CN107576392B - 一种基于相干域的混沌激光外腔时延的识别装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光技术领域，具体是一种基于相干域的混沌激光外腔时延的识别装置。一种基于相干域的混沌激光外腔时延的识别装置,包括混沌激光源、光隔离器、第二1×2光纤耦合器、第一掺铒光纤放大器、第二光偏振控制器、延迟光纤、第二掺铒光纤放大器、单边带调制器、微波源、第三光偏振控制器、光偏振合束器、保偏光纤、第四光偏振控制器、第三掺铒光纤放大器、保偏环行器、光电探测器、示波器、探测脉冲激光源。本发明是一种在线提取时延特征的方式，提取速率更快；提取时延的结果更加简单、直观；且本发明提供的装置能够更加准确地识别混沌激光外腔时延的信息，并能识别出现有方法无法有效识别的时延信息，避免出现误判。

Description

一种基于相干域的混沌激光外腔时延的识别装置

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体是一种基于相干域的混沌激光外腔时延的识别装置。

背景技术

半导体激光器通过外腔反馈引入一个自由度可产生高维混沌激光。混沌激光具有类噪声、宽频谱和自相关曲线具有类似于d函数的特性，使其在保密通信、高速随机数产生、激光雷达、光时域反射仪以及分布式光纤传感等领域具有重要应用。然而，外腔反馈同时也使半导体激光器输出的混沌激光普遍携带外腔引起的时延信息，这对混沌激光的应用产生了不利影响。例如，对于混沌保密通信，保密性主要依赖于发射机参数确认的困难和收发系统同步对参数失配的敏感，然而利用外腔长作为混沌保密通信的密匙，会为混沌保密通信攻击者提供可能的线索，使其易于破解；对于基于混沌激光的高速随机数发生器，混沌激光的外腔时延特征暗含了周期性，削弱了混沌源的无序性，使生成随机码的随机性恶化；对于混沌激光雷达和混沌光时域反射仪，混沌激光信号的相关曲线在外腔时延对应处的峰值会降低其动态范围，甚至会引起目标误判；对于基于混沌激光的分布式光纤传感系统，混沌激光外腔时延特征对应的旁瓣噪声会影响系统的信噪比。因此，混沌激光的外腔时延特征极其严重地限制了混沌激光的应用。

近年来，混沌激光的时延特征成为混沌激光产生和应用领域诸多学者研究的对象。特别是混沌激光时延特征的提取问题，研究者提出了一些识别时延特征的方法，例如：基于时域的方法有自相关、互信息以及排列熵等；基于频域的方法有功率谱分析法。

基于时域的识别方法是通过数据采集装置记录下混沌激光信号的强度信息，然后通过计算机上的自相关、互信息或排列熵算法实现时延特征的提取；基于频域的识别方法是利用频谱分析仪记录下混沌激光信号的功率谱，然后对其分析来提取时延特征信息。然而上述方法容易出现对延时特征提取的误判，特别是在混沌激光外腔时延信息仍然存在，但是利用各种手段将时延信息隐藏的情况下。

基于此，有必要发明一种全新的混沌激光外腔时延的识别装置，以解决现有的混沌激光外腔时延识别方法存在的上述问题。

发明内容

本发明提供一种基于相干域的混沌激光外腔时延的识别装置，克服了现有识别方法在混沌激光外腔时延特征被隐藏的情况下出现误判的问题。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于相干域的混沌激光外腔时延的识别装置，包括混沌激光源、光隔离器、第二1×2光纤耦合器、第一掺铒光纤放大器、第二光偏振控制器、延迟光纤、第二掺铒光纤放大器、单边带调制器、微波源、第三光偏振控制器、光偏振合束器、保偏光纤、第四光偏振控制器、激光源、电光调制器、脉冲发生器、第三掺铒光纤放大器、保偏环行器、光电探测器、示波器；

其中，激光源、电光调制器、脉冲发生器共同构成探测脉冲激光源；

混沌激光源的出射端与光隔离器的入射端相连接，光隔离器的出射端与第二1×2光纤耦合器的入射端连接；第二1×2光纤耦合器的第一个出射端通过单模光纤跳线与第一掺铒光纤放大器的入射端连接；第一掺铒光纤放大器的出射端通过单模光纤跳线与第二光偏振控制器的入射端连接；第二1×2光纤耦合器的第二个出射端通过延迟光纤与第二掺铒光纤放大器的入射端连接；第二掺铒光纤放大器的出射端通过单模光纤跳线与单边带调制器的入射端连接；单边带调制器的出射端通过单模光纤跳线与第三光偏振控制器的入射端连接；第三光偏振控制器的出射端通过单模光纤跳线与光偏振合束器的同轴入射端连接；微波源的信号输出端与单边带调制器的信号输入端连接；保偏光纤的两端分别与第二光偏振控制器的出射端和光偏振合束器的出射端连接；

