CN103368653A

CN103368653A - 一种类似白噪声的宽带混沌信号的产生方法及装置

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Publication number: CN103368653A
Application number: CN2013103079063A
Authority: CN
Inventors: 王安帮; 徐航; 王云才; 王冰洁; 武媛; 张明江
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2013-07-22
Filing date: 2013-07-22
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2033-07-22
Also published as: CN103368653B

Abstract

一种类似白噪声的宽带混沌信号的产生方法是将两路混沌激光经过光纤耦合器进行拍频，再分成强度相等的两路；然后将这两路光信号进行平衡探测，提取差值信号并将其转换为相应的电信号。本发明所述的装置包括两个混沌激光发射装置，光纤耦合器和平衡探测器。所述的混沌激光发射装置的光频不相等，光频差约为混沌激光的光谱线宽。本发明所产生的混沌信号，不仅具有类似白噪声、宽而平坦的频谱，而且频谱上无任何周期振荡，彻底消除了利用时延系统产生混沌激光所带来的周期性，提高了混沌通信的保密性、雷达和光时域反射仪的测量精度以及物理随机数的随机性，可应用于通信、遥感、传感等领域。

Description

一种类似白噪声的宽带混沌信号的产生方法及装置

技术领域

本发明涉及混沌信号，具体为一种类似白噪声的宽带混沌信号的产生方法及装置，可用于保密通信、雷达、光时域反射仪以及物理随机数的产生。

背景技术

宽带混沌信号具有类似噪声的特性，且幅度更大，因此，在保密通信（Nature，Vol.437，p.343-346，2005和Phys.Rev. Lett.，Vol.100, 194101，2008）、物理随机数发生器（Nat. Photonics，Vol. 2， p.728-732，2008和Phys. Rev. Lett.，Vol.103, 024102，2009）、雷达（IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.，Vol. 10, p.991-997, 2004和IEEE J. Quantum Electron. Vol.40, p.815–820， 2004）和时域反射仪（IEEE Photon. Technol. Lett. Vol. 20, p.1636-1638, 2008和IEEE Electron Device Lett. Vol.32, p.372–374, 2011）中被广泛应用。目前，宽带混沌信号的电路产生方式主要包括蔡氏电路（IEEE Trans. Circuits Syst. I， Vol.40， p.657-674，1993）和Colpitts电路（IEEE Trans. Circuits Syst. I，Vol.41，p.771-774，1994）。受限于电子器件的带宽，电路产生的混沌信号带宽最高仅到GHz。研究发现，通过对半导体激光器附加扰动（例如光反馈（IEEE J. Quantum Electron.，Vol. 28，p.93-108，1992）、光注入（Appl. Phys. Lett.，Vol.64，p.3539-3541，1994）或光电反馈（IEEE J. Quantum Electron.，Vol.37，p.329-336，2001））可以获得带宽高达到几个GHz的混沌光信号。不幸的是，半导体激光器的混沌强度振荡通常受到激光器驰豫振荡频率的影响（IEEE Photon. Technol. Lett.， Vol.20， p.1633–1635，2008）。在频域中，功率谱分布在驰豫振荡频率处有个明显的尖峰。因此，有效带宽通常被限制在几个GHz，使得加密信息的速率、物理随机数发生器的码率以及雷达和反射仪的空间分辨率都受到限制(IEEE Photon. Technol. Lett. Vol. 20, p.1636-1638, 2008和Opt.Express,Vol.18,p.5512-5524, 2010)。此外，低频部分的能量受到抑制，限制了混沌激光的使用效率。这是因为大多数的电子采集设备都类似于低通滤波器。更重要的是，由于外腔模式，激光器中的强度混沌有明显的时延特征（IEEE J. Quantum Electron.，Vol. 45, p.879-891, 2009），导致频谱上具有明显的周期振荡（IEEE J. Quantum Electron. Vol.48, p.1371-1379, 2012）。这就意味着混沌激光是有周期的。这种周期性降低了混沌激光的随机性，不利于物理随机数的产生，需要一些后续处理，例如异或操作(Phys. Rev. Lett.，Vol.103，024102，2009)。而且，频谱上的这种周期性会引起基于混沌通信的安全漏洞，因为如果周期频率是确定的，发射机使用的延迟反馈系统就可能被重构出来（Phys.Rev. Lett.，Vol.81, p.558–561，1998）。

