CN106027224B - 一种基于光电反馈环形激光器的保密通信系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于光电反馈环形激光器的保密通信系统包括：光电反馈结构和光电注入结构；D‑SRL中的CW模式输出的光和信息发射端发射的信息经过BS分为第一光束和第二光束，第一光束通过第一PD转换为电信号后，经过第一放大器放大，再经过第一网络偏置器结合第一直流输入端的直流电反馈回D‑SRL中；第二光束通过第二PD转换为电信号后，经过第二放大器放大，再经过第二网络偏置器结合第二直流输入端的直流电注入到R‑SRL中形成混沌载波，然后经过第三PD转换为电信号输入到解调器，通过将R‑SRL的输入与输出相减后把信息发射端发射的信息解调出来从信息接收端输出。本发明具有光传输和光电反馈的结构，因而对光和电都具有很好的兼容性，可实现高速混沌保密通信。
Description
技术领域
本发明涉及混沌同步通信领域，具体涉及一种基于光电反馈环形激光器的保密通信系统。
背景技术
人类对混沌同步通信的探索从未间断过，1990年Pecora和Carroll提出并验证了混沌同步方案，紧接着，1994年Colet和Roy就提出了光混沌同步通信的思想。随着研究的深入，半导体激光器(Semiconductor Lasers，SLs)因其具有高调制带宽以及与光纤系统的良好兼容性等优点而逐渐进入人们视野。随着时代的发展，更多种类的SLs相继问世。而基于SLs的混沌同步通信系统也被相继提出，从简单的单向混沌同步通信到单向双信道混沌通信，再到复杂的双向双信道混沌通信。
近年来，基于一种新型的半导体环形激光器(Semiconductor Ring Lasers，SRLs)的混沌保密通信备受人们的关注。与其他类型的SLs相比，SRLs它具有低阀值、小尺寸、高集成度、低功耗等独特的优势，并且SRLs内部是一个环形的谐振腔，腔内激光就不需要反射镜或者端面来提供反馈。因此，SRLs存在两个相反方向的输出模式，按顺时针方向旋转的称为顺时针(Clockwise，CW)模式，另一模式按逆时针方向旋转，称为逆时针(Counterclockwise，CCW)模式。但是由于SRLs响应带宽的限制，使得基于SRLs的混沌同步通信传输的信息速率很低，安全性也极低，以及延伸导致用户体验不佳。
发明内容
为解决现有半导体环形激光器的混沌同步通信传输的信息速率很低，安全性也极低，以及延伸导致的用户体验不佳等问题，本发明提出了一种基于光电反馈环形激光器的保密通信系统。
本发明提出的一种基于光电反馈环形激光器的保密通信系统，其特征在于，所述系统包括：光电反馈结构和光电注入结构；
所述光电反馈结构包括驱动半导体环形激光器(Driving Semiconductor RingLaser，D-SRL)、信息发射端、光分束器(Beam Splitter,BS)、第一光电探测器(Photodetector，PD)、第一放大器、第一网络偏置器及第一直流输入端；所述D-SRL包括两个相反方向的输出模式：顺时针(Clockwise，CW)模式和逆时针(Counterclockwise，CCW)模式；其中，所述D-SRL中的CW模式输出的光和所述信息发射端发射的信息经过所述BS分为第一光束和第二光束，所述第一光束通过所述第一PD转换为电信号后，经过所述第一放大器放大，再经过第一网络偏置器结合所述第一直流输入端的直流电反馈回所述D-SRL中，从而构成所述光电反馈结构；
所述光电注入结构包括第二PD、第二放大器、第二网络偏置器、第二直流输入端、响应半导体环形激光器(Responding Semiconductor Ring Laser，R-SRL)、第三PD、解调器及信息接收端；所述第二光束通过所述第二PD转换为电信号后，经过所述第二放大器放大，再经过第二网络偏置器结合所述第二直流输入端的直流电注入到所述R-SRL中形成混沌载波，然后经过所述第三PD转换为电信号输入到所述解调器，所述解调器还接收所述第二光束通过第二PD转换成的电信号，将经过所述第二PD转换成的电信号与经过所述第三PD转换成的电信号相减后把所述信息发射端发射的信息解调出来从所述信息接收端输出，从而构成所述光电注入结构。
进一步的，通过设置所述第一和第二放大器的放大率和注入所述R-SRL的延迟时间量，调整所述D-SRL和R-SRL之间的光混沌输出实现混沌同步，以建立基于所述D-SRL和R-SRL的光电反馈型光混沌通信。
