光最简单的结构，通过更改光反馈结构及通过和其他扰动方式相结合可以对混沌激光的性能进行优化。PengHua Mu等人[34]在普通的光注入-光反馈系统中的反射镜反馈更改为相位共轭反馈，通过改变线宽增强因子(linewidth-enhancement factor,α)、增益饱和系数(gain saturation coefficient,ε)对混沌激光的性能进行研究。通过研究反馈系数、注入系数与α、ε之间的关系发现在高α与低ε的情况下对于TDS的抑制较为明显，研究α、ε和Δf之间的关系发现，当|Δf|<10时，对TDS的隐藏效果较差，这一结果证明在设计激光器时可以通过更改激光器的α值对TDS进行抑制。

半导体激光器系统固定的外腔是导致混沌激光的TDS的主要原因。张明江等人利用单模光纤(Single-Mode Fiber,SMF)[35]代替反射镜，从而通过一个可变的反馈时间延迟来避免固定延迟时间对混沌激光的影响。半导体激光系统如图3(a)所示，SMF提供布里渊散射与瑞利散射，从而避免了系统中固定的外腔，降低了由外腔引起的TDS。但是如图3(b)(彩图见期刊电子版)所示，散射反馈方案基于固定光反馈技术，所以在短距离内仍有较高的相关系数，在长距离信息传输中受散射反馈的影响具有较低的相关系数，因此该方案适用于长距离的信号传递。

图3 (a)具有光注入的散射反馈半导体激光器系统装置示意图；(b)外腔反馈延迟的相关系数与光纤长度的关系（蓝线），红线表示混沌光信号本身的相关噪底[35]Fig.3(a)Schematic diagram of a scattering feedback semiconductor laser system with light injection;(b)correlation coefficient at the external cavity feedback delay as a function of the fiber length,which is represented by the blue line, the red line represents the correlation noise floor of the chaotic light signal itself[35]

（3）使用外部光电器件改进混沌激光性能

通过对多个激光器系统添加光电器件来增强半导体激光器系统的复杂程度，可以进一步增强混沌激光的性能。电子科技大学的江宁等人提出了将高速相位调制器应用在混沌激光优化中[36]。当调制频率大于25 GHz时，强度时间序列TDS可以显著地被抑制，相位调制频率对于相位时间序列的TDS效果更显著，较小的调制频率也可以很好地抑制相位时间序列的TDS。使用较高的调制频率可以在对TDS进行抑制的同时增加混沌激光的复杂性。相位调制器的加入避免了高速调制过程中泄密的风险，从而保证了激光系统在通讯方面的安全性。

主从激光系统通常都是考虑光注入与光反馈的结合，而对光电反馈在主从激光系统内的作用研究较少，长春理工大学研究小组通过对前人的技术进行总结，在光注入-光反馈主从激光系统的基础上提出光注入-光电反馈主从激光系统[37]，发现当主激光器内产生的混沌激光TDS得到很好抑制时可以对从激光器所产生的混沌激光的TDS产生更好的抑制。同时，该团队还研究了注入强度、反馈强度、抽运因子对于从激光器的影响，通过优化这些参数抑制TDS的同时，增加了激光带宽，使混沌激光的性能更加优越。进一步研究光电器件对混沌激光性能影响时发现，滤波器参数对于混沌激光的影响研究较少。长春理工大学研究小组在以往研究基础上提出将光反馈激光系统输出的混沌激光注入到双路滤波反馈半导体系统中，构成具有外部反馈的双路滤波系统，其半导体激光系统如图4(a)所示[38]，在调节激光系统参数之外将滤波器的带宽引入了参数调节中，研究发现通过调节滤波器的带宽可以对混沌激光的延时特性产生抑制效果，如图4(b)所示。

图4 (a)具有外光注入的双路光反馈的半导体激光系统装置示意图；(b)两种系统输出混沌激光的延时特征值随滤波器带宽的变化[38]Fig.4(a)Schematic diagram of a semiconductor laser system with dual optical feedback under external light injection;(b)the time delay characteristic values varying with the filter bandwidth in the two systems[38]

