CN103178951A - 基于可调谐微环谐振器的混沌信号发生器 - Google Patents

Abstract

一种基于可调谐微环谐振器的混沌信号发生器，包括：一输入光波导，其具有一个输入端和一个输出端；一环形波导，其首尾相接形成闭合的光波回路，该环形波导与输入光波导相邻，并与输入光波导中传输的光有能量交换；一输出光波导，其具有一个输入端和一个输出端，该输出光波导与环形波导相邻，并与环形波导中传输的光有能量交换；一延迟单元，其输入端与输入光波导的输出端相连，或者与输出光波导的输出端相连；一增益单元，其输入端与延迟单元的输出端相连；一驱动单元，其具有一个激励端和一个作用端，该驱动单元的激励端与增益单元的输出端相连，该驱动单元的作用端与环形波导相连。

Description

基于可调谐微环谐振器的混沌信号发生器

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及保密通信、扩频通信、无线通信与光纤通信等技术领域，本发明为基于可调谐微环谐振器的混沌信号发生器。

背景技术

近年来，随着移动互联网，高清视频，社交网络，云计算，电子商务与电子政务等新业务的出现与流行，接入网、城域网及骨干网对网络容量的需求呈现快速持续增长的态势。在对于各级传输网络的升级改造过程中，不仅要达到增加网络容量的目的，也需要重点关注网络的安全与可靠。一方面，网络的安全性与可靠性是传输网络服务质量的重要方面。另一方面，在上述各种新兴业务中，所传输的信息中包含大量的个人隐私信息，这使得传输网络的安全性与可靠性变得更加重要。

混沌现象是在非线性动力系统中表现的确定性、类随机的过程，这种过程既非周期又不收敛，并且对于初始值具有敏感的依赖性。混沌信号的波形是非常不规则的，表面上看来就像噪声，但实际上它却是由确定性的规则所产生的，这种规则有时是很简单的，比如逻辑斯谛映射(Logisticmap)。正是这种简单的规则产生出复杂的波形激发了人们对它极大的兴趣。实践证明，在大量的物理系统和自然系统中都存在着混沌信号。

在确定性的系统中发现混沌，改变了人们过去一直认为宇宙是一个可以预测的系统的看法。用决定论的方程，找不到稳定的模式，得到的却是随机的结果，彻底打破了拉普拉斯决定论式的可预测性的幻想。但人们同时发现到过去许多曾被认为是噪声的信号，其实是一些简单的规则生成的。这些包含内在规则的“噪声”不同于真正的噪声，它们的这种规则是完全可以应用的。

由于混沌具有类噪声的特点并可实现混沌控制与同步，它的最直接的应用就是保密通信。其做法是在信息发送端将原始信号与混沌信号进行混叠，经过信道传输后在接收端通过混沌控制与同步技术再将混沌信号从合成信号中剔除，得到原始信息。

混沌的另一个应用是在扩频通信中，它利用伪随机编码对待传送的数据进行调制，实现频谱扩展后再进行传输。接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复出原始数据。扩频通信具有抗干扰，保密性强，可多址复用等优点。80年代初它被应用于民用通信领域，各国都纷纷提出在数字峰窝移动通信、卫星移动通信和个人通信中采用扩频技术。混沌信号在扩频通信中的应用便是用来产生扩展频谱的伪随机编码。通过混沌同步技术，发射端与接收端采用同步混沌信号生成的伪随机编码来进行信号的调制与解调。

公开于1997年的专利“Method and apparatus for encrypting anddecrypting information using a digital chaos signal”(United StatesPatent5696826)描述了一种利用混沌信号进行加密通信的系统。其中混沌信号的产生由某种混沌映射实现，而采用哪种混沌映射函数，以及混沌发生器的初值、延迟及其它参数均由密钥中的某个特定参数决定。混沌映射函数可能为逻辑斯谛映射(Logistic map)，也可能为洛伦兹映射(Lorenzmap)。这些函数的实现需要依靠计算机软件或大规模集成电路，这将制约该方案产生混沌信号的数据速率。