进一步的，所述信息发射端发射的信息的加载方式采用混沌调制方式，所述信息与所述D-SRL的输出相加后，所述发射的信息的一部分反馈回所述D-SRL中，所述信息的另一部分注入到所述R-SRL中，基于所述D-SRL与所述R-SRL之间的混沌同步，所述混沌载波在所述R-SRL中被再生，通过将所述R-SRL的输入与输出相减，从而解调出来从所述信息接收端输出。
进一步的，所述D-SRL和R-SRL为对称结构时可达到高质量的混沌同步；所述对称结构为反馈强度ηOE与注入强度δ相等、所述D-SRL的反馈延迟时间τOE和所述R-SRL的注入延迟时间τc相等；所述反馈强度ηOE为反馈回所述D-SRL的光场与输出光场之间的比值；所述注入强度δ为注入所述R-SRL光场与输出光场之间比值。
进一步的，所述反馈强度ηOE与注入强度δ相等且均介于1.045与1.155之间；所述D-SRL的反馈延迟时间τOE和所述R-SRL的注入延迟时间τc相等且均介于2.1ns与2.3ns之间。
进一步的，所述反馈强度ηOE与注入强度δ均为1.1；所述D-SRL的反馈延迟时间τOE和所述R-SRL的注入延迟时间τc均为2.2ns。
进一步的，所述R-SRL的个数为两个，通过所述D-SRL驱动所述两个R-SRL，使所述两个R-SRL达到高质量的等时同步，从而完成高速双向双信道混沌保密通信。
本发明的有益效果为具有光传输和光电反馈的结构，因而对光和电都具有很好的兼容性，结合电子控制方式的简便性和光器件的高性能优点，还可以实现一个驱动激光器驱动两个响应激光器，使两个响应激光器达到高质量的等时同步，两个响应激光器完成高速双向双信道混沌保密通信，增加用户体验。
附图说明
图1为本发明基于光电反馈环形激光器的保密通信系统一实施方式的系统结构图。
图2为本发明基于光电反馈环形激光器的保密通信系统中的D-SRL的光电反馈特性图。
图3为本发明基于光电反馈环形激光器的保密通信系统中的D-SRL和R-SRL的第一混沌同步特性图。
图4为本发明基于光电反馈环形激光器的保密通信系统中的D-SRL和R-SRL的第二混沌同步特性图。
图5为本发明基于光电反馈环形激光器的保密通信系统中的D-SRL与R-SRL互相关系数随Δη(a)、Δτ(b)在-5％～5％变化的演化图。
图6为本发明基于光电反馈环形激光器的保密通信系统中的D-SRL与R-SRL之间的高速、双信道混沌保密通信图。
具体实施方式
本发明光传输和光电反馈的结构，因而对光和电都具有很好的兼容性，结合电子控制方式的简便性和光器件的高性能优点，还可以实现一个驱动激光器驱动两个响应激光器，使两个响应激光器达到高质量的等时同步，两个响应激光器完成高速双向双信道混沌保密通信。
图1为本发明基于光电反馈环形激光器的保密通信系统10一实施方式的系统结构图。图中，10为基于光电反馈环形激光器的保密通信系统，12为第一直流输入端，14为第一网络偏置器，16为第一放大器，18为第一光电探测器，20为驱动半导体环形激光器(DrivingSemiconductor Ring Laser，D-SRL)，22为信息发射端，24光分束器，26为第二光电探测器，28为第二放大器，30为第二网络偏置器，32为第二直流输入端，34为响应半导体环形激光器(Responding Semiconductor Ring Laser，R-SRL)，36为第三光电探测器，38为解调器，40为信息接收端。
请参阅图1，为本发明基于光电反馈环形激光器的保密通信系统一实施方式的系统结构图。在本实施方式中，基于光电反馈环形激光器的保密通信系统10包括：光电反馈结构(未标注)和光电注入结构(未标注)。
光电反馈结构包括D-SRL 20、信息发射端22、BS 24、第一光电探测器(Photodetector，PD)18、第一放大器16、第一网络偏置器14及第一直流输入端12。D-SRL 20包括两个相反方向的输出模式：顺时针(Clockwise，CW)模式和逆时针(Counterclockwise，CCW)模式。其中，D-SRL 20中的CW模式输出的光和信息发射端22发射的信息经过BS 24分为第一光束和第二光束。第一光束通过第一PD 18转换为电信号后，经过第一放大器16放大，再经过第一网络偏置器14结合第一直流输入端12的直流电反馈回D-SRL 20中，从而构成光电反馈结构。
