CN107591678B - 一种基于相干域的混沌激光外腔时延的识别方法 - Google Patents

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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方法。解决了目前混沌激光外腔时延的识别方法主要是在时域或频域内对混沌信号强度信息的二维空间数学分析，面对目前提出的多种隐藏或抑制时延信息的技术方法时，往往无法有效识别出时延信息的技术问题。本发明提供的混沌激光外腔时延的识别方法是在光相干域中进行，避免了时域和频域分析方法中将混沌激光转换成电信号的光电转换过程，而且整个混沌激光外腔时延的识别过程都在光域中进行，极大地提高了混沌激光外腔时延的识别时间。本发明提供的方法识别混沌激光外腔时延的信息更加准确，并能识别出现有方法无法有效识别的混沌激光外腔时延。

Description

一种基于相干域的混沌激光外腔时延的识别方法
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方法。
背景技术
外腔反馈半导体激光器具有动态特性丰富、稳定性好，结构简单等优势，已被广泛应用于高速真随机密钥产生、混沌保密通信、以及分布式光纤传感等领域。然而，外腔谐振导致其产生的混沌激光信号具有反馈时延特征，暗含的周期性降低了混沌保密通信系统的安全性，削弱了产生的随机数的无序性以及影响到分布式光纤传感的信噪比等。因此，近年来，识别外腔反馈半导体激光器时延特征的研究受到广泛关注，提出了多种方法来识别时延特征，主要分为时域分析方法和频域分析方法。
时域分析方法是对时延动力学系统的时间序列进行分析而提取时延特征的方法。由于混沌激光信号的强度随时间作无规则的随机变化，其类噪声的这种特性无法直接从时间序列上观察到外腔时延特征，而需要通过数学手段对混沌激光信号的时序分析来提取。常用的时域分析方法有自相关函数、互信息以及排列熵[J.Opt.Technol.72(5),373-377,2005]等。频域分析方法是在混沌激光信号的频域内对功率谱进行分析而提取时延特征的方法[Electron.Lett.,46(24),2010]。
然而以上的混沌激光外腔时延的识别方法主要是在时域或频域内对混沌信号强度信息的二维空间数学分析，面对目前提出的多种隐藏或抑制时延信息的技术方法时，往往无法有效识别出时延信息，造成了时延信息被隐藏或抑制的假象，这对混沌激光在各领域的应用产生了潜在的不利影响。
基于此，有必要发明一种全新的混沌激光外腔时延的识别方法，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
本发明为解决目前混沌激光外腔时延的识别方法主要是在时域或频域内对混沌信号强度信息的二维空间数学分析，面对目前提出的多种隐藏或抑制时延信息的技术方法时，往往无法有效识别出时延信息的技术问题，提供一种基于相干域的混沌激光外腔时延的识别方法。
本发明是采用以下技术方案实现的：一种基于相干域的混沌激光外腔时延的识别方法，通过向光纤两端分别注入偏振方向相同、频差为光纤布里渊频移的两束相同的混沌光信号，在相遇位置处两混沌光信号发生干涉，同时受电致伸缩作用产生声波场；通过采集和处理声波场信号，可得到其在光纤中的时空分布三维图，从声波场的时空分布三维图上可以识别混沌激光的外腔时延信息。
所述向光纤两端分别注入偏振方向相同、频差为光纤布里渊频移的两束相同的混沌光信号，在相遇位置处两混沌光信号发生干涉，同时光纤受电致伸缩作用产生声波场的物理过程，可通过具体算法实现，采用如下三波耦合方程来进行数值计算:
其中，Ap1和Ap2分别表示注入光纤两端的偏振方向相同、频差为光纤布里渊频移的两束相同的混沌光信号的复电场，Q为两束相同的混沌光信号在相遇位置处发生干涉，并引起电致伸缩作用而产生的声波场复振幅，β为光纤单位长度的群延时，η为振幅归一化因子，gB为受激布里渊散射增益系数，τB为声子寿命。所述Ap1,Ap2和Q均为与时间t和空间z有关的变量。
对于上述三波耦合方程建立的基于相干域的混沌激光外腔时延识别方法的理论模型，可通过时间隐式有限差分和空间后向差分的方法处理。最终通过上述的具体算法可得到声波场的时空分布三维图，从而可以识别混沌激光的外腔时延信息。采用时间隐式有限差分和空间后向差分的方法获取声波场的时空分布三维图是本领域技术人员容易实现的。