激光源的出射端通过单模光纤跳线与电光调制器的入射端连接；电光调制器的出射端通过单模光纤跳线与第三掺铒光纤放大器的入射端连接；第三掺铒光纤放大器的出射端通过单模光纤跳线与保偏环行器的入射端连接；保偏环行器的反射端通过单模光纤跳线与第四光偏振控制器的入射端连接；第四光偏振控制器的出射端通过单模光纤跳线与光偏振合束器的异轴入射端连接；脉冲发生器的信号输出端与电光调制器的信号输入端连接；

保偏环行器的出射端与光电探测器的信号输入端连接，光电探测器的信号输出端通过高频同轴电缆与示波器的信号输入端连接。

具体工作过程如下：混沌激光源输出的混沌泵浦激光由光隔离器进入第二1×2光纤耦合器并分为两路，第一路混沌泵浦激光依次经第一掺铒光纤放大器、第二光偏振控制器进入保偏光纤的一个光学主轴，第二路混沌泵浦激光依次经延迟光纤、第三掺铒光纤放大器、单边带调制器、第三光偏振控制器、光偏振合束器进入保偏光纤的同一光学主轴，其中微波源的作用是向单边带调制器提供频率为光纤布里渊频移的调制频率。两路混沌泵浦激光在保偏光纤中相遇，并在相遇处发生干涉，同时电致伸缩作用产生声波场，声波场周期性调制保偏光纤的折射率，由此形成布里渊动态光栅。与此同时，激光源输出的激光经电光调制器调制为频率满足双折射频移的探测脉冲激光。探测脉冲激光依次经第三掺铒光纤放大器、保偏环行器、第四光偏振控制器、光偏振合束器进入保偏光纤的另一光学主轴，并经布里渊动态光栅反射产生反射脉冲光。该反射光依次经光偏振合束器、第四光偏振控制器、保偏环行器进入光电探测器，经光电探测器转化为电信号进入示波器，示波器显示出该反射脉冲光信号。

进一步的，所述混沌激光源包括分布式反馈半导体激光器、环行器、第一1×2光纤耦合器、可调光衰减器、第一光偏振控制器；

分布式反馈半导体激光器的输出端与环行器的入射端连接；环行器的出射端与第一1×2光纤耦合器的入射端连接；第一1×2光纤耦合器的第一个出射端通过单模光纤跳线与可调光衰减器的入射端连接；可调光衰减器的出射端通过单模光纤跳线与第一光偏振控制器的入射端连接；第一光偏振控制器的出射端通过单模光纤跳线与环行器的反射端连接；第一1×2光纤耦合器的第二个出射端与光隔离器的入射端连接。

分布式反馈半导体激光器输出的激光依次经环行器、第一1×2光纤耦合器、可调光衰减器、第一光偏振控制器和环行器返回至分布式反馈半导体激光器，由此使得分布式反馈半导体激光器输出混沌泵浦激光。混沌泵浦激光依次经环行器、第一1×2光纤耦合器、光隔离器进入第二1×2光纤耦合器并分为两路。

本发明提供的一种基于相干域的混沌激光外腔时延的识别装置。与现有的混沌激光外腔时延的识别方法相比，其优点及积极效果在于：

1）现有的时域分析方法是先利用数据采集装置记录混沌激光信号的强度信息，再利用计算机算法提取时延特征信息，该方法是一种离线的处理方式。本发明与现有的时域分析方法及装置相比，是一种在线提取时延特征的方式，提取速率更快；

2）现有的频域分析方法是先利用高速光电探测器将混沌激光信号转换成电信号，再利用频谱分析仪记录下电信号的功率谱，并对其进行局部放大，观察是否存在周期，从而识别时延特征信息。该识别过程繁杂，观察周期容易出现误判。本发明提供的时延识别装置是先在保偏光纤中形成混沌布里渊动态光栅，然后再在保偏光纤中注入探测脉冲，通过观察反射脉冲是否有旁瓣来确定时延特征信息。与现有的频域分析方法及装置相比，本发明提取时延的结果更加简单、直观；

3）现有的时域和频域分析方法只有混沌激光强度参与混沌时延信息识别的过程，而本发明提供的识别装置本质上是通过分别注入光纤两端的混沌激光场相互干涉作用而完成混沌时延信息的识别，不仅混沌激光的幅度参与混沌时延信息的识别过程，而且混沌激光的相位也参与混沌时延信息的识别过程。因此，与现有的时域和频域分析方法相比,本发明提供的装置能够更加准确地识别混沌激光外腔时延的信息，并能识别出现有方法无法有效识别的时延信息，避免出现误判。