光电注入结构包括第二PD 26、第二放大器28、第二网络偏置器30、第二直流输入端32、响应半导体环形激光器(Responding Semiconductor Ring Laser，R-SRL)34、第三PD36、解调器38及信息接收端40。第二光束通过第二PD 26转换为电信号后，经过第二放大器28放大，再经过第二网络偏置器30结合第二直流输入端32的直流电注入到R-SRL 34中形成混沌载波，然后经过第三PD 36转换为电信号输入到解调器38，解调器38还接收第二光束通过第二PD 26转换成的电信号，通过将经过第二PD 26转换成的电信号与经过所述第三PD36转换成的电信号相减后把信息发射端22发射的信息解调出来从信息接收端40输出。
在本实施例中，通过设置第一和第二放大器的放大率和注入R-SRL 34的延迟时间量，调整D-SRL 20和R-SRL 34之间的光混沌输出实现混沌同步，以建立基于D-SRL 20和R-SRL 34的光电反馈型光混沌通信。
信息发射端22发射的信息的加载方式采用混沌调制方式，发射的信息与D-SRL 20的输出相加后，信息的一部分反馈回D-SRL 20中，信息的另一部分注入到R-SRL 34中，基于D-SRL 20与R-SRL 34之间的混沌同步，混沌载波在R-SRL 34中被再生，通过将R-SRL 34的输入与输出相减，从而解调出来从信息接收端40输出。
在本实施例中，D-SRL 20和R-SRL 34为对称结构时可达到高质量的混沌同步，对称结构为反馈强度ηOE与注入强度δ相等、D-SRL 20的反馈延迟时间τOE和R-SRL 34的注入延迟时间τc相等，反馈强度ηOE为反馈回D-SRL 20的光场与输出光场之间的比值，注入强度δ为注入R-SRL 34光场与输出光场之间比值。反馈强度ηOE与注入强度δ相等且均介于1.045与1.155之间，D-SRL 20的反馈延迟时间τOE和R-SRL 34的注入延迟时间τc相等且均介于2.1ns与2.3ns之间。
在一具体实施例中，反馈强度ηOE与注入强度δ均为1.1，D-SRL 20的反馈延迟时间τOE和R-SRL 34的注入延迟时间τc均为2.2ns，可达到高质量高速混沌保密通信。
在其他实施例中，R-SRL 34的个数为两个，通过D-SRL 20驱动两个R-SRL 34，使两个R-SRL 34达到高质量的等时同步，从而完成高速双向双信道混沌保密通信。
在一具体实施例中，基于光电反馈环形激光器的保密通信系统10动力学特性的速率方程：
方程中上标D、R分别表示D-SRL、R-SRL，下标cw和ccw分别表示SRLs中的CW和CCW两个模式。κ为光场衰减率，α为线宽增强因子，E为激光器的慢变场振幅，N为载流子数。γ为载流子衰减率，k和φk分别为反向散射振幅和相位，k＝(kd 2+kc 2)1/2，φk＝tan-1(kc/kd)，其中kd和kc分别表示耗散和保守耦合系数。μ为归一化注入电流，阈值时μ＝1。ηOE为反馈强度，而τOE为反馈延迟时间。δ为注入强度，τc为注入延迟时间。微分增益gcw＝1-s|Ecw|2-c|Eccw|2，gccw＝1-s|Eccw|2-c|Ecw|2，其中s和c为自饱和系数和交叉饱和系数。方程(1)最后一项表示自发辐射噪声项，ξ为平均值为0，方差为1的高斯白噪声，D表征噪声强度：
D＝Dm(N+G0N0/κ) (3)
这里的Dm为自发辐射因子，G0为增益系数，N0为透明的载流子密度。
D-SRL20、R-SRL 34的各模式之间的同步质量用关联函数C来描述，其定义为：
式中上标i，j＝D，R(D，R分别表示D-SRL 20、R-SRL 34)，下标cw和ccw表示D-SRL20、R-SRL 34的两个模式，强度I＝|E|2，Δt为时移，t为时间平均值。这里的Δt∈(-50ns，50ns)，步长为2ps，|C|的取值范围为[0，1]，两个模式间的同步性能越好|C|值就越大，当|C|＝1时，达到完全同步。为简便起见，两个D-SRL 20、R-SRL 34参数都设置相同κ＝100ns-1，α＝3.5。γ＝0.2ns-1，kd＝0.0327ns-1，kc＝0.44ns-1，s＝0.005，c＝2s，μ＝1.7，G0＝10-12m-3s-1，N0＝1.4×1024m-3。在下面的模拟过程中，我们忽略自发辐射噪声的影响，Dm＝0。
