CN107979423B - 一种引入色散隐藏时延的反馈混沌系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种引入色散隐藏时延的反馈混沌系统，包括：发射光束的半导体激光器、耦合器、光检测器、示波器、电谱分析仪、光环形器、延迟线、可调色散补偿器、功率计和光衰减器；耦合器接收半导体激光器的发射光束；光检测器接收耦合器输出的激光束并对其进行光电转换；示波器接收光电转换后的信号并进行时域分析；电谱分析仪接收光电转换后的信号并进行频域分析；光环形器与耦合器连接；延迟线与光环形器连接；可调色散补偿器与光环形器连接；功率计与耦合器连接；光衰减器分别与可调色散补偿器和延迟线连接。本发明解决了反馈混沌系统的安全问题，且在应用中比较简单，提高了系统的安全性，降低了系统调整难度且结构简单。

Description

一种引入色散隐藏时延的反馈混沌系统

技术领域

本发明涉及保密光通信领域，特别涉及一种引入色散隐藏时延的反馈混沌系统。

背景技术

由于混沌信号有宽带宽、类噪声和不可预测的特性，光混沌动力学在安全应用中广泛研究，例如随机数产生和基于混沌的硬件加密系统。在多个领域中，它的实际应用潜力已得到认可，例如使用混沌激光器掩盖光信息。大多数混沌产生结构包含了延迟反馈环路来产生混沌信号，因此被称为反馈混沌系统。

在通信数据量不断增加的时代，人们对于通信内容的保密性要求日益增高，为了确保在可靠的公开信道上，用户之间可以放心地传输机密消息而不被非法用户获取，必须解决任何破坏系统安全性的因素。相对应的保密通信技术研究在不断的深入，但是，实验证明在延迟反馈混沌系统中的延迟时间会影响信息的安全性。所以在延迟反馈光混沌系统中，隐藏时延是最关键安全问题之一。攻击者可以通过多种方法获取，例如自相关函数和多信息分析，从而这些系统的安全性受到威胁。因此，在混沌光通信中，隐藏时延是重要的研究课题。

目前，有很多隐藏时延的方法，例如使用双反馈腔、可变时延和在混沌激光器的弛豫振荡频率附近选择反馈延迟时间。然而根据一篇论文中显示的频谱分析方法中，发现在光反馈混沌系统中，固有的时间延迟不能被隐藏，甚至使用多反馈腔。甚至当在强度特性中时延被隐藏，但时延会出现在相位特性中。有人已证明在双反馈腔环路中引入数字密钥可以有效地在强度和相位轨迹中隐藏时延，但这只是在仿真中实现。

最近，有人提出隐藏时延的有效方法：使用频率失谐的FBG来替代反射镜来形成光反馈腔。FBG类似于反射镜通过扰动激光产生混沌，但是如果FBG的反射光谱准确设计时，它产生的是依赖波长的分布式反射，从而导致隐藏时延。可以这样解释：时延隐藏归因于FBG的相关色散。由于FBG的光谱滤波特性与色散特性有关，即色散越大，带宽越窄，这将会影响宽带宽的混沌载波的频谱特性。虽然频率失谐的FBG会增加色散同时减少带宽牺牲，但是激光器和和频率失谐的FBG之间的波长对准增加了混沌同步的难度。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种在反馈环路中引入一个可调色散补偿器件来进行隐藏时延的反馈混沌系统，在时域、频域和相位中隐藏时延来提高高速混沌光通信系统的安全性，同时没有增加结构的复杂性，并且该系统可以应用在任何全光混沌系统和光电混沌系统中。

发明内容

本发明的目的是提供了一种引入色散隐藏时延的反馈混沌系统，通过在带反馈环路的全光混沌系统中引入色散补偿器件，被用来产生可调色散进而进行隐藏时延，即混沌系统要求存在时延，就可以通过引入色散隐藏时延；本系统没有过多的引入复杂器件，在测量精度的限制下，多少色散值足够完全隐藏时延。