附图说明

图1是本发明装置的示意图。

图中：1-分布式反馈半导体激光器；2-环行器；3-第一1×2光纤耦合器；4-可调光衰减器；5-第一光偏振控制器；6-光隔离器；7-第二1×2光纤耦合器；8-第一掺铒光纤放大器；9-第二光偏振控制器；10-延迟光纤；11-第二掺铒光纤放大器；12-单边带调制器；13-微波源；14-第三光偏振控制器；15-光偏振合束器；16-保偏光纤；17-第四光偏振控制器；18-激光源；19-电光调制器；20-脉冲发生器；21-第三掺铒光纤放大器；22-保偏环行器；23-光电探测器；24-示波器；25-混沌激光源；26-探测脉冲激光源。

图2是数值模拟在保偏光纤中形成的混沌布里渊动态光栅图。

图3是探测脉冲经混沌布里渊动态光栅反射后输出的反射脉冲图。

具体实施方式

一种基于相干域的混沌激光外腔时延的识别装置：包括分布式反馈半导体激光器1、环行器2、第一1×2光纤耦合器3、可调光衰减器4、第一光偏振控制器5、光隔离器6、第二1×2光纤耦合器7、第一掺铒光纤放大器8、第二光偏振控制器9、延迟光纤10、第二掺铒光纤放大器11、单边带调制器12、微波源13、第三光偏振控制器14、光偏振合束器15、保偏光纤16、第四光偏振控制器17、激光源18、电光调制器19、脉冲发生器20、第三掺铒光纤放大器21、保偏环行器22、光电探测器23、示波器24；

其中，分布式反馈半导体激光器1、环行器2、第一1×2光纤耦合器3、可调光衰减器4、第一光偏振控制器5共同构成混沌激光源25；激光源18、电光调制器19、脉冲发生器20共同构成探测脉冲激光源26；

分布式反馈半导体激光器1的输出端与环行器2的入射端连接；环行器2的出射端与第一1×2光纤耦合器3的入射端连接；第一光纤耦合器3的第一个出射端通过单模光纤跳线与可调光衰减器4的入射端连接；可调光衰减器4的出射端通过单模光纤跳线与第一光偏振控制器5的入射端连接；第一光偏振控制器5的出射端通过单模光纤跳线与环行器2的反射端连接；第一1×2光纤耦合器3的第二个出射端与光隔离器6的入射端连接；光隔离器6的出射端与第二1×2光纤耦合器7的入射端连接；

第二1×2光纤耦合器7的第一个出射端通过单模光纤跳线与第一掺铒光纤放大器8的入射端连接；第一掺铒光纤放大器8的出射端通过单模光纤跳线与第二光偏振控制器9的入射端连接；第二1×2光纤耦合器7的第二个出射端通过延迟光纤10与第二掺铒光纤放大器11的入射端连接；第二掺铒光纤放大器11的出射端通过单模光纤跳线与单边带调制器12的入射端连接；单边带调制器12的出射端通过单模光纤跳线与第三光偏振控制器14的入射端连接；第三光偏振控制器14的出射端通过单模光纤跳线与光偏振合束器15的同轴入射端连接；微波源13的信号输出端与单边带调制器12的信号输入端连接；保偏光纤16的两端分别与第二偏振控制器9的出射端和光偏振合束器15的出射端连接；

激光源18的出射端通过单模光纤跳线与电光调制器19的入射端连接；电光调制器19的出射端通过单模光纤跳线与第三掺铒光纤放大器21的入射端连接；第三掺铒光纤放大器21的出射端通过单模光纤跳线与光保偏环行器22的入射端连接；光保偏环行器22的反射端通过单模光纤跳线与第四光偏振控制器17的入射端连接；第四光偏振控制器17的出射端通过单模光纤跳线与光偏振合束器15的异轴入射端连接；脉冲发生器20的信号输出端与电光调制器19的信号输入端连接；