很多方法被提出用于提高混沌激光的带宽和抑制时延特征。例如，受限的带宽可以通过外光注入的方法（即将混沌激光注入一个稳态激光器）被提高到20GHz。近期的一些报道显示两个外部激光器的双注入可以进一步增加带宽（IEEE Photon. Technol. Lett.， Vol. 23，p.1872–1874，2011和 IEEE J. Quantum Electron.，Vol.48, p.1069–1076，2012）。频谱上的周期性可以通过设置反馈延时接近弛豫周期来隐藏（Opt. Lett.，Vol.32, p.2960–2962，2007和Opt. Express，Vol.18, p.6661–6666，2010）或者利用一些更为复杂的反馈方式来抑制，例如双反馈（Opt. Express，Vol.17, p.20124–20133,2009）、偏振旋转反馈（Opt. Lett.，Vol.36, p.4632–4634, 2011）和光栅反馈（Opt. Lett., Vol.36, p.4632–4634, 2011）。然而，由于他们的物理过程只是发生在激光器外腔，所以，上述这些方法都无法消除激光器驰豫振荡的控制。功率谱依然是不均匀的，尤其是在低频段能量很低，其频谱类似于色噪声。

发明内容

本发明为解决目前混沌激光发生装置受激光器驰豫振荡影响，所产生的混沌信号功率谱不均匀的技术问题，提供一种类似白噪声的宽带混沌信号的产生方法及装置。

本发明所述一种类似白噪声的宽带混沌信号的产生方法是采用以下技术方案实现的：一种类似白噪声的宽带混沌信号的产生方法，将两路混沌激光进行拍频，并将拍频后的光信号分成强度相等的两路；对这两路光信号进行平衡探测，提取差值信号并将差值信号转换为相应的电信号，该电信号就是类似白噪声的宽带混沌信号；拍频后分出的两路光信号从出射到被提取差值信号所经历的光程相等；所述混沌激光可通过时延系统或非时延系统产生；当采用非时延系统产生混沌激光时，两路混沌激光的光频差为10GHz~20GHz；当采用时延系统产生混沌激光时，两路混沌激光的光频差为10GHz~20GHz且两个混沌系统的时延之比不能等于m/n，其中，m、n为小于10的正整数。

本发明所述的一种类似白噪声的宽带混沌信号的产生装置是采用以下技术方案实现的：一种类似白噪声的宽带混沌信号的产生装置，包括两个混沌激光发射装置；所述两个混沌激光发射装置的出射端通过光纤共同连接有一个具有两个入射端以及两个出射端的光纤耦合器；所述光纤耦合器的两个出射端通过光纤共同连接有一个平衡探测器；连接光纤耦合器和平衡探测器的两路光纤的长度相等。

所述的混沌激光发射装置可采用时延系统，时延系统采用单反馈半导体激光器或光电反馈半导体激光器或时延耦合半导体激光器。所述的混沌激光发射装置可采用非时延系统，非时延系统采用外光单向注入半导体激光器。

本发明的工作原理包括：1.利用光纤耦合器进行拍频产生一个高频振荡，同时也能把相位能量转化为频率能量，从而使得频谱变得宽而平坦。2.混沌系统的时延对应于混沌信号自相关曲线的旁瓣，旁瓣等会间隔出现，这个时间间隔即为混沌系统的时延。本申请要求两个混沌系统的时延之比不能等于m/n（其中，m、n为小于10的正整数），即两个自相关曲线的旁瓣不可以有任何重叠的地方。由于外腔模式不同，因此，可以通过拍频相互抵消模式作用，从而彻底消除时延特征。3.对于时延系统和非时延系统，本发明均要求两路混沌激光的光频差为10GHz~20GHz，这是因为经过实验和模拟反复验证发现只有当光频差与混沌光的光谱宽度相近（通常为10GHz~20GHz）时，本发明所产生的频谱最为平坦。

本发明提供的一种类似白噪声的宽带混沌信号的产生方法及装置，与现有技术相比，不仅彻底消除了利用时延系统产生混沌激光所带来的周期性，而且可以产生类似白噪声的、宽而平坦的频谱，其优点与积极效果集中体现如下：