为了达到上述目的，本发明提供的一种引入色散隐藏时延的反馈混沌系统，包括：

半导体激光器，其发射光束；

耦合器，接收与其连接的所述半导体激光器的发射光束；

光检测器，接收与其连接的所述耦合器输出的激光束并对其进行光电转换；

用于记录混沌输出的时间序列的示波器，其接收所述光检测器输出的光电转换后的信号并进行时域分析；

电谱分析仪，其接收所述光检测器输出的光电转换后的信号并进行频域分析；

用于构成外部腔的光环形器，其与所述耦合器连接；

用于调节腔长的延迟线，其与所述光环形器连接；

可调色散补偿器，其与所述光环形器连接；

测量反馈腔的损耗的功率计，其与所述耦合器连接；

用于调节反馈强度以观察混沌产生的光衰减器，其分别与所述可调色散补偿器和所述延迟线连接。

优选地，所述可调色散补偿器包含来自于II-VI光子学的多级G-T标准具；所述多级G-T标准具设有G-T腔，所述G-T腔包含两个反射面，所述两个反射面相对平行，且所述G-T腔的腔体中间为空气隙，以形成所述G-T腔；

其中一面镀以高反射率介质膜且反射率为100％，另外一面镀以低反射率介质膜且反射率小于100％。

优选地，所述耦合器设有第一耦合器端口、第二耦合器端口、第三耦合器端口和第四耦合器端口；

所述半导体激光器的发射光束通过与其连接的所述第一耦合器端口进入所述耦合器；

所述第三耦合器端口输出的激光束作为反馈光被发送至与其连接的所述光环形器；

所述第二耦合器端口与所述功率计连接，所述反馈光的一部分功率进入所述半导体激光器进行全光反馈，所述反馈光的其他部分功率输入到所述光功率计进行光功率检测；

所述第四耦合器端口输出的激光束通过所述光检测器进行光电转换。

优选地，所述第三耦合器端口输出的反馈光的功率是所述第一耦合器端口所接收的发射光束的功率的98％。

优选地，所述第四耦合器端口输出的激光束的功率是所述第一耦合器端口接收的发射光束的功率的2％。

优选地，所述反馈光的98％功率进入所述半导体激光器进行全光反馈；所述反馈光的其他2％功率输入到所述光功率计进行光功率检测。

优选地，所述光环形器设置的第一端口、第二端口和第三端口分别依次与所述延迟线、所述耦合器和所述可调色散补偿器连接；所述反馈光从所述光环形器的所述第二端口传输至所述第三端口。

优选地，所述半导体激光器的发射光束的输出功率为9dBm，偏置电流为90mA。

优选地，所述示波器为通过高速采样模数转换器执行所述混沌电信号的数字化的数字示波器；所述示波器的采样率为20GS/s，采样长度为200000，采样时间为10μs。

优选地，各个光器件的连接为传输光纤；所述传输光纤为标准单模光纤、色散位移光纤和非零色散位移光纤中的任意一种。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)结构简单：本发明在反馈环路中引入一个合适的色散器件，混沌的不同频率成分将会进行不同的时延，从而破坏时延产生机理，可调色散补偿器没有滤波效应，在隐藏时延的过程中，混沌的带宽不受影响。同时本发明在经典的带反馈环路的全光混沌系统中引入色散补偿器件，没有过多的引入复杂器件，易于控制，操作简单。即本发明解决了反馈混沌系统的安全问题且在应用过程中比较简单。

(2)安全性增强：时延是影响带反馈环路的混沌系统的安全性的关键性因素，通过引入色散来隐藏时延，则提高了系统的安全性，防止非法用户窃取机要信息。即本发明提高了系统的安全性，降低了系统调整难度且结构简单。

