CN102594544A - 一种混沌激光信号频谱展宽装置及其方法 - Google Patents

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一种混沌激光信号频谱展宽装置及其方法，是由分光器将第一混沌激光信号输出；将第二混沌激光信号经过光放大器，输入偏振控制装置，再由偏振控制装置输入到分光器并输出。本装置增设一环形振荡器，将注入的光进行循环放大振荡，偏振控制装置调节混沌激光信号的偏振状态，带宽达到了26.5GHz以上，而且结构简单、调试方便，便于应用。

Description

一种混沌激光信号频谱展宽装置及其方法
技术领域
本发明与混沌激光信号产生装置及其产生方法有关，更详而言，是在混沌激光信号产生装置后增设一环形振荡器，对混沌激光信号进行频谱展宽的装置及其方法，适用于光通信、雷达探测和加密等领域。
技术背景
宽带混沌信号被广泛关注，进而相继提出混沌保密通信、混沌激光雷达、混沌光时域反射仪及随机数发生器等众多应用。其中，混沌信号的带宽决定了该混沌信号在各个领域应用的质量，如：混沌保密通信中所能隐藏的信号的速率、测距系统中的测量精度和随机数发生器产生的随机数的速率等关键技术指标。
现有产生混沌信号的方法有很多，Gytis Mykolaitis等人利用colpitts电路产生了混沌电信号，但是带宽仅为1GHz左右（Electronics Letters, 2004, 40(2): 91-92），虽然后来有了改进，但仍然是几个GHz的量级；Nicolas Gastaud 等人通过电光调制器形成光电振荡，从而产生了带宽达到20GHz的混沌激光信号（Electronics Letters, 2004, 40(14): 898-899），但是使用的高速电学装置造价相当昂贵。
相比之下，半导体激光器利用很简单的装置就可以产生带宽高于10GHz的混沌激光信号，王安帮等人利用光反馈与外光注入结合的方式，使产生的混沌激光信号带宽达到了16.7GHz，同时通过注入光光频的调节还可改变混沌信号的带宽（IEEE Photonics Technology Letters, 2008, 20(19): 1633-1635）；Hiroyuki Someya等人发现将混沌光注入比其光频率略低的半导体激光器中能产生12GHz的宽带混沌激光信号（Optics Express, 2009, 17(11): 9053-9061）；Kristine E.Callan等人利用超快脉冲半导体激光器和光电振荡环相结合产生了8GHz以上的宽带平坦混沌激光信号（Physical Review Letters, 2010, 104(11): 113901）；王云才等人利用3个激光器构成半导体激光器环，中间配合掺杂光纤放大器和光衰减器产生了带宽超过40GHz的平坦宽带混沌信号（CN 101977065 A）。
虽然利用激光的非线性特性产生的混沌激光信号带宽很宽，但是频谱仅仅在激光器驰豫振荡附近有很大的能量，两侧都有陡降，从而低频和高频成分能量都很弱。若能将其他的频率成分放大到与驰豫振荡频率的能量相近，即可得到宽带平坦的混沌激光信号。因此发明人提出利用环形振荡器将各振荡的频率成分不断循环放大，从而将混沌激光信号达到饱和输出。
发明内容
本发明的问题在于设计注入环形振荡器的混沌激光信号的强度和放大，使混沌光在环形振荡器的循环作用下产生宽带平坦的混沌激光信号，并提供一种混沌激光信号频谱展宽装置及其方法。
本发明所提供的一种混沌激光信号频谱展宽装置，包括一混沌激光信号由分光器将第一混沌激光信号输出；将第二混沌激光信号输入一环形振荡器后再由分光器输出；