一、本发明产生的混沌信号频谱类似白噪声、宽而平坦。而已有报道技术受激光器驰豫振荡的影响，所产生的混沌信号的功率谱不均匀，尤其是在低频段能量很低。

二、本发明产生的混沌信号在频谱上无任何周期振荡，彻底消除了利用时延系统产生混沌激光所带来的周期性，提高了混沌通信的保密性、雷达和光时域反射仪的测量精度以及物理随机数的随机性，可应用于通信、遥感、传感等领域。

附图说明

图1是本发明所述装置的结构示意图（包含两个混沌激光发射装置）。

图2是本发明所述装置的结构示意图（包含多个混沌激光发射装置）。

图3是本发明的一个具体实施方式的结构示意图（包含两个单反馈半导体激光器）。

图4 是本发明产生的混沌信号频谱。插图为频率范围为6.4GHz-6.6GHz处的频谱细节。

图5 是单个单反馈半导体激光器产生的混沌信号频谱。插图为频率范围为6.4GHz-6.6GHz处的频谱细节。

图6是本发明的另一个具体实施方式的结构示意图（包含两个外光单向注入半导体激光器）。

图中：1和2：混沌激光发射装置；3：光纤耦合器；4：平衡探测器；1a、2a…Na：混沌激光发射装置；1b、2b…(N-1)b：光纤耦合器；5和6：单反馈半导体激光器；5a和6a：半导体激光器；5b和6b：偏振控制器；5c和6c：光纤环形器；5d和6d：可调光衰减器；5e和6e：光纤反射镜；5f和6f：光纤隔离器；7和8：外光单向注入半导体激光器；7a、8a：半导体激光器；7b和8b：偏振控制器；7c和8c：光纤环形器；7d和8d：光衰减器；7e和8e：半导体激光器；7f和8f：光纤隔离器。

具体实施方式

本发明所述的一种类似白噪声的宽带混沌信号的产生方法是将两路混沌激光经过光纤耦合器进行拍频，再分成强度相等的两路；然后将这两路光信号进行平衡探测，提取差值信号并将其转换为相应的电信号。本发明所述的装置包括两个混沌激光发射装置、光纤耦合器和平衡探测器。本发明所产生的混沌信号不仅具有类似白噪声、宽而平坦的频谱，而且频谱上无任何周期振荡，彻底消除了利用时延系统产生混沌激光所带来的周期性。为了更好地说明本发明的方法和装置，下面结合附图以两个单反馈半导体激光器和两个外光单向注入半导体激光器为例，对本发明做进一步的详细描述。

实施方式一如图3，是一种产生类似白噪声的宽带混沌信号的一个具体结构示意图。其具体实施方式如下：一种产生类似白噪声的宽带混沌信号的装置包括单反馈半导体激光器5、单反馈半导体激光器6、光纤耦合器3和平衡探测器4。其中，单反馈半导体激光器5包括半导体激光器5a、偏振控制器5b、光纤耦合器5c、可调光衰减器5d、光纤反射镜5e和光纤隔离器5f。单反馈半导体激光器6包括半导体激光器6a、偏振控制器6b、光纤耦合器6c、可调光衰减器6d、光纤反射镜6e和光纤隔离器6f。

半导体激光器5a输出的连续光依次经过偏振控制器5b、光纤耦合器5c和可调光衰减器5d，再进入光纤反射镜5e产生反射光，反射光又经过可调光衰减器5d、光纤耦合器5c和偏振控制器5b反馈回半导体激光器5a，对半导体激光器5a造成扰动，从而产生混沌激光，经光纤隔离器5f输出。同理，单反馈半导体激光器6也可以产生混沌激光。两路混沌激光经过光纤耦合器3进行拍频，再分成强度相等的两路；然后将这两路光信号进行平衡探测，提取差值信号并将其转换为相应的电信号。