请参阅图2，为本发明基于光电反馈环形激光器的保密通信系统10中的D-SRL 20的光电反馈特性图。图2给出了基于光电反馈D-SRL 20的时间序列(a)和功率谱(b)，从图2(a)可以看出，当ηOE＝1.1，τOE＝2.2ns时，D-SRL的CW模式和CCW模式的时间序列相同。图2(b)是D-SRL的CW模和CCW模对应的功率谱，然后将此CW模式的混沌信号通过第二PD 26和第一放大器28注入到R-SRL 34中，驱动R-SRL 34的CW模和CCW模也进入混沌状态，使D-SRL 20与R-SRL 34的两个对应模式之间达到混沌同步。
请参阅图3，为本发明基于光电反馈环形激光器的保密通信系统10中的D-SRL 20和R-SRL 34的第一混沌同步特性图。图3给出了ηOE＝δ＝1.1，τOE＝τc＝2.2ns时，D-SRL 20与R-SRL 20时间序列(a)、自相关函数(b)。由图3(a)可以看出，当系统处于对称结构时，D-SRL20与R-SRL 34的两个对应模式之间的时间序列完全相同，说明D-SRL 20与R-SRL 34达到完全同步。从自相关函数(图3(b))也可以看出，这时D-SRL 20与R-SRL 34达到完全同步，互相关系数为1。系统中ηOE与δ、τOE与τc不相等时也会影响激光器之间的同步性能。
请参阅图4，为本发明基于光电反馈环形激光器的保密通信系统10中的D-SRL 20和R-SRL 34的第二混沌同步特性图。图4给出了Δη＝1％(a)、Δτ＝1％(b)时，D-SRL 20与R-SRL 34自相关函数。由图4(a)可以看出，当Δη＝1％时，D-SRL 20与R-SRL 34两个对应模式之间互相关性很低，互相关系数分别为0.5371与0.5581。由图4(b)同样可以看出，当Δτ＝1％时，D-SRL 20与R-SRL 34两个对应模式之间互相关性也很低，互相关系数分别为0.5563与0.5729。
请参阅图5，为本发明基于光电反馈环形激光器的保密通信系统10中的D-SRL20与R-SRL 34互相关系数随Δη(a)、Δτ(b)在-5％～5％变化的演化图。从图5(a)中可以看到，当系统处于Δη＝0％、Δτ＝0％时，D-SRL 20与R-SRL 34的互相关系数为1，随着Δη由-5％向5％变化，而Δτ＝0％时，互相关系数下降到0.5左右。同样，从图5(b)中也可以看到，当系统处于Δτ＝0％、Δη＝0％时，D-SRL 20与R-SRL 34的互相关系数为1。随着Δτ由-5％向5％变化，而Δη＝0％时，互相关系数也下降到0.5左右。从中可以看出，基于光电反馈D-SRL与R-SRL的同步性能对Δη、Δτ有很高要求。
请参阅图6，为本发明基于光电反馈环形激光器的保密通信系统10中的D-SRL 20与R-SRL 34之间的高速、双信道混沌保密通信图。图6给出了当ηOE＝δ＝1.1，τOE＝τc＝2.2ns时，两个10Gbit/s随机方波信息(图6(a))以5％的调制深度分别加载到D-SRL 20的CW模和CCW模混沌载波上，通过传输解调，图6(b)为解调信息的时间序列，从图6(a)、图6(b)可看出，信息经过传输得到了很好的恢复。对应的眼图(图6(c))清晰可见，其Q值分别为11.12和11.06，结果显示该系统在对称结构下具有良好的通信质量。这为基于光电反馈D-SRL 20与R-SRL 34的系统双信道混沌保密通信的实现提供参考，而当Δη＝1％、Δτ＝0％时，加载到D-SRL 20上的10Gbit/s随机方波信息经过传输不能得到很好的恢复，其对应的Q值分别为0.26和0.21，基于D-SRL 20与R-SRL 34各模式之间的混沌同步，来实现D-SRL 20与R-SRL34之间的高速、双信道混沌保密通信。
本发明的有益效果为基于光电反馈环形激光器的保密通信系统10具有光传输和光电反馈的结构，因而对光和电都具有很好的兼容性，结合电子控制方式的简便性和光器件的高性能优点，还可以实现一个驱动激光器驱动两个响应激光器，使两个响应激光器达到高质量的等时同步，两个响应激光器完成高速双向双信道混沌保密通信，增加用户体验。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于光电反馈环形激光器的保密通信系统，其特征在于，所述系统包括：光电反馈结构和光电注入结构；