所述环形振荡器是位于混沌激光信号产生装置之后，将第二混沌激光信号经过光放大器，输入偏振控制装置，再由偏振控制装置输入到分光器并输出。
在上述技术方案中，所述第一混沌激光信号是由混沌激光信号产生装置产生的混沌激光信号和经环形振荡器的第二混沌激光信号构成的混沌激光信号；所述第一混沌激光信号是在光纤或自由空间中传播；所述第一混沌激光信号在光纤中传播时，所述分光器为光纤耦合器，所述偏振控制装置为偏振控制器；所述第一混沌激光信号在自由空间中传播时，其分光器为分束镜，其偏振控制装置为偏振片；所述环形振荡器中设置有光纤准直镜；所述光纤准直镜是位于分光器、光放大器或偏振控制装置的前或者后设置；所述设置有光纤准直镜的混沌激光信号可在光纤或自由空间中传播；所述设置有光纤准直镜的混沌激光信号在光纤或自由空间中传播，其分光器是光纤耦合器和分束镜中的一种；所述设置有光纤准直镜的混沌激光信号在光纤或自由空间中传播，其偏振控制装置是偏振控制器和偏振片中的一种；所述光放大器是半导体光放大器（SOA）、光纤拉曼放大器（FRA）和掺杂光纤放大器（DFA）中的一种；所述光纤为光导纤维、薄膜波导和带状波导中的一种；所述光导纤维为单模光纤、多模光纤和光子晶体光纤中的一种；所述薄膜波导为BaTiO3薄膜光波导、LiNbO3薄膜光波导、LiTaO3薄膜光波导中的一种；所述带状波导为光子晶体、液晶、长周期光栅中的一种。
本发明一种实施上述混沌激光信号频谱展宽装置的频谱展宽方法，其所述方法是混沌光信号产生装置产生的混沌激光信号通过分光器分为第一混沌激光信号和第二混沌激光信号，第一混沌激光信号经分光器输出；第二混沌激光信号入射到光放大器进行循环放大，再通过偏振控制装置控制光的偏振特性，构成具有循环、振荡、放大功能的环形振荡器，第二混沌激光信号达到饱和形成频谱宽且平坦的混沌激光信号，后与第一混沌激光信号混合一并经分光器输出。
在上述技术方案中，所述第一混沌激光信号在光纤中传播，通过光纤耦合器将混沌激光信号产生装置产生的光纤中传播的混沌激光信号分为第一混沌激光信号和第二混沌激光信号；第二混沌激光信号入射到光放大器进行放大，经放大的光再通过偏振控制器控制光的偏振特性，后进入光纤耦合器，构成光纤环形振荡器，对混沌激光信号进行循环振荡，这样混沌激光信号中已振荡的频率成分就会在该环中不断叠加增强达到饱和，形成宽带平坦的混沌激光信号，后与第一混沌激光信号混合一并经光纤耦合器输出。
所述第一混沌激光信号在自由空间中传播，通过分束镜将混沌激光信号产生装置产生的自由空间中传播的混沌激光信号分为第一混沌激光信号和第二混沌激光信号；第二混沌激光信号通过光纤准直镜耦合进光纤，通过光纤输入光放大器进行放大，再通过偏振控制器控制光的偏振特性，再通过光纤准直镜转换为自由空间传播返回分束镜，构成环形振荡器；或者通过光纤准直镜转换成自由空间输出并入射到偏振片，之后混沌激光信号输入分束镜的输入端，构成环形振荡器，对混沌激光信号进行循环振荡，这样混沌激光信号中已振荡的频率成分就会在该环中不断叠加增强达到饱和，形成宽带平坦的混沌激光信号，后与第一混沌激光信号混合一并经分束镜输出。
本发明所提出的一种混沌激光信号频谱展宽装置及其频谱展宽方法，是利用环形振荡器，将各振荡的频率成分不断循环放大，从而将信号达到饱和输出，相似的环形结构还有光电振荡环，其将光信号通过光电探测器转换为电信号，再将电信号作用于激光器，改变激光器的输出特性，与本环形振荡器的方法完全不一样；还有光纤微型谐振腔结构，但其尺寸为微米量级，且无放大功能，一般用于滤波器或调制器等功能（Lightwave Technology, 1997, 15(6): 998-1005; Optics Express, 2007, 15(21): 14275-14282），与本发明的宽带混沌频谱完全不是同一个应用领域。