公开于1999年的专利“Device for sending or receiving a signalencrypted using deterministic chaos”(United States Patent6704420)提出了一种利用马赫-曾德尔干涉型调制器作为非线性单元实现混沌信号发生器的加密通信系统。该专利指出实现马赫曾德尔干涉型调制器的材料可以是铌酸锂、砷化镓或硅。由于采用马赫曾德尔干涉型调制器，这一调制方式使得器件体积会比较大。另外，由于马赫曾德尔干涉型调制器实际上是有限冲激响应滤波器，它在进行光信号的调制时，驱动信号的摆幅比较高(在3V左右或者更高，取决于采用的材料、器件长度及电光效应的强弱)。

公开于2009年的专利“Chaos generator for accumulation of streamentropy”(United States Patent7587047)提出了一种增加数据熵的混沌信号发生器。该混沌信号发生器包含一个低熵随机数据源和一个熵增加单元。该熵增加单元通过四次映射来实现混沌信号的产生，需要进行的运算包括求幂运算与求余运算，这些运算依靠集成电路来实现，这一特点同样将制约该方案产生混沌信号的数据速率。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于可调谐微环谐振器的混沌信号发生器，可以用来解决既有的依靠计算机软件或大规模集成电路实现非线性映射的混沌信号发生器的速度问题，以及依靠马赫曾德尔干涉型调制器作为非线性单元的混沌信号发生器的体积大的问题与驱动电压高的问题。

为达到上述目的，本发明提供一种基于可调谐微环谐振器的混沌信号发生器，包括：

一输入光波导，其具有一个输入端和一个输出端；

一环形波导，其首尾相接形成闭合的光波回路，该环形波导与输入光波导相邻，并与输入光波导中传输的光有能量交换；

一输出光波导，其具有一个输入端和一个输出端，该输出光波导与环形波导相邻，并与环形波导中传输的光有能量交换；

一延迟单元，其输入端与输入光波导的输出端相连，或者与输出光波导的输出端相连；

一增益单元，其输入端与延迟单元的输出端相连；

一驱动单元，其具有一个激励端和一个作用端，该驱动单元的激励端与增益单元的输出端相连，该驱动单元的作用端与环形波导相连。

本发明的突出优点是：采用可调谐微环谐振器作为非线性单元产生混沌信号，相比于利用计算机软件或集成电路实现非线性映射的方式，本方案的体积更小、速度更快，相比于采用马赫一曾德尔干涉型调制器等光学器件作为非线性单元的方式，本方案的体积更小、驱动电压与能耗更低。此外，由于本发明直接在光域产生混沌信号，它可被直接用于传统光纤通信或光载无线通信领域。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图，进一步详细描述本发明的内容，其中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为可调谐微环谐振器的两个输出端口的典型响应光谱；

图3为从典型的倍周期分叉通往混沌的演化过程的数值仿真结果；

图4为确定工作波长位置及各功能单元参数的流程。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种基于可调谐微环谐振器的混沌信号发生器，包括：

一输入光波导10，其具有一个输入端和一个输出端，进入输入光波导10的输入端的光信号为连续激光，其波长称为工作波长。对于铌酸锂材料、砷化镓材料、磷化铟材料或硅材料等常见材料制备的光波导，这一工作波长位于近红外区间，即1.3微米至2微米范围内，其为光纤通信所采用的低传输损耗波长范围，该范围内的激光器与探测器技术均非常成熟。

一环形波导11，其首尾相接形成闭合的光波回路，环形波导11与输入光波导10相邻，并与输入光波导10中传输的光有能量交换。具体来讲，输入光波导10与环形波导11的距离须小于1微米，以保证输入光波导10中所传输光的能量有1％以上的耦合进环形波导11中。光从输入波导10耦合进环形波导11后，每绕行整数圈后又会有部分耦合回输入波导10中，与输入波导10中传输的光发生干涉。这一物理过程为多光束的干涉过程，会在输入波导10的输出端得到图2中实线所示的响应光谱。该响应光谱有周期性的下陷，下陷点对应的波长称为谐振波长。

一输出光波导12，其具有一个输入端和一个输出端，输出光波导12与环形波导11相邻，并与环形波导11中传输的光有能量交换。具体来讲，输出光波导12与环形波导11的距离须小于1微米，以保证环形波导11中所传输光的能量有1％以上的耦合进输出光波导12中。在环形波导11中绕行的光除了会耦合回输入波导10中，也会耦合到输出光波导12中，并从它的输出端输出。结果会在输出光波导12的输出端得到图2中虚线所示的响应光谱。该响应光谱有周期性的尖峰，尖峰点对应的波长为谐振波长。