所述光电反馈结构包括驱动半导体环形激光器(Driving Semiconductor RingLaser，D-SRL)、信息发射端、光分束器(Beam Splitter,BS)、第一光电探测器(Photodetector，PD)、第一放大器、第一网络偏置器及第一直流输入端；所述D-SRL包括两个相反方向的输出模式：顺时针(Clockwise，CW)模式和逆时针(Counterclockwise，CCW)模式；其中，所述D-SRL中的CW模式输出的光和所述信息发射端发射的信息经过所述BS分为第一光束和第二光束，所述第一光束通过所述第一PD转换为电信号后，经过所述第一放大器放大，再经过第一网络偏置器结合所述第一直流输入端的直流电反馈回所述D-SRL中，从而构成所述光电反馈结构；
所述光电注入结构包括第二PD、第二放大器、第二网络偏置器、第二直流输入端、响应半导体环形激光器(Responding Semiconductor Ring Laser，R-SRL)、第三PD、解调器及信息接收端；所述第二光束通过所述第二PD转换为电信号后，经过所述第二放大器放大，再经过第二网络偏置器结合所述第二直流输入端的直流电注入到所述R-SRL中形成混沌载波，然后经过所述第三PD转换为电信号输入到所述解调器，所述解调器还接收所述第二光束通过第二PD转换成的电信号，将经过所述第二PD转换成的电信号与经过所述第三PD转换成的电信号相减后把所述信息发射端发射的信息解调出来从所述信息接收端输出，从而构成所述光电注入结构。
2.如权利要求1所述的基于光电反馈环形激光器的保密通信系统，其特征在于，通过设置所述第一和第二放大器的放大率和注入所述R-SRL的延迟时间量，调整所述D-SRL和R-SRL之间的光混沌输出实现混沌同步，以建立基于所述D-SRL和R-SRL的光电反馈型光混沌通信。
3.如权利要求2所述的基于光电反馈环形激光器的保密通信系统，其特征在于，所述信息发射端发射的信息的加载方式采用混沌调制方式，所述发射的信息与所述D-SRL的输出相加后，所述信息的一部分反馈回所述D-SRL中，所述信息的另一部分注入到所述R-SRL中，基于所述D-SRL与所述R-SRL之间的混沌同步，所述混沌载波在所述R-SRL中被再生，通过将所述R-SRL的输入与输出相减，从而解调出来从所述信息接收端输出。
4.如权利要求1所述的基于光电反馈环形激光器的保密通信系统，其特征在于，所述D-SRL和R-SRL为对称结构时可达到高质量的混沌同步；所述对称结构为反馈强度ηOE与注入强度δ相等、所述D-SRL的反馈延迟时间τOE和所述R-SRL的注入延迟时间τc相等；所述反馈强度ηOE为反馈回所述D-SRL的光场与输出光场之间的比值；所述注入强度δ为注入所述R-SRL光场与输出光场之间比值。
5.如权利要求4所述的基于光电反馈环形激光器的保密通信系统，其特征在于，所述反馈强度ηOE与注入强度δ相等且均介于1.045与1.155之间；所述D-SRL的反馈延迟时间τOE和所述R-SRL的注入延迟时间τc相等且均介于2.1ns与2.3ns之间。
6.如权利要求5所述的基于光电反馈环形激光器的保密通信系统，其特征在于，所述反馈强度ηOE与注入强度δ均为1.1；所述D-SRL的反馈延迟时间τOE和所述R-SRL的注入延迟时间τc均为2.2ns。
7.如权利要求1所述的基于光电反馈环形激光器的保密通信系统，其特征在于，所述R-SRL的个数为两个，通过所述D-SRL驱动所述两个R-SRL，使所述两个R-SRL达到高质量的等时同步，从而完成高速双向双信道混沌保密通信。
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| CN103094820A (zh) * | 2013-01-17 | 2013-05-08 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 全光纤化两路环形激光器 |
| CN103384950A (zh) * | 2013-01-21 | 2013-11-06 | 华为技术有限公司 | 激光器波导装置 |
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| Publication number | Publication date |
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| CN106027224A (zh) | 2016-10-12 |
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