另外光纤激光器产生混沌激光的一些方法也采用了环形结构，但产生的混沌激光多为脉冲形式，与本方法最大区别在于本方法是作用于混沌激光并将混沌激光的频谱展宽的一种简单装置，而光纤激光器直接产生混沌激光，无法对混沌激光的频谱进行再次展宽和平滑处理（如：Journal of the Optical Society of America B, 1998, 15(3): 972-978; Physical Review A, 1999, 60(3): 2360-2374）。现有技术利用半导体激光器可以产生最高大于40GHz的混沌信号（CN 101977065 A），但是其占用了3台激光器及两台掺杂光纤放大器等装置，价格高且系统搭建繁琐。随着科学技术的发展，简单、便宜的宽带平坦混沌信号产生装置或混沌激光信号频谱展宽装置是混沌信号的各个应用领域的迫切要求。
本发明将混沌激光注入环形振荡器从而产生宽带平坦的混沌激光信号的装置，其带宽可达26.5GHz以上，现有一般方法产生的混沌激光通过该装置均可实现带宽展宽，而且结构简单，调试方便，便于实验室的实验及在各个领域的集成应用。
附图说明
图1是本发明的混沌激光信号频谱展宽装置的结构示意图；
图2是本发明的混沌激光信号频谱展宽装置在光纤中应用的结构示意图；
图3是本发明的混沌激光信号频谱展宽装置在自由空间中应用的典型结构示意图；
图4是频谱仪自身的基底噪声信号频谱；
图5是实施方式一中混沌激光信号产生装置产生的混沌激光信号频谱；
图6是实施方式一中通过混沌激光信号频谱展宽装置后的宽带平坦混沌激光信号的频谱。
图中：1：分光器；1a：光纤耦合器；1b：分束镜；2：光放大器；3：偏振控制装置；3a：偏振控制器；3b：偏振片；4：光纤准直镜。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式做出进一步的详细说明：
如图1所示，本发明主要包括一环形振荡器，该环形振荡器由分光器1、光放大器2和偏振控制装置3构成。此处混沌激光信号依次通过分光器1、光放大器2和偏振控制装置3，最终返回分光器1构成了环形结构，即本发明中所述环形振荡器。混沌光信号产生装置产生的混沌激光信号通过分光器1分为第一混沌激光信号和第二混沌激光信号，第一混沌激光信号经分光器1输出；第二混沌激光信号入射到光放大器2进行循环放大，再通过偏振控制装置3控制光的偏振特性，构成具有循环、振荡、放大功能的环形振荡器，第二混沌激光信号达到饱和形成频谱宽且平坦的混沌激光信号，后与第一混沌激光信号混合一并经分光器1输出。
本发明所述的混沌激光信号可以在光纤或自由空间中传播，当混沌激光信号在光纤中传播时，环形振荡器中的分光器和偏振控制装置可分别为光纤耦合器1a和偏振控制器3a；当混沌激光信号在自由空间中传播时，环形振荡器中的分光器和偏振控制装置可分别为分束镜1b和偏振片3b。
混沌激光信号传输过程中设置光纤准直镜4后则可以另混沌激光信号的传播形式在光纤或自由空间中相互转换。光纤准直镜4可设置在分光器1、光放大器2或偏振控制装置3的前或者后的任意位置，且可设置多个，即在分光器1、光放大器2或偏振控制装置3的前或者后将混沌激光信号的传播形式转换为光纤或自由空间中，经过光纤准直镜4转换后的混沌激光信号入射到下一个器件中（分光器1或偏振控制装置3），此器件则为混沌激光信号在光纤中传播或自由空间中传播时对应的器件。如：若自由空间中传播的混沌激光信号通过光纤准直镜4后转换为光纤中传播后入射到分光器1，则此时的分光器1应为光纤耦合器1a；若光纤中传播的混沌激光信号通过光纤准直镜4后转换为自由空间中传播后入射到分光器1，则此时的分光器1应为分束镜1b；若自由空间中传播的混沌激光信号通过光纤准直镜4后转换为光纤中传播后入射到偏振控制装置3，则此时的偏振控制装置3应为偏振控制器3a；若光纤中传播的混沌激光信号通过光纤准直镜4后转换为自由空间中传播后入射到偏振控制装置3，则此时的偏振控制装置3应为偏振控制器3b。