半导体激光器5a的偏置电流由低噪声电流源控制在15mA（1.5倍阈值电流），此时激光器输出的光功率、中心波长和驰豫振荡频率分为1mW、1554nm和2.7GHz。光纤反射镜5e的反射率为99%，反馈延迟时间为50ns，调节可调光衰减器5d使反馈强度达到 -10dB时，输出功率为400uW的混沌激光。半导体激光器6a的偏置电流由低噪声电流源控制在15mA（1.5倍阈值电流），此时激光器输出的光功率、中心波长和驰豫振荡频率分别为1mW、1554.1nm和2.7GHz。光纤反射镜6f的反射率为99%，反馈延迟时间为30ns，调节可调光衰减器6d使反馈强度达到 -10dB时，输出功率为400uW的混沌激光。两路混沌激光的光频差为12.4GHz。利用47GHz带宽的光电探测器（

XPDV2020）和26.5GHz带宽的频谱仪（HP 8563E）分别观测本发明和单反馈半导体激光器产生的混沌激光的频谱，结果分别如图4、5所示。从图中可知，本装置所产生的混沌激光带宽为12GHz，平坦度为3.4dB，并且无任何周期振荡；单个单反馈半导体激光器所产生的混沌激光带宽为7.8GHz，平坦度为17.7dB，周期振荡明显。

实施方式二如图6，是一种产生类似白噪声的宽带混沌信号的另一个具体结构示意图。其具体实施方式如下：一种产生类似白噪声的宽带混沌信号的装置包括外光单向注入半导体激光器7、外光单向注入半导体激光器8、光纤耦合器3和平衡探测器4。其中，外光单向注入半导体激光器7包括半导体激光器7a、偏振控制器7b、光纤环形器7c、光衰减器7d、半导体激光器7e和光纤隔离器7f。外光单向注入半导体激光器8包括半导体激光器8a、偏振控制器8b、光纤环形器8c、光衰减器8d、半导体激光器8e和光纤隔离器8f。

半导体激光器7a输出的连续光依次经过偏振控制器7b、光纤耦合器7c和可调光衰减器7d，再进入半导体激光器7e，对半导体激光器7e造成扰动，从而产生混沌激光，经光纤隔离器7f输出。同理，外光单向注入半导体激光器8也可以产生混沌激光。两路混沌激光经过光纤耦合器进行拍频，再等分成两路；然后将这两路光信号进行平衡探测，提取差值信号并将其转换为相应的电信号。

图2为采用多个本发明所述的混沌激光发射装置组成的混沌激光产生装置，实际上是将本发明所述的多个装置叠加连接起来，对具有类似白噪声的宽带混沌信号进行一次拍频甚至多次拍频并提取差值信号，不断提高所获得信号的混沌特性。图中1a、2a…Na均为混沌激光发射装置；1b、2b…(N-1)b均为光纤耦合器。

Claims

1.一种类似白噪声的宽带混沌信号的产生方法，其特征在于，将两路混沌激光进行拍频，并将拍频后的光信号分成强度相等的两路；对这两路光信号进行平衡探测，提取差值信号并将差值信号转换为相应的电信号，该电信号就是类似白噪声的宽带混沌信号；拍频后分出的两路光信号从出射到被提取差值信号所经历的光程相等；所述混沌激光可通过时延系统或非时延系统产生；当采用非时延系统产生混沌激光时，两路混沌激光的光频差为10GHz~20GHz；当采用时延系统产生混沌激光时，两路混沌激光的光频差为10GHz~20GHz且两个混沌系统的时延之比不能等于m/n，其中，m、n为小于10的正整数。

2.一种类似白噪声的宽带混沌信号的产生装置，用于实现如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括两个混沌激光发射装置（1）和（2）；所述两个混沌激光发射装置（1）和（2）的出射端通过光纤共同连接有一个具有两个入射端以及两个出射端的光纤耦合器（3）；所述光纤耦合器（3）的两个出射端通过光纤共同连接有一个平衡探测器（4）；连接光纤耦合器（3）和平衡探测器（4）的两路光纤的长度相等。

3.如权利要求2所述的一种类似白噪声的宽带混沌信号的产生装置，其特征在于，所述的混沌激光发射装置（1）和（2）均采用时延系统；所述时延系统可采用单反馈半导体激光器或光电反馈半导体激光器或时延耦合半导体激光器。

4.如权利要求2所述的一种类似白噪声的宽带混沌信号的产生装置，其特征在于，所述的混沌激光发射装置（1）和（2）均采用非时延系统；所述非时延系统包括外光单向注入半导体激光器。