一延迟单元13，其具有一个输入端和一个输出端，其输入端与输入光波导10的输出端相连，或者与输出光波导12的输出端相连。延迟单元13对进入其输入端的光信号的延迟在光域进行，或将其转换为电信号后在电域进行。在光域进行的信号延迟有多种选择。例如利用一段20厘米的普通单模光纤可将输入光信号延迟约1皮秒，这种方案实现较为简单，但体积较大，延迟量控制不灵活。也可利用级联的微环谐振器对光信号进行延迟，这种方案较为复杂，但体积较小，延迟量控制灵活。将光信号转换为电信号后在电域进行延迟的方式延迟量控制很灵活，但该方案涉及光电转换、模数转换以及时序控制，系统较为复杂，能处理的信号带宽也不及光域延迟方案。

一增益单元14，其具有一个输入端和一个输出端，其输入端与延迟单元13的输出端相连，输入信号可能为光信号，也可能为电信号。光信号的增益可以通过掺铒光纤放大器、可调衰减器等器件的组合实现。电信号的放大可由射频放大器实现。增益单元14将进入其输入端的光信号光强或电信号功率进行0.0001倍到10000倍比率范围内的增益。增益的比率由可调谐微环谐振器的滤波特性、工作波长的位置和驱动单元15的特性共同决定，它是影响能否产生混沌信号的主要因素，其选择原则将在图4中具体解释。

一驱动单元15，其具有一个激励端和一个作用端，其激励端接收来自将增益单元14输出端的信号，其作用端与环形波导11相连，以改变环形波导11的特性(材料折射率及损耗)，从而改变可调微环谐振器的滤波特性。也就是说，驱动单元可以使得如图2所示的可调微环谐振器的滤波曲线发生变化。这一变化主要是谐振波长的位置，也即曲线左右平移；另外还伴有滤波曲线的形状变化，主要是曲线上下移动。滤波曲线改变量的大小取决于增益单元14输出端的信号对驱动单元15的激励大小。

所述输入光波导10、环形波导11、输出光波导12及驱动单元15四部分共同构成可调谐微环谐振器，它提供混沌信号产生的要素之一：非线性映射关系。该可调谐微环谐振器具有两个输出端，它们分别是输入光波导10的输出端和输出光波导12的输出端。

所述延迟单元13与增益单元14共同构成混沌信号产生的另一个要素：延迟反馈。延迟量与反馈强度是两个决定混沌信号产生与否，以及混沌信号特点的重要参数。延迟单元13所产生的延迟量取决于驱动单元15的驱动机制的时间特性。

在图1所示结构的参数按照图4中所描述方法进行合理设置后，在非线性映射与延迟反馈的共同作用下，输入光波导10的输出端和输出光波导12的输出端均可输出混沌信号。

图2为可调谐微环谐振器的两个输出端口的响应光谱，图中实线为输入光波导10的输出端的响应光谱，虚线为输出光波导12的输出端的响应光谱。所谓可调谐微环谐振器是指在外界激励信号的作用下，这两条响应光谱可以动态变化，表现为谐振波长位置的平移，以及滤波曲线高度的变化。但输入激光的波长为谐振波长时，从输入光波导10的输入端进入可调谐微环谐振器的激光能量会有80％以上从输出光波导12的输出端输出。谐振波长的位置会随着来自驱动单元15的信号的强弱而动态变化。两个谐振波长之间的区域称为自由光谱区。

图2所示的输入光波导10的输出端的响应光谱为带有周期性下陷的光谱，下陷区的光谱宽度(3dB光学带宽)取决于可调谐微环谐振器的品质因子(Q值)。同样，输出光波导12的输出端的响应光谱中周期性的尖峰的3dB光学带宽也取决于可调谐微环谐振器的Q值。Q值越大，意味着可调谐微环谐振器的损耗越小，其储存能量的能力越强，上述两个光谱的3dB光学带宽越小。在本专利所提出的方案中，可调谐微环谐振器Q值在100到10000之间较为合适。太高的Q值会使得可调谐微环谐振器的滤波曲线中的下陷与尖峰都呈现尖锐的形态，这样的器件特性会使得器件非常敏感，不利于混沌信号的产生。太低的Q值会使得可调谐微环谐振器的滤波曲线中的下陷与尖峰区域平坦，也不利于混沌信号的产生。对Q值大小有影响的主要是两个因素，其一是环形波导11中的光损耗机制，其二是输入波导10与环形波导11的耦合强度，以及输出波导12与环形波导11的耦合强度。对输入波导10与环形波导11之间，以及输出波导12与环形波导11之间耦合区的宽度的控制可以方便地实现对可调谐微环谐振器的Q值的控制。