由此可看出，环形振荡器中设置光纤准直镜4后，由分光器1、光放大器2和偏振控制装置3组成的环形振荡器可以有多种组合方式，且都可实现本发明的功能。所以在此仅详细描述混沌激光信号全程以光纤传播形式时的实施方式一和混沌激光信号以自由空间传播形式经过分束镜1b和偏振片3b的实施方式二。
实施方式一
如图2所示，混沌激光信号产生装置产生的混沌光在光纤中传播，通过光纤耦合器1a将混沌激光信号分为第一混沌激光信号和第二混沌激光信号，第二混沌激光信号入射到光放大器2进行放大，经过放大的光再通过偏振控制器3a控制光的偏振特性，之后再次返回光纤耦合器1a，构成光纤环形振荡器，对混沌激光信号进行循环振荡，这样混沌激光信号中已振荡的频率成分就会在该环中不断叠加增强达到饱和，形成宽带平坦的混沌激光信号，后与第一混沌激光信号混合一并经光纤耦合器1a输出。若要将其转换成电信号，只需在输出端连接一个高速的光电探测器即可。
实施方式二
如图3所示，混沌激光信号产生装置产生的混沌光在自由空间中传播，通过分束镜1b将混沌激光信号分为第一混沌激光信号和第二混沌激光信号，第二混沌激光信号通过光纤准直镜（4）将混沌激光信号准直进光纤中，转换为光纤中传播，入射到光放大器2进行放大，经过放大的光再通过光纤准直镜4转换为自由空间中传播，之后通过偏振片3b控制光的偏振特性，并再次返回分束镜1b，构成环形振荡器，对混沌激光信号进行循环振荡，这样混沌激光信号中已振荡的频率成分就会在该环中不断叠加增强达到饱和，形成宽带平坦的混沌激光信号，后与第一混沌激光信号混合一并经分束镜1b输出。若要将其转换成电信号，只需在输出端连接一个高速的光电探测器即可。
图4-图6为实施方式一的混沌激光信号经过该混沌激光信号频谱展宽装置前后的结果图，图4所示为无信号输入时频谱仪的基底噪声信号的频谱，注入环形振荡器的混沌激光信号的频谱如图5所示，可以观察到混沌激光信号的能量主要集中在4GHz附近，高于4GHz后频谱出现陡降，因此带宽不超过10GHz。实施方式一中注入环形振荡器中的混沌激光信号强度为-0.8dBm，光放大器的放大倍数为25dB，此时经过环形振荡器后的混沌激光信号的频谱如图6所示，从图中可以明显观察到，由于振荡环的循环振荡作用，使混沌信号的高频振荡成分得到放大，频谱图中的高频部分明显抬高，最终达到饱和输出，产生带宽大于26.5GHz、频谱波动起伏小于6dBm的宽带平坦混沌信号。
需要指明的是，任何形式产生的混沌激光信号均适用于该装置，如光注入半导体激光器、光电反馈半导体激光器、光反馈光纤激光器等，而且该环形振荡器也不仅仅局限于此一种装置，只要是有放大效果的环形结构均可以实现该频谱展宽功能。 

Claims (18)

1.一种混沌激光信号频谱展宽装置，包括一混沌激光信号由分光器（1）将第一混沌激光信号输出；将第二混沌激光信号输入一环形振荡器后再由分光器（1）输出；
所述环形振荡器是位于混沌激光信号产生装置后，将第二混沌激光信号经过光放大器（2），输入偏振控制装置（3），再由偏振控制装置（3）输入到分光器（1）并输出。
2.如权利要求1所述的装置，所述第一混沌激光信号是由混沌激光信号产生装置产生的混沌激光信号和经环形振荡器的第二混沌激光信号构成。