表2 对多个激光器组成的系统优化混沌激光进行了总结，混沌激光性能优化使得混沌激光在通讯和激光雷达等应用得以加强，但混沌激光的多个优化目标的优化方向是不一致，常常会出现当一个目标朝向好的方向优化，另一个优化目标却劣化。这有待进一步的研究。

表2 多个激光器系统输出混沌激光性能优化Tab.2 Optimization of chaos in systems composed of multiple lasers

3 混沌同步系统的优化

混沌同步可以使多个混沌系统的时间运动轨迹保持一致,现在主要研究的有广义同步和滞后同步等。20世纪90年代，美国的Pecore和Carroll在电路系统中首次发现了混沌同步现象[39]，后来在激光系统内也实现混沌激光同步，混沌激光的同步性是指半导体激光器系统内各个激光器发出混沌激光的一致程度，混沌激光的同步性是混沌保密通讯的关键。

3.1 优化半导体激光器系统提升同步性

自混沌同步现象被发现以来，各国科研工作者都对它产生了极大的兴趣。混沌激光同步对于发送方与接收方的激光系统内部匹配程度要求较高。Zexin Kang等人[40]采用Xinlun Cai[41]等人提出的模型继续研究，装置如图5(a)所示，通过对多个参数进行小范围的失谐，并使用互相关函数来验证参数失谐对于同步性能的影响，结果如图5(b)(彩图见期刊电子版)所示。研究发现小范围内的参数失谐不会影响到高质量的混沌同步。

图5 (a)使用多模式SRL的基于光学混沌的同步和通信的示意图；(b)相关系数与相对失配率Δ的关系[39]Fig.5(a)Schematic diagram for optical chaos-based synchronization and communication using multimode SRL;(b)correlation index as a function of the relative mismatch ration Δ[39]

为了降低研究成本，VCSELS激光器被引进到混沌同步的研究中。西南大学的夏光琼等人[42]通过对有外腔反馈的主激光器和对保偏光注入的从激光器组成的主从激光系统进行了研究，使用互相关函数来衡量激光器内部参数的不匹配与激光器之间的滞后时间对于同步性能的影响。数值模拟结果表明，由于系统参数不匹配，累计使得从激光器落后于主激光器耦合时间时，通过合理地调整激光器参数可以保持预期的同步效果，同时发现当延时时间大于耦合时间时仍可以通过从激光器来预期主激光器的状态。

Hanping Hu等人提出了一种电光混沌系统的同步方案，可以实现自适应控制[43]。该方案对具有部分参数不匹配的电光混沌系统，采用数值模拟的方法进行研究。结果表明，其方案可以改善混沌激光的同步性，但对系统内参数不匹配程度容忍性差，即适用性较小。Ahmad K. Ahmad等人则首次采用不同幅度的白噪声做为控制参数对混沌同步进行优化[44]，并发现混沌同步性能会受到白噪声功率的影响，这也为以后的研究工作提供了一种新的思路。

以往的研究很少考虑同步性与其它性能之间的关系。西南交通大学的Lei Yang等人认为混沌激光的同步性与其他性能有一定的关联[45]，通过外腔半导体激光器产生混沌激光的发送方与闭环反馈的接收方构成一个系统，采用数值模拟的方式对混沌激光的混沌程度与同步性之间关系进行研究，同时改变系统参数。研究发现混沌激光的同步性能与混沌激光的混沌程度有关，即较高的复杂性会导致较低的同步性。

3.2 降低混沌激光对相位的灵敏性

全光系统的延迟时间往往都会大于系统内部的驰豫振荡周期，这是因为其具有较长的外部腔体。较长的外部腔体易于操作但易受到温度等外在条件的干扰，较短的外腔体可以降低由于外部条件所产生的不稳定性，光学集成电路(Photonic Integrated Circuits，PICS)是具有较短外腔体的比较优越的结构。为了了解短腔与长腔在混沌同步上的差异，并将其应用在通讯领域中，Atsushi Uchida等人特制了一种PICS，通过使用随机相位调制光对两个特制的PICS进行同步诱导[46]，并利用开环结构与闭环结构来研究两个PICS之间的同步性。与长腔不同的是，在短腔半导体激光器系统内光反馈相位对于频谱的影响十分明显，可以通过光反馈相位对激光的同步程度进行调节，以达到高质量的同步效果。