图3为从典型的倍周期分叉通往混沌的演化过程，该图为数值模拟结果，仿真的是输出波导12的输出端的输出光强随不同增益参数的变化情况。模拟过程采用的参数为：环形波导11中所传输光的能量有10％的耦合进输入波导10中，也有10％耦合进输出光波导12中；环形波导11内部的光场的振幅传递比率为99％(即在环形波导11中传输一圈后光场的振幅是开始时的99％)；工作波长位于一个谐振波长的左侧，偏移量为自由光谱区的1/20。横坐标代表增益比率的大小，纵坐标为一定增益比率下可获得的稳定输出的值得数量。在增益比率为0.4、0.5等值时，纵坐标只有一个点，此时代表输出为一个恒定值。但增益比率为1.2等值时，纵坐标有四个点，此时代表输出在四个值之间跳变。但增益比率为1.9等值时，纵坐标有六个点，此时代表输出在六个值之间跳变。但增益比率为2.0、2.1等值时，纵坐标有三个点，此时代表输出在三个值之间跳变。但增益比率为1.0、1.3等数值时，纵坐标有无数个点，此时代表输出在无数个数值间跳变，此时产生的便是混沌信号。从图3可以看到，对于不同的增益比率，某些时候会输出混沌信号，某些时候会输出周期信号。

图4为确定产生混沌信号所要求的工作波长与增益比率的流程图。需要先测量微环谐振器的响应光谱，代入数值仿真模型拟合出其耦合系数、环形波导的振幅传递效率。然后给定一个工作波长，扫描一个范围内的增益比率，观察是否可以输出混沌信号。如果不能，则需要改变工作波长的位置，重复上述，直到观察到混沌信号的产生。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于可调谐微环谐振器的混沌信号发生器，包括：

一输入光波导，其具有一个输入端和一个输出端；

一环形波导，其首尾相接形成闭合的光波回路，该环形波导与输入光波导相邻，并与输入光波导中传输的光有能量交换；

一输出光波导，其具有一个输入端和一个输出端，该输出光波导与环形波导相邻，并与环形波导中传输的光有能量交换；

一延迟单元，其输入端与输入光波导的输出端相连，或者与输出光波导的输出端相连；

一增益单元，其输入端与延迟单元的输出端相连；

一驱动单元，其具有一个激励端和一个作用端，该驱动单元的激励端与增益单元的输出端相连，该驱动单元的作用端与环形波导相连。

2.根据权利要求1所述的基于可调谐微环谐振器的混沌信号发生器，其中该输入光波导、环形波导、输出光波导及驱动单元构成可调谐微环谐振器。

3.根据权利要求1所述的基于可调谐微环谐振器的混沌信号发生器，其中进入输入光波导的输入端的光信号为连续激光，该输入光波导与环形波导之间的耦合区的宽度小于1微米，以保证输入光波导中所传输光的能量有1％以上的耦合进环形波导中。

4.根据权利要求1所述的基于可调谐微环谐振器的混沌信号发生器，其中输出光波导与环形波导之间的耦合区的宽度小于1微米，以保证环形波导中所传输光的能量有1％以上的耦合进输出光波导中。

5.根据权利要求1所述的基于可调谐微环谐振器的混沌信号发生器，其中延迟单元对进入其输入端的光信号的延迟在光域进行，或将其转换为电信号后在电域进行。

6.根据权利要求1所述的基于可调谐微环谐振器的混沌信号发生器，其中增益单元将进入其输入端的信号功率进行0.0001倍到10000倍比率范围内的增益。

7.根据权利要求6所述的基于可调谐微环谐振器的混沌信号发生器，其中增益单元的输入信号为延迟单元的输出信号，为光信号或者电信号。

8.根据权利要求1所述的基于可调谐微环谐振器的混沌信号发生器，其中驱动单元的激励端接收来自将增益单元输出端的信号，驱动单元的作用端与环形波导相连，以改变环形波导的特性，从而改变可调微环谐振器的滤波特性。

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