本文报道了一项关于宽带光电混沌信号产生与性能增强的实验研究，作者为Hanwen Luo、Mengfan Cheng、Chuanming Huang、Bolin Ye、Weidong Shao、Lei Deng、Qi Yang、Minming Zhang和Deming Liu，主要完成单位包括华中科技大学下一代互联网接入国家工程实验室、华中科技大学深圳研究院以及深圳技威半导体光电有限公司。该研究于2021年9月15日发表在Optics Letters第46卷第18期，标题为“Experimental demonstration of a broadband optoelectronic chaos system based on highly nonlinear configuration of IQ modulator”。研究提出并实验验证了一种基于IQ调制器（inphase and quadrature-phase modulator）高度非线性配置的光电混沌产生方案，并通过向半导体激光器注入混沌光信号的方式进一步展宽了带宽、抑制了时延特征。

混沌理论自1963年Lorenz首次提出以来受到广泛关注，多种混沌信号产生方法被陆续报道。传统光电振荡器（optoelectronic oscillator, OEO）混沌系统需要较大的驱动电压才能获得足够的非线性，这对大带宽器件的性能提出了较苛刻的要求。布尔混沌（boolean chaos）是一类特殊的混沌，其非线性来自一个或多个逻辑门，输出具有类布尔状态的非重复跳变。然而，受电子处理速度瓶颈限制，已有布尔混沌系统的带宽较为有限。为克服这一限制，研究者提出了多种光学域实现方法。本文受布尔混沌理论启发，提出利用IQ调制器的强非线性工作状态构造电光异或非门（exclusive-nor, XNOR），并结合两路延迟反馈回路形成单节点自治布尔网络，从而实现宽带光电混沌信号产生。

该研究的核心思路是使用IQ调制器实现电光XNOR逻辑门。实验中，IQ调制器的上下两个马赫-曾德尔调制器（Mach–Zehnder modulator, MZM）均偏置在零点，偏振旋转角设为45°，输入信号峰峰值电压限制在小于2Vπ的范围内。在此配置下，不同输入状态在星座图上形成类似不平衡4-QAM的输出，其中（1,1）和（0,0）对应高幅度点，（1,0）和（0,1）对应低幅度点，从而实现了XNOR逻辑门功能。与电学器件相比，光学器件具有更大的带宽潜力；同时，该方案中反馈驱动信号峰峰值约为4 V，接近IQ调制器的射频半波电压3.5 V，而传统OEO混沌方案需要更大驱动电压才能达到充分非线性，因此本方案降低了对低半波电压调制器和高增益射频放大器等高性能器件的依赖。

实验系统结构如下：激光二极管（laser diode, LD）输出光经IQ调制器调制后，通过掺铒光纤放大器（erbium-doped optical fiber amplifier, EDFA）和可变光衰减器，再由光电探测器（photoelectric detector, PD）转换为电信号。电信号经四分之一微带功分器分为四路，其中两路分别经过不同长度的射频线并放大后反馈至IQ调制器的两个射频输入端，另一路送入实时数字示波器。IQ调制器到PD的光纤总长度为51.7 m，两路电反馈链路长度均为40 cm。IQ调制器光带宽为22 GHz，PD截止频率为31 GHz，射频放大器带宽为30 GHz，示波器采样率为100 Gsample/s。通过调节可变光衰减器控制反馈增益，实验观察到了从周期振荡到准周期振荡再到混沌状态的演化过程。在混沌状态下，波形呈现亚纳秒尺度的类噪声振荡，而非理想布尔混沌的纯二进制状态跳变。作者将该现象归因于系统带宽受限、实际逻辑门非理想以及器件噪声、消光比、偏置点漂移等因素。为验证带宽影响，作者还利用VPItransmissionMaker软件进行了数值仿真，使用四阶贝塞尔低通滤波器（low-pass filter, LPF）模拟滤波效应，LPF带宽分别设为0.1 GHz、1 GHz和10 GHz，结果表明带宽越低，波形越接近理想布尔特征；带宽越高，波形越复杂，与实验结果一致。

在混沌信号性能分析方面，实验得到的宽带光电混沌信号频谱从直流延伸至29.1 GHz（10 dB带宽），有效带宽为12.2 GHz，概率密度分布呈类高斯分布。最大李雅普诺夫指数为0.135，说明信号处于混沌状态。自相关函数（autocorrelation function, ACF）在约259 ns处存在较小的旁峰，对应系统反馈延迟时间。与传统OEO混沌相比，该系统的时延特征（time delay signature, TDS）显著降低，但仍可被检测到。

为进一步提升信号性能，研究提出了一种级联光注入方案。将上述光电宽带混沌信号通过环形器注入到一个半导体激光器中，输出光经PD检测和示波器存储。在频率失谐和/或强注入条件下，半导体激光器中的注入过程可看作非线性转换器，可用Lang–Kobayashi方程描述。实验结果表明，注入后的混沌信号频谱从直流延伸至38.4 GHz（10 dB带宽），比注入前提高了9.3 GHz，且频谱更加平坦；有效带宽为13.7 GHz。概率密度分布更接近标准高斯分布，偏度由0.1487降低至0.0970。自相关函数在0.2 ns后迅速收敛至接近零且无旁峰，表明时延特征被完全隐藏。

本研究的主要结论如下：提出并实验验证了一种基于IQ调制器强非线性配置的宽带光电混沌产生方案，该方案利用XNOR逻辑门和两路延迟反馈回路构成自治布尔网络。由于XNOR操作的强非线性，系统进入混沌状态的条件相比传统OEO混沌系统更为宽松，降低了对器件性能的要求。该方案产生的混沌信号频谱平坦，概率密度分布接近高斯分布，时延特征较小。将光电混沌信号注入半导体激光器后，输出信号带宽进一步展宽至38.4 GHz，概率密度分布更接近标准高斯分布，且时延特征被完全隐藏。该研究揭示了电光混沌信号的新型产生方法，在超高速随机数发生器、混沌雷达和高速混沌保密通信等领域具有潜在应用价值。

本研究的亮点主要包括三个方面：其一，利用商用IQ调制器实现了电光XNOR逻辑门，将布尔混沌概念引入光电振荡系统，为宽带混沌产生提供了一条新的技术途径；其二，该方案对反馈驱动电压和器件非线性性能的要求较传统OEO混沌系统更为宽松，有助于降低系统实现难度和成本；其三，通过级联半导体激光器注入，同时实现了带宽增强、频谱平坦化、概率密度分布优化和时延特征完全抑制，显著提升了混沌信号的性能。这些结果对宽带混沌信号在保密通信、随机数产生和雷达等领域的实际应用具有重要意义。