在短腔结构中，PICS是较为优秀的结构，光学集成是必然趋势，但混沌激光光学集成研究时间较短，存在一定的缺陷且造价较高。为了在较低价格下抑制对相位的敏感性，Fabian Böhm等人提出将光电振荡器(optoelectronic oscillators,OEOS)作为混沌初始信号[47]。由于发送方与接收方的内部参数需要具有较高的匹配程度才能实现同步，利用光电反馈对相位不敏感的特点，使得OEOS比相干反馈系统更加稳定。实验结果证明，在相同带宽的相干反馈下，OEOS可以更快达到同步。同时OEOS组成的系统价格较低，且避免了相位对稳定性的干扰，在保证了高速数据保密性能的同时降低了生产成本。

3.3 同步状态的研究

在混沌激光的同步性能研究过程中，发现激光器之间还存在其他同步机制，如零滞后同步、广义同步、预期同步、滞后同步等。

零滞后同步是滞后同步的一种特殊状态，Shuiying Xiang等人根据大脑内近似树形分层的神经元网络提出由半导体激光器系统构成树形分层网络，并通过数值模拟的方式对这种树形分层网络结构的同步性进行了研究[48]。通过合理调节初始参数的范围，可以得到一个高质量的分层混沌同步。该同步机制与神经元网络的同步具有一定的相似性，后续的研究可进一步揭示生物体内神经元的同步机制。

在滞后同步的研究中，滞后同步的领先者-滞后者交换现象引起了人们的注意。虽然领先者与滞后者关系已经有很多人进行研究，但没有对领先者与滞后者位置互换进行研究，而低频波动(Low-Frequency Fluctuation,LFF)可以很好地观察领先者与滞后者的关系，Kazutaka Kanno等人[49]在局部时间内通过LFF，以失谐频率为变量观察两个激光器，半导体激光器系统如图6(a)所示。研究发现在一定的失谐频率范围内，两个激光器都有一定的概率成为领先者，且会在一定时间内领先者-滞后者两者的位置发生自发交换，结果如图6(b)所示。

图6 (a)具有时滞的互耦合半导体激光器的模型，τ为光的传播延迟时间；(b)实线与虚线分别表示激光器1与激光器2成为局部领先者的概率[49]Fig.6 Model for mutually-coupled semiconductor lasers with a time delay,τ is the propagation delay time of the light;(b)the solid line and the dotted line respectively represent the probability that laser 1 or 2 is locally the leader[49]

4 混沌激光的应用

混沌系统自身具有类噪声的随机特性，使得混沌系统在通讯加密和图像加密[50]领域具有较好的应用。优良的抗干扰性使得混沌系统成为雷达[11]和光学检测[13]等领域的较好的信息源。

4.1 混沌激光雷达

激光雷达已经在军事和民用领域有了广泛应用[51]。但是由于在使用时系统存在一定干扰，使测量结果受到一定的影响，而提高激光雷达的抗干扰性往往成本高昂。混沌激光自身具有自相关、互相关的特性，且具有类δ函数的宽带混沌波形，具有一定的抗干扰性，因此使用混沌激光作为信号源构成混沌激光雷达可以实现高精度的测量与优良的抗干扰性。