(3)便于调节：本发明是通过引入色散来隐藏时延，只要调节色散补偿器件的参数即可，而且该色散补偿器件已经商用化，调节参数比较方便。

(4)应用范围广：本发明可以应用在任何全光混沌系统和光电混沌系统中，例如反馈腔。本发明还可用于高速混沌光通信系统。

附图说明

图1本发明的较佳实施例的时延隐藏的实验装置组成连接示意图；

图2本发明的TDC器件的色散和插入损耗曲线例图；

图3本发明的一个较佳实施例的不同腔反馈强度产生的时间序列图；

图4本发明的一个较佳实施例的不同参数设置(反馈强度和TDC的色散值)光功率图；

图5本发明的一个较佳实施例的不同参数设置(反馈强度和TDC的色散值)射频功率频谱图；

图6本发明的一个较佳实施例的在时域中的不同TDC色散值的时延隐藏结果图；

图7本发明的本发明的一个较佳实施例的在频域中的不同TDC色散值的时延隐藏结果图；

图8本发明的一个较佳实施例的混沌时间序列的相位的自相关结果图；

图9本发明的一个较佳实施例的不同色散值的自相关结果和射频功率频谱的峰峰值折线图。

其中：1-半导体激光器(SLD)；2-光耦合器；3-光检测器(PD)；4-数字示波器；5-电谱分析仪；6-光环形器；7-延迟线；8-可调色散补偿器(TDC)；9-功率计；10-光衰减器。

具体实施方式

本发明公开了一种引入色散隐藏时延的反馈混沌系统，为了使本发明更加明显易懂，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明的引入色散隐藏时延的反馈混沌系统是通过在反馈路中引入一个可调色散补偿器件进行隐藏时延的反馈混沌系统，该系统包括：可发射光束的半导体激光器1(Semiconductor Laser diode，SLD)、耦合器2(即光耦合器)、光检测器3(Photodiode，PD)、示波器4(即数字示波器)、电谱分析仪5、光环形器6、延迟线7、可调色散补偿器8(Tunable Dispersion Compensating，TDC)、功率计9和光衰减器10。

其中，半导体激光器1发射的光束的输出功率为9dBm，偏置电流为90mA。

耦合器2一端与半导体激光器1连接，接收半导体激光器1的发射光束。

光检测器3与耦合器2连接，接收耦合器2输出的激光束并对其进行光电转换。

示波器4(数字示波器，例如LeCroy SDA 8Zi-A))用于记录混沌输出的时间序列，接收光检测器3输出的光电转换后的信号并进行时域分析。

电谱分析仪5(例如Anritsu MS266C7，电谱分析仪5进行谱分析)接收光检测器3输出的光电转换后的信号并进行频域分析。

光环形器6用于构成外部腔，光环形器6与耦合器2连接。

延迟线7被用来调节腔长确保在零色散的条件下的混沌和时延产生，延迟线延迟线7与光环形器6连接。

可调色散补偿器8与光环形器6连接。本发明的可调色散补偿器8是反馈腔中最关键的部分，被用来产生可调色散进而进行隐藏时延。

示例地，可调色散补偿器8是TDC PowerShaper3200，由来自于II-VI光子学的多级G-T标准具构成，要根据所使用的系统参数来通过调节温度来设置级联后的色散补偿曲线。

其中，G-T标准具可以作为色散补偿器件，有两个反射面。其中一面镀以高反射率介质膜，其反射率为100％，另一面则镀以低反射率介质膜，其反射率近似且小于100％。腔体中间是空气隙，两反射面相对平行，形成G-T腔。当光通过输入光纤输入到G-T腔之后，从高反射面进入腔体，光在G-T腔内振荡，部分从低反射面射出，经过多次反射之后，光由输出光纤输出。从理论的角度上来说，出射入射时光的光场振幅不变，相位则发生改变，并且与光的波长有关，同时产生时延，引入色散补偿量。

功率计9用来测量反馈腔的损耗，功率计9与耦合器2连接。光衰减器10被用来调节反馈强度来观察混沌产生。光衰减器10分别与可调色散补偿器8和延迟线7连接。

示例地，如图1所示，耦合器2设有四个端口，分别为输入端口2.1、端口2.2、输出端口2.3和端口2.4，该四个端口依次分别与半导体激光器1、功率计9、光环形器6和光检测器3相连。