3.如权利要求1所述的装置，所述第一混沌激光信号是在光纤或自由空间传播。
4.如权利要求3所述的装置，所述第一混沌激光信号在光纤中传播时，所述分光器（1）为光纤耦合器；所述偏振控制装置（3）为偏振控制器。
5.如权利要求3所述的装置，所述第一混沌激光信号在自由空间传播时，所述分光器（1）为分束镜；所述偏振控制装置（3）为偏振片。
6.如权利要求1所述的装置，所述环形振荡器中设置有光纤准直镜（4）。
7.如权利要求6所述的装置，所述光纤准直镜（4）是位于分光器（1）、光放大器（2）或偏振控制装置（3）的前或者后。
8.如权利要求6所述的装置，所述设置有光纤准直镜（4）的混沌激光信号在光纤或自由空间中传播。
9.如权利要求8所述的装置，所述设置有光纤准直镜（4）的混沌激光信号在光纤或自由空间中传播，其分光器（1）是光纤耦合器和分束镜中的一种。
10.如权利要求8所述的装置，所述设置有光纤准直镜（4）的混沌激光信号在光纤或自由空间中传播，其偏振控制装置（3）是偏振控制器（3a）和偏振片（3b）中的一种。
11.如权利要求1所述的装置，所述光放大器（2）是半导体光放大器（SOA）、光纤拉曼放大器（FRA）和掺杂光纤放大器（DFA）中的一种。
12.如权利要求1所述的装置，所述光纤为光导纤维、薄膜波导和带状波导中的一种。
13.如权利要求12所述的装置，所述光导纤维为单模光纤、多模光纤和光子晶体光纤中的一种。
14.如权利要求12所述的装置，所述薄膜波导为BaTiO3薄膜光波导、LiNbO3薄膜光波导和LiTaO3薄膜光波导中的一种。
15.如权利要求12所述的装置，所述带状波导为光子晶体、液晶、长周期光栅中的一种。
16.一种实施权利要求1所述的混沌激光信号频谱展宽装置的频谱展宽方法，所述方法是混沌光信号产生装置产生的混沌激光信号通过分光器（1）分为第一混沌激光信号和第二混沌激光信号，第一混沌激光信号经分光器（1）输出；第二混沌激光信号入射到光放大器（2）中进行循环放大，再通过偏振控制装置（3）控制光的偏振特性，对混沌激光信号进行循环振荡放大，达到饱和，形成宽带平坦的混沌激光信号，后与第一混沌激光信号混合一并经分光器（1）输出。
17.如权利要求16所述的方法，所述第一混沌激光信号在光纤中传播，通过光纤耦合器（1a）将混沌激光信号产生装置产生的光纤中传播的混沌激光信号分为第一混沌激光信号和第二混沌激光信号，第二混沌激光信号入射到光放大器（2）进行放大，经放大的光再通过偏振控制器（3a）控制光的偏振特性，后进入光纤耦合器（1a），构成光纤环形振荡器对混沌激光信号进行循环振荡，混沌激光信号中已振荡的频率成分在该环中不断叠加增强达到饱和，形成宽带平坦的混沌激光信号，后与第一混沌激光信号混合一并经光纤耦合器（1a）输出。
18.如权利要求16所述的方法，所述第一混沌激光信号在自由空间中传播，通过分束镜（1b）将混沌激光信号产生装置产生的自由空间中传播的混沌激光信号分为第一混沌激光信号和第二混沌激光信号，第二混沌激光信号通过光纤准直镜（4）耦合进光纤，通过光纤输入光放大器（2）进行放大，再通过偏振控制器（3a）控制光的偏振特性，再通过光纤准直镜转换为自由空间传播返回分束镜，构成环形振荡器；或者通过光纤准直镜（4）转换成自由空间输出并入射到偏振片（3b），后混沌激光信号输入分束镜（1b）的输入端，构成环形振荡器对混沌激光信号进行循环振荡，混沌激光信号中已振荡的频率成分在该环中不断叠加增强达到饱和，形成宽带平坦的混沌激光信号，后与第一混沌激光信号混合一并经分束镜（1b）输出。
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