混沌激光雷达可以在恶劣环境中实现精确的测量，张明江等人提出采用半导体激光器系统输出的混沌激光作为探测信号，在24 km远距离测量后单目标与双目标的分辨率都可以达到cm量级[11]。Dongzhou Zhong等人[52]利用驱动-响应垂直偏振激光器发出混沌偏振激光实施多目标测距，两种偏振分量作为两种混沌源，通过优化相关参数使分辨率达到mm级，相对误差可以达到2.7%以下。水下各种物质的干扰对激光雷达的性能是很大的考验，王冰洁等人将自由空间反馈半导体激光器输出的混沌信号应用在水下探测，雷达系统如图7(a)所示，图7(b)为雷达的探测结果[53]。结果表明在水下仍可以达到cm级的测量精度与分辨率。混沌激光雷达可以较好地在复杂地域实现高精度的测量，在军事和灾难救援等领域具有较高的研究价值。

图7 (a)激光二极管的三维混沌水下激光雷达系统原理图；(b)清洁水中淹没运动目标的相关迹线[53]Fig.7(a)Schematic setup of the 3D chaos underwater lidar system with a laser diode;(b)correlation traces of a submerged moving target in clean water[53]

4.2 混沌激光通讯

信息安全一直是个很重要的问题，尤其在军事领域和各国首脑之间的机密通话。2016年中国发射了首颗保密通讯卫星“墨子号”，该卫星通过量子密匙分发手段实现了保密通讯。此后各国之间越发关注通讯的安全性，混沌系统自身对初值敏感，且具有类噪声的随机特性、较好的抗干扰性、较广的信号源、较低的价格等优点成为保密通讯信号的最佳选择。

早在1996年，Claudio R等人就使用实验模拟的方法将混沌激光作为信息载体实现了保密通讯。2005年，希腊使用混沌激光对信息加密，并通过商用光纤传输120 km[12]，证明了混沌激光自身优良的信号保密性与传输能力。混沌通讯保密性的关键就在于混沌同步，即在同步的混沌信号中随机生成安全密匙，使得在公众频道中难以重建，进而保障通讯的安全性[54]。混沌保密通讯通常使用光纤传输，但光纤长距离的信号传输存在色散、非线性相位噪声等问题，这些问题严重影响了混沌激光的传输距离和传输质量，使得高速混沌激光的传输距离限制在150 km以内，增加混沌激光在光纤中的传输速率与传输距离也是研究的重点。JunXiang Ke等人通过色散补偿光纤和掺铒光纤放大器对半导体激光器系统产生的混沌激光信号进行放大，并对接收方的数字处理方式进行更改，从而得到30 Gb/s的100 km的信号传输[55]。QiLiang Li等人在双向通讯的基础上提出三方保密通讯[56]，通过使用相同的输出位来保证通讯的安全性，使得即使窃听方知道了同步误差，也无法知道正在发送的比特，因而无法破解，加强了安全性，为多方通讯的安全性提供了保障。

4.3 混沌激光检测

早在20世纪50年代，光学检测技术因具有无创伤性和分辨率高等优点就已应用在人体重要器官或高精度仪器检测等领域[57]。但是，光学检测易受外部的干扰进而降低了测量的精确度。为了降低外部干扰，科研工作者提出把超短脉冲光源应用到光学检测中，为此需要较好的探测器，但这种改进方案提高了检测成本。

杨玲珍将脂肪乳液作为背景物质放入探测物质中，用混沌激光作为探测光源，其探测系统如图8(a)所示[13]，通过计算混沌激光的互相关峰值来确定探测物质的大小与位置，图8(b)为不同物质的互相关峰值，并通过互相关峰值计算物质的衰减系数来对物质进行测量。此外混沌激光还可以应用在脑电图的远距离传输，使得远距离健康监测更加准确[58]。总之，在医学检测中，混沌激光可以较好地抵抗外部的干扰，增加医学检测的精确度，对医学检测有重大的意义。

5 结束语

本文对近几年半导体激光器系统输出混沌激光性能和同步现象的研究进行阐述，对混沌激光的研究与应用具有一定的借鉴价值。半导体混沌激光系统优化重点可分为两大趋势：其一为继续研究半导体激光系统内部参数与混沌激光性能之间的关系，为半导体激光器系统优化混沌激光理清思路，从而输出高性能的混沌激光；其二是进一步加强半导体激光器系统光学集成度，降低外部环境对半导体激光系统的影响，增强混沌激光的实际应用价值。