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方法。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)与现有的时域和频域分析方法相比，本发明提供的混沌激光外腔时延的识别方法是在光相干域中进行，避免了时域和频域分析方法中将混沌激光转换成电信号的光电转换过程，而且整个混沌激光外腔时延的识别过程都在光域中进行，极大地提高了混沌激光外腔时延的识别时间。
2)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，而本发明提供的混沌激光外腔时延的识别方法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，本发明提供的方法识别混沌激光外腔时延的信息更加准确，并能识别出现有方法无法有效识别的混沌激光外腔时延。
3)本发明通过混沌激光在光纤相遇位置处发生干涉，同时电致伸缩作用产生的声波场的时空分布三维图来识别混沌激光的外腔时延信息。与现有的通过二维图识别混沌时延信息的时域和频域分析方法相比，本发明提供的混沌时延信息识别方法更加直观，更加有效。
附图说明
图1为本发明所述一种基于相干域的混沌激光外腔时延识别方法的流程图。
图2为本发明所述在光相干域产生声波场的实验装置示意图。图中：1-分布式反馈半导体激光器，2-光环行器，3-第一光纤耦合器，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-保偏光纤，11-光延迟线，12-第二掺铒光纤放大器，13-微波源，14-单边带调制器，15-第三光偏振控制器。
图3为数值模拟外腔光反馈半导体激光器输出混沌激光的时序图。
图4为现有的时域分析法(自相关和互信息)及频域分析法所得曲线，外腔半导体激光器的偏置电流为33mA，反馈速率为20GHz。其中图a为混沌激光信号的自相关曲线，图b为混沌激光信号的互信息曲线，图c为混沌激光信号的功率谱曲线。
图5为本发明所述基于相干域的混沌延时识别方法获得的声波场时空分布三维图及三维投影图。外腔半导体激光器的偏置电流为33mA，反馈速率为20GHz。其中a为声波场时空分布三维图，图b声波场三维投影图。
图6为现有的时域分析法(自相关和互信息)及频域分析法所得曲线，外腔半导体激光器的偏置电流为33mA，反馈速率为5.6GHz。其中图a为混沌激光信号的自相关曲线，图b为混沌激光信号的互信息曲线，图c为混沌激光信号的功率谱曲线。
图7为本发明所述基于相干域的混沌延时识别方法获得的声波场时空分布三维图及三维投影图。外腔半导体激光器的偏置电流为33mA，反馈速率为5.6GHz。其中a为声波场时空分布三维图，图b声波场三维投影图。
具体实施方式
本发明提出一种基于相干域的混沌激光外腔时延的识别方法，该识别方法的具体流程图如图1所示。首先外腔反馈半导体激光器产生混沌光信号，然后向光纤两端分别注入平均功率为100mW以上、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，在相遇位置处两混沌光信号发生干涉，同时受电致伸缩作用产生声波场，通过采集和处理声波场信号，可得到其在光纤中的时空分布三维图，从声波场的时空分布三维图上可以识别混沌激光的外腔时延信息。
下面结合图2对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。图2为所述在光相干域产生声波场的实验装置示意图，其中，分布式反馈半导体激光器1、光环行器2、第一光纤耦合器3、可调光衰减器4、第一光偏振控制器5共同构成外腔反馈半导体激光器，如图2中的虚线框图所示。
分布式反馈半导体激光器1的出射端与光环行器2的反射端连接；光环行器2的出射端与第一光纤耦合器3的入射端连接；第一光纤耦合器3的第一个出射端与光隔离器6的入射端连接；光隔离器6的出射端与第二光纤耦合器7的入射端连接；第一光纤耦合器3的第二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光环行器2的输入端连接；
第二光纤耦合器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；第二光偏振控制器9的出射端通过单模光纤跳线与保偏光纤10的一端连接；第二光纤耦合器7的第二个出射端通过光延迟线11与第二掺铒光纤放大器12的入射端连接；第二掺铒光纤放大器12的出射端通过单模光纤跳线与单边带调制器14的入射端连接，单边带调制器14的出射端通过单模光纤与第三光偏振控制器15的入射端连接，微波源13的信号输出端与单边带调制器14的信号输入端连接，第三光偏振控制器15的出射端通过单模光纤跳线与保偏光纤10的另一端连接。