半导体激光器1发射的光束通过从98：2的耦合器2的第一耦合器端口2.1(即输入端口)进入耦合器2。第四耦合器端口2.4输出的激光束的功率是第一耦合器端口2.1接收的光束功率的2％。

第四耦合器端口2.4输出的激光束被用来进行时域和频域测量，即是指耦合器2的第四耦合器端口2.4输出的激光束通过光检测器3进行光电转换(响应为200mV/mW)，光电转换后的信号分别被传输给数字示波器4和电谱分析仪5进行时域分析和频域分析。

其中，光电探测器3是DC-10GHz高速模拟光电探测器KG-PR-10G-A。

光环形器6包含三个端口，分别为第一端口6.1、第二端口6.2和第三端口6.3，该三个端口依次分别与延迟线7、耦合器2和可调色散补偿器8连接。耦合器2的第三耦合器端口2.3(即输出端口)输出的激光束的输出功率是耦合器2的第一耦合器端口2.1的98％并且该第三耦合器端口2.3输出的激光束作为反馈光，并从光环形器6的第二端口6.2传输到第三端口6.3。

该反馈光中的98％功率又一次进入半导体激光器1进行全光反馈，再把该反馈光的另外的2％功率输入到光功率计9来进行光功率检测。通过调节腔衰减将反馈强度设定在一个合理的范围中来形成混沌激光器，将反馈强度设定在-20dB，这是混沌产生的经典值。

在实践中，光环形器6被用来构成外部腔而不用光反射镜。由于光纤尾纤，混沌产生结构有很长的反馈长度。

本实施例的数字示波器4的采样率是20GS/s，采样长度是200000，那么采样时间是10μs，那么可以有效识别时间延迟。

本实施例的混沌系统要求存在时延，就可以通过引入色散隐藏时延。

本实施例的传输光纤可以是标准单模光纤、色散位移光纤和非零色散位移光纤中的任意一种。

如图2所示为可调色散补偿器8产生的色散和插入损耗的频谱例图。其中，插入损耗在混沌频谱中是一个常量。因此，该可调色散补偿器8不存在滤波效应。

在图3中，图(a)-图(d)显示了在零色散的情况下，不同反馈强度的示波器输出波形。为了证明这个结构的混沌产生能力，可以从时域和频域中输出信号进行研究。

其中，图3(a)显示了反馈强度为-∞时的示波器输出波形，这意味着在这个系统中没有反馈。

图3(b)-图3(d)显示了反馈强度为-33dB、-30dB和-22dB。可知，当反馈强度为-33dB时，输出波形只是小范围的噪声波动；当反馈强度增加到约-30dB时，波动范围突然变大，表现出混沌特性，但不是太稳定；当反馈强度上升到-20dB，输出信号以稳定的方式表现出混沌特性。

如图4和图5分别显示了在不同参数设置下的光谱和射频谱。α表示反馈强度，D(λ)表示可调色散补偿器的色散值。在零色散的情况下，为了排除插入损耗和延迟时间的影响，可用相同的插入损耗和延迟时间的光衰减器来替代可调色散补偿器。

图4中的曲线1表示在零反馈、零色散情况下的光谱图。类似于时域图，如图5所示，当反馈强度从-∞到-20dB，光谱带宽越宽，射频谱也上升，这表明系统处于混沌特性中。

在图4中，当反馈强度增加到-30dB时，光谱出现周期波动，这是因为混沌振荡比较弱。但是当反馈强度增加到-20dB时，混沌现象明显变强，光谱曲线变得平缓。此外，通过比较不同色散值的光谱图和射频图，可以判定额外的色散的引入将基本不会影响混沌谱。这就是用可调色散补偿器隐藏时延方法的重要优势，因为很多已经提出来的方法都会使混沌带宽变窄以及影响混沌的性能，例如在反馈环路中引入光滤波器。值得注意的是，当色散值从0增加到2000ps/nm时，发现光谱图和射频图都没有太大的改变。因此，本实施例只呈现0和2000ps/nm的情况来简化频谱图。

