《Photonics》：LiNbO3:RE3+ (RE = Yb, Ho) Crystals as Radiation-Balanced Laser Materials in Infrared Region
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研究人员提出了一种时间延迟特征抑制的宽带混沌（TSBC）载波生成方案，并理论研究了其在基于同步垂直腔面发射激光器（VCSELs）的双偏振双向混沌通信系统中的性能。该TSBC方案通过结合光纤布拉格光栅（FBG）反馈与外部电光（EO）相位调制环，引入协同非线性扰动
研究人员提出了一种时间延迟特征抑制的宽带混沌（TSBC）载波生成方案，并理论研究了其在基于同步垂直腔面发射激光器（VCSELs）的双偏振双向混沌通信系统中的性能。该TSBC方案通过结合光纤布拉格光栅（FBG）反馈与外部电光（EO）相位调制环，引入协同非线性扰动来实现。结果表明，所提出的TSBC方案能有效抑制时间延迟特征（TDS），使其低于0.03，同时将每个偏振通道的混沌载波带宽显著提升至超过23 GHz。此外，在激光器参数失配约30%的情况下，可实现高质量混沌同步。最终，实验展示了总计46 Gbit/s的双偏振双向混沌传输，证实了TSBC双偏振双向方案在安全光通信应用中的有效性和潜力。
**论文解读文章**
**研究背景与问题**
随着人工智能模型能够检测并利用零日漏洞，上层网络协议的安全受到严重威胁，物理层安全（PLS）在保护未来6G通信及超大规模数据中心互连中的海量数据传输方面变得日益关键。光学混沌通信系统因其对初始条件的极端敏感性、类噪声载波特性以及与全光物理层加密的自然兼容性，成为有前景的PLS技术之一。然而，现有光学混沌通信系统面临两大挑战：一是混沌载波带宽通常仅几GHz（受限于驱动激光器的弛豫振荡频率），从根本上限制了加密传输速率的上限；二是传统光反馈驱动激光器产生的混沌载波常表现出明显的时间延迟特征（TDS），窃听者可通过时间序列分析提取关键反馈参数，从而破坏PLS。因此，同时实现TDS抑制与宽带平坦特性的混沌载波生成成为光学混沌通信领域关键且吸引人的研究目标。
**研究内容与结论**
研究人员提出了一种时间延迟特征抑制的宽带混沌（TSBC）载波生成方案，并在基于同步垂直腔面发射激光器（VCSELs）的双偏振双向混沌通信系统中进行了理论性能研究。该TSBC方案协同结合了光纤布拉格光栅（FBG）反馈与外部电光（EO）相位调制环，以同时实现TDS抑制和混沌带宽增强。通过数值模拟，研究了注入强度、频率失谐以及响应VCSELs内部参数失配对混沌同步性能的影响，并探讨了解码信号Q因子随调制速率的变化。研究得出结论：与传统的镜面反馈或单独FBG反馈相比，TSBC方案将TDS进一步抑制至0.0267，有效将TDS隐藏在自相关函数（ACF）和互信息（MI）曲线的背景中；同时，利用马赫-曾德尔干涉仪（MZI）实现的非线性相位-强度映射，混沌载波带宽从单独FBG反馈下的3.97 GHz（XP）和6.13 GHz（YP）提升至23.27 GHz（XP）和23.85 GHz（YP），增强约四倍。通过优化FBG反馈强度和环路增益，在物理层安全与传输容量之间取得了平衡。进一步分析注入锁定动力学发现，系统在正频率失谐区域表现出更宽的同步范围和更强的鲁棒性。最终，实现了总计46 Gbit/s的双偏振通道双向混沌通信。这项研究发表在《Photonics》上，展示了TSBC双偏振双向方案在安全光通信系统中的有效性与巨大潜力。
**主要关键技术方法**
（1）基于自旋反转模型（SFM）的VCSEL速率方程数值积分（四阶Runge-Kutta算法，时间分辨率2 ps）；（2）FBG反馈机制：采用均匀单模FBG（反射带宽由cκ
B/πn
g近似），实现频率选择性分布反馈；(3)外部EO相位调制环：包含马赫-曾德尔干涉仪（MZI）进行非线性相位-强度映射，以及光电探测器（PD）和射频（RF）放大器形成闭环，依据改进的Ikeda积分-微分方程产生高维混沌相位。所有仿真参数（包括激光器本征参数）源自文献[9,27,35,36]。
