ИССЛЕДОВАНИЕ ХАОТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА ПРИ ОПТИЧЕСКОЙ ИНЖЕКЦИИ

Роман А. Пакин, Елена В. Карачанская

Аннотация


Статья посвящена экспериментальному изучению хаотического излучения, генерируемого в системе двух полупроводниковых лазеров при оптической инжекции. Цель работы –выявление оптимальных условий для возникновения хаотических колебаний и анализ их динамики в зависимости от ключевых параметров – коэффициента инжекции и частотной расстройки. Актуальность работы обусловлена необходимостью разработки совершенных генераторов случайных чисел для криптографических средств защиты информации, где истинная случайность, основанная на непредсказуемых физических процессах, является критически важной. В разделе 1 рассмотрены принципы и особенности оптической инжекции. Проведен анализ исследований, посвященных синхронизации и расстройке мастер-лазера и ведомого лазера. В разделе 2 описаны схема и условия проведенного авторами эксперимента. В разделе 3 представлены результаты. В ходе экспериментов использовалась схема с оптическим циркулятором, обеспечивающая эффективное одностороннее воздействие мастер-лазера на ведомый. Экспериментально определены и проиллюстрированы границы зон динамических режимов: стабильного захвата частоты, колебаний period-one и period-two. Установлено, что наиболее плавные переходы к хаотическому режиму, представляющему наибольший интерес для создания ГСЧ, наблюдаются при положительной расстройке частот. Спектральный анализ зафиксировал характерную для хаоса картину с множественными пиками, что подтверждает случайный характер излучения. Полученные результаты полностью согласуются с данными других авторитетных исследований, что свидетельствует о корректности методики. Практическая значимость работы заключается в демонстрации перспективности использования хаотического излучения полупроводниковых лазеров в качестве надёжного физического источника энтропии для генераторов истинно случайных чисел, востребованных в современных системах шифрования, квантовой коммуникации и защиты информации, что особенно актуально в контексте цифровизации и роста требований к безопасности данных.

Ключевые слова


оптическая инжекция, хаотические колебания, генератор случайных чисел, средства криптографической защиты информации

Полный текст:

PDF

Литература


1. Uchida, A., Amano, K., Inoue, M. et al. Fast physical random bit generation with chaotic semiconductor lasers. Nature Photon 2, 728-732 (2008). DOI: https://doi.org/10.1038/nphoton.2008.227.

2. Argyris, A., Syvridis, D., Larger, L. et al. Chaos-based communications at high bit rates using commercial fibre-optic links. Nature 438, 343-346 (2005). DOI: https://doi.org/10.1038/nature04275.

3. Xu Y. et al. Time-delay signature concealed broadband gain-coupled chaotic laser with fiber random grating induced distributed feedback. Optics & Laser Technology. 2019, v. 109, pp. 654-658. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2018.08.057.

4. Chan S. C., Hwang S. K., Liu J. M. Period-one oscillation for photonic microwave transmission using an optically injected semiconductor laser. Optics Express. 2007, v. 15, no. 22, pp. 14921-14935. DOI: https://doi.org/10.1364/OE.15.014921.

5. Martínez-Zérega B. E. et al. Experimental study of self-oscillation frequency in a semiconductor laser with optical injection. Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing. 2005, v. 23, no. 1, p. 62. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/23/1/007.

6. Шаховой, Р.А. Динамика полупроводниковых лазеров. Санкт-Петербург: Лань, 2024. 404 с. ISBN 978-5-507-48267-2.
Shakhovoy, R.A. Dynamics of Semiconductor Lasers. St. Petersburg: Lan, 2024. 404 p. ISBN 978-5-507-48267-2 (in Russian).

7. Wieczorek S. et al. The dynamical complexity of optically injected semiconductor lasers. Physics Reports. 2005, v. 416, no. 1-2, pp. 1-128. DOI: https://doi.org/10.1016/j.physrep.2005.06.003.

8. Al-Hosiny N. M. et al. Distributed feedback (DFB) laser under strong optical injection. Optics communications. 2010, v. 283, no. 4, pp. 579-582. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optcom.2009.10.100.

9. Schires K. et al. Comprehensive experimental analysis of nonlinear dynamics in an optically-injected semiconductor laser. Aip Advances. 2011, v. 1, no. 3. DOI: https://doi.org/10.1063/1.3625868.

10. Mercadier J. et al. Optical chaos synchronization in a cascaded injection experiment. Optics Letters. 2024, v. 49, no. 10, pp. 2613-2616. DOI: https://doi.org/10.1364/OL.522576.

11. Колмогоров, А.Н. Теория вероятностей и математическая статистика. Москва: Наука, 1986. 535 с. Kolmogorov, A.N. Probability theory and Mathematical Statistics, Moscow: Nauka Publ., 1986, 535 p. (in Russian).




DOI: http://dx.doi.org/10.26583/bit.2026.2.08

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.