图6显示当色散从0到2000ps/nm增加，示波器记录的混沌时间序列的自相关结果。图7显示了相应的由电谱分析仪记录的被放大的射频谱。低色散的自相关结果在时间为269ns处出现峰值。相应地，被放大的射频谱显示了约4.4MHz共振频率。这个值大约与腔长相匹配，这是因为测量精确度的限制。但是，在色散足够大，如2000ps/nm，可知时域和频域中峰值消失，即时延被有效地隐藏。频域和时域的一致性结果进一步验证了所提出来的方法是有效的。此外，当色散值为0和2000ps/nm时，相位时间序列的自相关通过仿真进行计算。

如图8所示，当色散值为2000ps/nm时，时延的相位特性被隐藏。因此，当色散值为2000ps/nm时，延时可以同时在强度和相位时间轨迹中被隐藏。通过不同色散值得对比，可知时延的峰值随着色散值的增加而下降。当色散值增加到约1400ps/nm时，时延的峰值消失。而且，时延隐藏的色散值与在零色散情况下的时延峰值有关。如果零色散情况下的时延峰值越高，被用来隐藏时延的色散值越大。在反馈腔中，不同频率成分的相同群延迟导致了时延的产生。但是，在反馈腔中，色散导致了不同频率成分的不同群延迟。因此色散破坏了频率的周期性和隐藏了时延的峰值。另外，由于时延峰值和反馈强度或者是测量精度之间的关系，反馈强度和测量精度会影响色散值。

图9描述了自相关结果和射频谱的周期性峰峰值1和2点分别代表由示波器和电谱分析仪所记录下来的数据。然而，由于在实验中的测量精度问题，自相关结果比射频谱更容易找到时延。当色散值为1600ps/nm时，时延在频域中消失但出现在时域中。以上的实验结果清晰地表明了时延可以只通过腔色散来被隐藏，而且混沌信号的光谱带宽不受影响。需要的色散值就是时延隐藏时的色散值。这就是其他支持色散的时延隐藏方法的指导原则。

本实施例还可以应用在其他光电混沌系统中。

综上所述，本发明的基本原理如下：通过合理地在反馈环路中引入没有滤波效应的色散器件，时延可以在时域和频域中被有效地隐藏。色散可以被认为是群延迟谱的梯度。当混沌激光器不同的频谱成分受到反馈腔中不同的群延迟，从而破坏时延产生机理。这种差异将在反馈环路中持续放大。因此，混沌信号和其时延之间的关系将消失，甚至时延将被隐藏。色散可以通过使用色散补偿器件(DCM)或者是色散补偿光纤(DCF)来获取。这里，通过使用由来自于II-VI光子学的多级G-T标准具形成的商用可调色散补偿器(TDC)。这个器件没有滤波效应归因于G-T标准具的全反射特性，这样在隐藏时延过程中不改变混沌的频谱。因此，色散信息不会从混沌载波的频谱特性中泄露出去。通过广泛研究含有色散的时延幅度之间的关系，可以发现当腔色散超过1400ps/nm时，时延可以在时域和频域中被有效地隐藏。这可以成为设计支持色散的时延隐藏混沌结构的指导原则。

综上所述，本发明是在反馈环路中引入一个可调色散补偿器件来进行隐藏时延的反馈混沌系统，克服了反馈混沌系统的时延破坏系统安全性的缺点；没有使原结构复杂化，但解决了隐藏时延的问题；在反馈环路中引入一个合适的色散器件，混沌的不同频率成分将会进行不同的时延，从而破坏时延产生机理；可用于高速混沌光通信系统；在时域和频域上，时延被成功地隐藏；由于TDC没有滤波效应，在隐藏时延的过程中，混沌的带宽不受影响；这个装置隐藏时延的基本原理不仅仅可用于全光混沌系统中，也可以应用在其他光电混沌系统中，例如反馈腔；这个方法解决了反馈混沌系统的安全问题且在应用过程中比较简单，即提高了系统的安全性，降低了系统调整难度且结构简单。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种引入色散隐藏时延的反馈混沌系统，其特征在于，包括：