**研究结果**
**1. TDS抑制性能**
通过自相关函数（ACF）和互信息（MI）定量评估TDS。在RS1-VCSEL输出中，四种驱动方案比较表明：传统镜面反馈（Mirror）的ACF峰值为0.7979（XP）/0.7893（YP）；Mirror+Loop方案降至0.4226/0.3734；单独FBG进一步降至0.0618/0.0776；而TSBC方案将ACF峰值降至0.0267/0.0267，MI降至0.0011/0.0010，使时延特征完全淹没于背景噪声中。机理为FBG反馈将固定外腔往返转化为频率依赖的分布式反射，EO环路通过非线性相位扰动破坏残余腔相干性，二者协同实现优异TDS抑制。
**2. 混沌带宽增强**
对比单独FBG与TSBC方案的功率谱：单独FBG反馈下，功率谱呈现明显谱聚集与非均匀峰值（XP和YP功率变化分别为40.79 dB和36.05 dB），有效混沌带宽仅3.97 GHz（XP）和6.13 GHz（YP）；TSBC方案使得功率谱在整个50 GHz范围内趋于平滑平坦，功率变化降至12.04 dB（XP）和10.14 dB（YP），带宽提升至23.27 GHz（XP）和23.85 GHz（YP），约为单独FBG的四倍。原因在于EO环引入的相位扰动和非线性相位-强度映射重新分配了宽频率范围的混沌功率。
**3. 参数优化与协同效应**
TDS随EO环路增益β增加而下降（尤其在η=10 ns
?1时，β≥3可使TDS低于0.02）。混沌带宽随β和η增大而增加，β主导了谱展宽（EO环非线性相位调制起主要作用）。当β或η过小时，非线性耦合不足，无法激发高频混沌分量。综合TDS抑制、带宽及实际器件约束，选取η=10 ns
?1、β=5为TSBC驱动VCSEL最优工作点（ACF峰值稳定低于0.03，同时获得较大混沌带宽）。
**4. 同步性能与参数失配鲁棒性**
在注入强度δ和频率失谐f
m参数空间中，当δ超过约30 ns
?1时，出现明显同步区域（峰值交叉相关系数CC接近1），且同步边界不对称（源于幅-相耦合特性）。最优注入点为δ=180 ns
?1、f
m=50 GHz（CC接近1，混沌带宽约24 GHz）。对六种内部参数（线宽增强因子α、光子寿命倒数k、载流子衰减率γ
N等）在?30%至30%失配范围内的分析表明，α对同步质量影响最大（失配达27%时CC仍>0.9），其他参数容忍度更高（CC>0.95）。
**5. 通信性能**
采用混沌掩蔽（CMS）方案，在最优工作点下，XP和YP通道分别以23 Gbit/s速率加载消息（调制指数0.05）。解码后眼图张开清晰，对称性好。Q因子随调制速率变化表明：无EO环路时，Q因子在约5 Gbit/s（XP）和7 Gbit/s（YP）降至阈值6以下；引入TSBC方案后，各偏振通道维持Q>6直至23 Gbit/s，且响应VCSEL间的Q因子曲线几乎一致，证实了双向传输有效性。因此实现聚合46 Gbit/s的双偏振双向混沌通信。
**讨论与结论**
讨论指出，所提TSBC方案同时解决了TDS抑制与混沌带宽增强问题，提供了兼顾通信安全与传输容量的平衡方案。系统与商用光子/光电器件兼容，便于实际部署，但实际性能可能受EO环路稳定性、器件带宽限制、偏振对准误差等因素影响。未来工作将重点转向实验实现与真实工况下的性能评估。
**研究结论**：本工作提出并理论证明了基于TSBC方案同步VCSELs的双偏振双向混沌通信系统。通过将频率选择性FBG反馈与外部EO相位调制环协同集成于驱动VCSEL，分别通过抑制时间延迟特征（TDS）和增强混沌带宽显著提升了物理层安全与传输容量。结果表明，TSBC方案可将TDS进一步压制至0.0267，使ACF和MI曲线中的时延峰完全隐藏；同时，利用MZI实现的非线性相位-强度映射引起显著谱展宽，使XP（YP）的混沌载波带宽从单独FBG反馈下的3.97 GHz（6.13 GHz）提升至23.27 GHz（23.85 GHz），增强约四倍。通过优化FBG反馈强度与环路增益，建立了物理层安全与传输容量之间的平衡。此外，注入锁定动力学分析揭示系统在正频率失谐区域呈现更宽的同步范围和更强的鲁棒性。在选定注入参数下，响应激光器的混沌载波带宽超过23 GHz。最终实现了总计46 Gbit/s的双偏振通道双向混沌通信。本工作证明了TSBC双偏振双向方案在安全光通信系统中的有效性和强大潜力。