具体实施时，所述分布式反馈半导体激光器1的中心波长为1550nm；所述第一光纤耦合器3的耦合比、第二光纤耦合器7的耦合比均为50：50；所述保偏光纤10为熊猫型保偏光纤。通过调节分布式反馈半导体激光器1的偏置电流以及可调光衰减器4来控制外腔反馈半导体激光器的工作电流和反馈强度，从而使外腔反馈半导体激光器输出混沌激光。输出的混沌激光信号通过第二光纤耦合器7分成偏振方向相同、频差为布里渊频移的两束相同的混沌光信号，并在保偏光纤10中相遇发生干涉效应，同时受电致伸缩作用在保偏光纤10中产生声波场，通过采集和处理声波场信号，可得到声波场的时空分布三维图，从而识别混沌激光的外腔时延信息。在此，通过调节微波源13的频率，可使两束混沌光信号的频率差正好等于保偏光纤10的受激布里渊频移量，从而使两混沌激光信号的干涉效应明显，产生声波场的幅度达到最大。图5和图7为采用仿真模拟方法获得的声波场时空分布三维图及三维投影图。
实际上，上述混沌激光在相干域产生声波场的实验过程可通过具体算法完成。其详细的实现步骤如下：
1)所述产生混沌激光的外腔反馈半导体激光器可用Lang-Kobayashi单模速率方程来实现，
其中S(t)、N(t)和φ(t)分别表示激光腔内光子密度、载流子密度和电场相位，βs为自发辐射因子，Γ为限制因子，τn为载流子寿命，τp为光子寿命，τin为光在外谐振腔的往返时间，θ(t)为反馈光引入的相位延迟，I为偏置电流，e为电子电量，V为有源区体积，g为微分增益系数，N0为透明载流子密度，ε为增益饱和系数，α为线宽增强因子，κf为反馈系数。
当上述外腔反馈半导体激光器的参数取值如表1所示，可产生幅值随时间变化的混沌激光序列，如图3所示。
表1公式(1)～(3)中各参数的物理意义及取值
2)所述向光纤两端分别注入偏振方向相同、频差为布里渊频移的两束相同的混沌光信号，在保偏光纤中相遇，产生声波场的过程可用如下三波耦合方程来实现，
其中，Ap1和Ap2分别表示注入光纤两端的偏振方向相同、频差为光纤布里渊频移的两束相同的混沌光信号的复电场，Q为两束相同的混沌光信号在相遇位置处发生干涉，并引起电致伸缩作用而产生的声波场复振幅，β为光纤单位长度的群延时，η为振幅归一化因子，gB为受激布里渊散射增益系数，τB为声子寿命。所述Ap1,Ap2和Q均为与时间t和空间z有关的变量。
当上述保偏光纤的参数取值如表2所示，两束偏振方向相同、频差为布里渊频移的混沌光信号在保偏光纤中的相遇位置处可产生声波场信号。
表2公式(4)～(6)各参数的物理意义及取值
通过分析保偏光纤中声波场信号Q的时空分布三维图，可以有效地识别混沌激光的外腔时延信息。图4～图7进一步给出了本发明所述基于相干域的混沌延时识别方法与时域分析法(自相关和互信息)及频域分析法的对比效果。其中，图4为外腔半导体激光器的外腔时延为3ns、偏置电流设置为33mA，反馈速率设置为20GHz的情况下，混沌时延信息的识别效果。图4(a)、(b)和(c)分别为混沌激光信号的自相关曲线、互信息曲线和功率谱曲线；图5(a)和(b)分别为采用本发明所述方法获得的声波场时空分布三维图及三维投影图。可以看出，无论时域分析法和频域分析法，还是本发明所述的相干域分析法，都能有效地识别出混沌激光的外腔时延信息。图6和图7为外腔半导体激光器的外腔时延为3ns、偏置电流设置为33mA，反馈速率设置为5.6GHz的情况下，混沌时延信息的识别效果。可以看出，当外腔半导体激光器的参数精心设置时，混沌激光的外腔时延信息可以被有效地隐藏，此时，时域分析法和频域分析法都无法识别出隐藏的混沌时延信息，如图6(a)、(b)和(c)所示，但是，利用本发明所述的相干域分析法仍可以识别出隐藏的混沌时延信息，如图7(a)和(b)所示。

Claims (2)

1.一种基于相干域的混沌激光外腔时延的识别方法，其特征在于通过向光纤两端分别注入偏振方向相同、频差为光纤布里渊频移的两束相同的混沌光信号，在相遇位置处两混沌光信号发生干涉，同时光纤受电致伸缩作用产生声波场；通过采集和处理声波场信号，可得到声波场信号在光纤中的时空分布三维图，从声波场的时空分布三维图上可以识别混沌激光的外腔时延信息。
2.如权利要求1所述的一种基于相干域的混沌激光外腔时延的识别方法，其特征在于混沌光信号的平均功率为100mW以上。
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