半导体激光器(1)，其发射光束；

耦合器(2)，接收与其连接的所述半导体激光器(1)的发射光束；

光检测器(3)，接收与其连接的所述耦合器(2)输出的激光束并对其进行光电转换；

用于记录混沌输出的时间序列的示波器(4)，其接收所述光检测器(3)输出的光电转换后的信号并进行时域分析；

电谱分析仪(5)，其接收所述光检测器(3)输出的光电转换后的信号并进行频域分析；

用于构成外部腔的光环形器(6)，其与所述耦合器(2)连接；

用于调节腔长的延迟线(7)，其与所述光环形器(6)连接；

色散值可调的可调色散补偿器(8)，其与所述光环形器(6)连接；

测量反馈腔的损耗的功率计(9)，其与所述耦合器(2)连接；

用于调节反馈强度以观察混沌产生的光衰减器(10)，其分别与所述可调色散补偿器(8)和所述延迟线(7)连接；

所述可调色散补偿器(8)包含来自于II-VI光子学的多级G-T标准具；

所述多级G-T标准具设有G-T腔，所述G-T腔包含两个反射面，所述两个反射面相对平行，且所述G-T腔的腔体中间为空气隙，以形成所述G-T腔；

其中一面镀以高反射率介质膜且反射率为100％，另外一面镀以低反射率介质膜且反射率小于100％；

所述耦合器(2)设有第一耦合器端口(2.1)、第二耦合器端口(2.2)、第三耦合器端口(2.3)和第四耦合器端口(2.4)；

所述半导体激光器(2)的发射光束通过与其连接的所述第一耦合器端口(2.1)进入所述耦合器(2)；

所述第三耦合器端口(2.3)输出的激光束作为反馈光被发送至与其连接的所述光环形器(6)；

所述第二耦合器端口(2.2)与所述功率计(9)连接，所述反馈光的一部分功率进入所述半导体激光器(1)进行全光反馈，所述反馈光的其他部分功率输入到所述功率计(9)进行光功率检测；

所述第四耦合器端口(2.4)输出的激光束通过所述光检测器(3)进行光电转换；

所述光环形器(6)设置的第一端口(6.1)、第二端口(6.2)和第三端口(6.3)分别依次与所述延迟线(7)、所述耦合器(2)和所述可调色散补偿器(8)连接；

所述反馈光从所述光环形器(6)的所述第二端口(6.2)传输至所述第三端口(6.3)。

2.如权利要求1所述的引入色散隐藏时延的反馈混沌系统，其特征在于，

所述第三耦合器端口(2.3)输出的反馈光的功率是所述第一耦合器端口(2.1)所接收的发射光束的功率的98％。

3.如权利要求1所述的引入色散隐藏时延的反馈混沌系统，其特征在于，

所述第四耦合器端口(2.4)输出的激光束的功率是所述第一耦合器端口(2.1)接收的发射光束的功率的2％。

4.如权利要求2所述的引入色散隐藏时延的反馈混沌系统，其特征在于，所述反馈光的98％功率进入所述半导体激光器(1)进行全光反馈；

所述反馈光的其他2％功率输入到所述功率计(9)进行光功率检测。

5.如权利要求1所述的引入色散隐藏时延的反馈混沌系统，其特征在于，

所述半导体激光器(1)的发射光束的输出功率为9dBm，偏置电流为90mA。

6.如权利要求1所述的引入色散隐藏时延的反馈混沌系统，其特征在于，

所述示波器(4)为通过高速采样模数转换器执行所述混沌电信号的数字化的数字示波器；

所述示波器(4)的采样率为20GS/s，采样长度为200000，采样时间为10μs。

7.如权利要求1所述的引入色散隐藏时延的反馈混沌系统，其特征在于，各个光器件的连接为传输光纤；

所述传输光纤为标准单模光纤、色散位移光纤和非零色散位移光纤中的任意一种。

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