Мультифункціональний оптичний мікрохвильовий генератор на основі монолітного лазера з самозворотним зв’язком

 В роботі запропоновано та експериментально реалізовано монолітно-інтегрований напівпровідниковий лазер, здатний працювати як одночастотний мікрохвильовий генератор або як джерело хаотичного сигналу. Ключовою особливістю пристрою є реалізація самозворотного зв’язку без використання зовнішніх оптичних компонентів – завдяки інтегрованому напівпровідниковому підсилювачу (SOA), який формує зворотній зв’язок всередині чипа.
    Залежно від струмів, прикладених до секцій DFB та SOA, пристрій демонструє широкий спектр динамічних режимів: регулярні осциляції (P-1), хаотичний режим, перехідні стани та стійку одномодову генерацію. Така гнучкість відкриває широкі
перспективи застосування – зокрема, у фотонних генераторах мікрохвильових сигналів (OEO), генерації випадкових чисел, сенсорних системах та криптографії.
    Конструктивно пристрій складається з двох секцій: DFB-лазера (500 мкм) та підсилювача SOA (400 мкм), інтегрованих на одній підкладці. Відображення на межі між секціями забезпечує формування зворотного зв’язку (Рис. 1a–b). Завдяки цьому повністю усунуто потребу в зовнішніх дзеркалах чи волоконних петлях.

Рисунок 1 – Фото лазера (а), схема внутрішньої будови лазера (b)

    Схема експерименту (Рис. 2) містить три канали аналізу: спектральний, часовий та частотний. Режими роботи лазера визначаються спектральними перетвореннями, які виникають при варіації струму DFB за фіксованого струму SOA (Рис. 3a–b). Показано, як пристрій переходить від гармонічного P-1-режиму до хаосу та одномодової генерації.

Рисунок 2 – Експериментальна установка

Рисунок 3 – (а) Експериментальна карта спектральної динаміки інтегрованого лазера з підсиленим зворотним зв’язком при збільшенні струму IDFB за фіксованого ISOA = 100 мА. (b) Деталізований фрагмент карти у діапазоні струму налаштування від 50 до 75 мА.

    Ці режими відповідають різним конфігураціям внутрішнього самозворотного зв’язку і є типовими для лазерів із затриманим зворотним сигналом. Однак у цій роботі вони реалізуються на одному чипі – без потреби в зовнішніх оптичних петлях.

    У P-1 режимі (Рис. 4) спостерігаються чіткі бічні піки з інтервалом 0.1 нм (~12.5 ГГц), що вказує на стабільну мікрохвильову генерацію. У перехідному стані (Рис. 5) зберігається часткова регулярність, але спектр вже втрачає стабільність. При подальшому збільшенні струму SOA лазер входить у хаотичний режим (Рис. 6), де спектр розширюється до 9 ГГц, з характерною відсутністю гармонік.

Рисунок 4 – Еволюційний процес оптичного спектра для лазера з самозворотним зв’язком при зростанні струму IDFB за фіксованого ISOA=110мА.
    Цей режим особливо придатний для використання у фотонних осциляторах (OEO), які перетворюють оптичні сигнали на мікрохвильові без потреби в радіочастотних модуляторах.

Рисунок 5 – Експериментально отримані оптичний та частотний спектри при струмі SOA: (a) і (b) — 67 мА, (c) і (d) — 70 мА відповідно. Чорна крива відображає шум системи як еталон.Рисунок 6 – Експериментально отримані: (a) оптичний спектр та (b) частотний спектр для хаотичного сигналу. Чорна крива слугує еталоном і відображає шум системи.

Рисунок 7 – Експериментальна схема генератора випадкових бітів на основі оптичного віднімання із затримкою. FC — волоконний подільник потоку; DL — волокно із затримкою; ISO — ізолятор; EDFA — волоконний підсилювач, легований ербієм; OBPF — оптичний смуговий фільтр; PD — фотодетектор; OSC — осцилограф реального часу.

Рисунок 8 – (a) Експериментально зафіксована тимчасова форма сигналу від лазера з самозворотним зв’язком у хаотичному режимі.(b) Гістограма розподілу інтенсивності початкового сигналу.(c) Гістограма розподілу після постобробки методом віднімання із затримкою.(d) Імовірнісний розподіл після вилучення трьох молодших бітів (3-LSB). (e) Відповідна автокореляційна (ACF) крива для отриманого потоку бітів.

    Результат – послідовність із рівномірним розподілом та майже нульовою автокореляцією – підтверджує придатність джерела до криптографічного використання. Результати проходження тестів NIST SP 800-22 (Рис. 9) підтверджують придатність згенерованої послідовності для використання як джерела ентропії у криптографічних застосуванняхРисунок 9 – Результати тестів NIST для хаотичного каналу за двома показниками: p-значення та пропорція (кількість успішно пройдених підтестів).