保偏环行器22的出射端与光电探测器23的信号输入端连接，光电探测器23的信号输出端通过高频同轴电缆与示波器24的信号输入端连接。

具体实施时，第一1×2光纤耦合器3和第二1×2光纤耦合器7的耦合比均为50:50，保偏光纤16采用熊猫型保偏光纤。

具体实施时，通过向30m长的保偏光纤两端分别注入平均功率为100mW、偏振方向相同、频差为光纤布里渊频移的两束相同的混沌光信号，在保偏光纤中形成混沌布里渊动态光栅，如图2所示。这是我们利用建立的混沌布里渊动态光栅的理论模型，数值产生混沌布里渊动态光栅的模拟结果。对两束混沌光信号频差的控制可通过调节微波源13的输出频率实现。由图2可以看到，在混沌布里渊动态光栅的两边存在着对称分布的弱光栅。这是因为混沌激光信号中含有外腔时延引起的周期信号，在两束混沌激光干涉形成混沌布里渊动态光栅的同时，周期信号的干涉也会形成弱光栅。弱光栅的有无可以直接提取混沌激光的外腔时延特征，但是在实验中，弱光栅是在保偏光纤中形成，无法直接观测到。因此，需再向保偏光纤中注入一束峰值功率为100W，脉冲宽度（FWHM）为100ps的高斯探测光脉冲，通过观测探测脉冲经弱光栅的反射脉冲来间接判断保偏光纤中弱光栅的存在。图3为探测脉冲经保偏光纤中混沌布里渊动态光栅反射后，输出的反射脉冲，并用示波器24记录之。可以看到，反射脉冲存在两个脉冲，一个为主峰，是探测脉冲经混沌布里渊动态光栅反射形成；另一个为旁瓣，是探测脉冲经混沌激光时延信号引起的弱光栅反射形成。因此，通过观测反射脉冲旁瓣的有无，可以直观地识别混沌激光外腔的时延特征。

Claims (3)

1.一种基于相干域的混沌激光外腔时延的识别装置，其特征在于：包括混沌激光源（25）、光隔离器（6）、第二1×2光纤耦合器（7）、第一掺铒光纤放大器（8）、第二光偏振控制器（9）、延迟光纤（10）、第二掺铒光纤放大器（11）、单边带调制器（12）、微波源（13）、第三光偏振控制器（14）、光偏振合束器（15）、保偏光纤（16）、第四光偏振控制器（17）、激光源(18)、电光调制器（19）、脉冲发生器（20）、第三掺铒光纤放大器（21）、保偏环行器（22）、光电探测器（23）、示波器（24）；

其中，激光源(18)、电光调制器(19)、脉冲发生器(20)共同构成探测脉冲激光源（26）；

混沌激光源（25）的出射端与光隔离器(6)的入射端相连接，光隔离器(6)的出射端与第二1×2光纤耦合器(7)的入射端连接；第二1×2光纤耦合器(7)的第一个出射端通过单模光纤跳线与第一掺铒光纤放大器(8)的入射端连接；第一掺铒光纤放大器(8)的出射端通过单模光纤跳线与第二光偏振控制器(9)的入射端连接；第二1×2光纤耦合器(7)的第二个出射端通过延迟光纤（10）与第二掺铒光纤放大器(11)的入射端连接；第二掺铒光纤放大器(11)的出射端通过单模光纤跳线与单边带调制器(12)的入射端连接；单边带调制器(12)的出射端通过单模光纤跳线与第三光偏振控制器(14)的入射端连接；第三光偏振控制器(14)的出射端通过单模光纤跳线与光偏振合束器(15)的同轴入射端连接；微波源(13)的信号输出端与单边带调制器(12)的信号输入端连接；保偏光纤（16）的两端分别与第二光偏振控制器(9)的出射端和光偏振合束器(15)的出射端连接；

激光源(18)的出射端通过单模光纤跳线与电光调制器(19)的入射端连接；电光调制器(19)的出射端通过单模光纤跳线与第三掺铒光纤放大器(21)的入射端连接；第三掺铒光纤放大器(21)的出射端通过单模光纤跳线与保偏环行器(22)的入射端连接；保偏环行器(22)的反射端通过单模光纤跳线与第四光偏振控制器（17）的入射端连接；第四光偏振控制器（17）的出射端通过单模光纤跳线与光偏振合束器(15)的异轴入射端连接；脉冲发生器（20）的信号输出端与电光调制器（19）的信号输入端连接；

保偏环行器(22)的出射端与光电探测器(23)的信号输入端连接，光电探测器(23)的信号输出端通过高频同轴电缆与示波器（24）的信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于相干域的混沌激光外腔时延的识别装置，其特征在于：所述混沌激光源（25）包括分布式反馈半导体激光器(1)、环行器(2)、第一1×2光纤耦合器(3)、可调光衰减器(4)、第一光偏振控制器(5)；

分布式反馈半导体激光器(1)的输出端与环行器(2)的入射端连接；环行器(2)的出射端与第一1×2光纤耦合器(3)的入射端连接；第一1×2光纤耦合器(3)的第一个出射端通过单模光纤跳线与可调光衰减器(4)的入射端连接；可调光衰减器(4)的出射端通过单模光纤跳线与第一光偏振控制器(5)的入射端连接；第一光偏振控制器(5)的出射端通过单模光纤跳线与环行器(2)的反射端连接；第一1×2光纤耦合器(3)的第二个出射端与光隔离器(6)的入射端连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于相干域的混沌激光外腔时延的识别装置，其特征在于：所述第一1×2光纤耦合器（3）的耦合比、第二1×2光纤耦合器（7）的耦合比均为50:50；所述保偏光纤（16）为熊猫型保偏光纤。