CN108696315A - 一种基于高阶模的二进制空间混沌激光通信系统和控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高阶模的二进制空间混沌激光通信系统和控制方法，利用多高阶横模，实现二进制编码，替代传统的基横模光进行混沌通信传输。系统包括信号发射模块、传输模块和接收模块，其中，发射模块以包含马赫曾德电光调制器的光纤环路构建混沌载波，信号源发出包含二进制编码信息的信号光，经耦合器耦合，将输出信号传输至自由空间；再由具有和发射模块对称结构的接收模块接收、解调得到目标信号。本发明加密方式新颖，具有较强的保密性；利用多横模进行二进制编码，两种状态区别显著，抗噪声干扰能力强；利用夫琅禾费效应抵抗远场传输过程中产生的退化，实现远距离自由空间传输；利用高阶模达到更低的耦合损耗，有效降低通信误码率。
Description
技术领域
本发明涉及混沌激光通信领域，特别是一种基于高阶模的二进制空间混沌激光通信系统和控制方法。
背景技术
混沌现象是非线性系统中出现的确定性的、类随机的过程，即在确定性非线性系统中不需要附加任何随机因素亦可出现类似随机行为。根据混沌序列对初始条件的敏感性，可用于多址通信；它的类噪声特性使混沌信号能够隐藏有用信息，可提高通信系统的保密性；它的可以准确再生的特性，可以用于混沌掩盖和信号恢复。而光纤通信系统具有速率高、容量大、中继距离远、抗电磁干扰等诸多优点。混沌激光通信将混沌与光纤通信结合，通过光学混沌产生高带宽的混沌激光载波，可以实现高速率、远距离的保密通信。
在激光器谐振腔中,把垂直于传播方向上某一横截面上的稳定场分布称为横模,即横截面上光强的分布。我们可以利用横模的不同状态进行信息传递。传统的混沌通信系统中多采用色散小、单色性好的基横模(即零阶模，TEM00)，控制其强度、相位来进行信息的传输，因此系统对发射端和接收端的同步程度要求很高。此外，基横模在器件与器件之间、器件与光纤之间的耦合损耗较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：
为了解决混沌激光通信系统加密方式传统、误码率高的问题，本发明提出一种基于高阶模的二进制空间混沌激光通信系统和控制方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提出一种基于高阶模的二进制空间混沌激光通信系统，包括发射模块、传输模块和接收模块，
所述发射模块用于利用不同高阶模的激光将数字信号编码成信号光，并将信号光与混沌载波耦合成混沌编码信号发送；
所述传输模块用于无线传输所述混沌编码信号；
所述接收模块用于对所述混沌编码信号进行接收、解调、识别。
如前所述的一种基于高阶模的二进制空间混沌激光通信系统，进一步地，所述发射模块包含第一激光器、第二激光器、第一电光调制器、第一耦合器、第一掺铒光纤放大器、第一光纤延迟线、第一光探测器、第一直流偏置；
所述第二激光器连接第一电光调制器的输入端，第一电光调制器的输出端连接至第一耦合器的一个输入端；第一激光器连接至第一耦合器的另一个输入端；所述第一耦合器的输出分两路，一路连接第一掺铒光纤放大器的输入端；另一路依次连接第一光纤延迟线、第一光探测器、第一直流偏置，然后接入第一电光调制器的电极，构成光纤环回路。
如前所述的一种基于高阶模的二进制空间混沌激光通信系统，进一步地，所述传输模块包含第一多模光纤、自由空间和第二多模光纤；
所述第一掺铒光纤放大器的输出端连接第一多模光纤的一端，所述第一多模光纤的另一端连接自由空间；第二多模光纤的一端用于从所述自由空间接收信号光，另一端连接至接收模块。
如前所述的一种基于高阶模的二进制空间混沌激光通信系统，进一步地，所述接收模块包括：第二耦合器、第二光纤延迟线、第二光探测器、第二直流偏置、第二电光调制器、第三激光器、第三光探测器、第四光探测器、加法器、滤波器；
第二多模光纤的另一端连接至第二耦合器的输入端；第二耦合器的输出分两路，其中一路连接第四光探测器后连接加法器的一个输入端；另一路第二耦合器输出依次连接第二光纤延迟线、第二光探测器、第二直流偏置、第二电光调制器、第三光探测器，然后连接所述加法器的另一个输入端；所述加法器的输出端连接滤波器；第三激光器连接所述第二电光调制器的电极。
如前所述的一种基于高阶模的二进制空间混沌激光通信系统，进一步地，发射模块所述第一激光器、第二激光器和接收模块所述第三激光器为垂直腔面发射激光器。
如前所述的一种基于高阶模的二进制空间混沌激光通信系统，进一步地，所述第一电光调制器和第二电光调制器均为马赫曾德电光调制器。
如前所述的一种基于高阶模的二进制空间混沌激光通信系统，进一步地，所述第一至第四光探测器均为雪崩二极管。
本发明还提出一种基于高阶模的二进制空间混沌激光通信系统的控制方法，步骤包括：
步骤一、确定第一激光器发送信号光的频率和模式：
步骤二、同步：调整第二激光器，直到混沌载波与信号光横纵模式同步；
步骤三、编码：调整第一激光器，发送二进制数字信号1时输出TEM10模，发送二进制信号0时输出TEM20模；
步骤四、解调：调整接收模块第三激光器的模式，直到第二电光调制器输出的混沌载波模式与接收信号模式匹配；
步骤五、识别：第四光探测器采集接收信号的功率；
步骤六、经过加法器和滤波器滤波，恢复数字信号0和1。
如前所述的一种基于高阶模的二进制空间混沌激光通信系统的控制方法，进一步地，第三激光器输出基横模。
如前所述的一种基于高阶模的二进制空间混沌激光通信系统的控制方法，进一步地，步骤三所述第一激光器输出的TEM10模与TEM20模功率相同。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.本发明利用不同高阶模组成的多横模进行二进制编码，二进制的两种状态区别显著，抗噪声干扰能力强；
2.本发明利用了多横模的远场传输特性来抵抗远场传输过程中产生的退化，使混沌激光信号在较简单的结构中，实现远距离自由空间传输；
3.本发明加密方式新颖，作为混沌激光通信系统，具有较强的保密性；
4.TEM10模和TEM20模属高阶模，更易耦合，因此可在器件与器件之间、器件与光纤之间达到比基横模更低的耦合损耗，能有效降低通信误码率。
附图说明
图1是本发明的系统结构图。
图2是高阶横模TEM10经远场传输后的仿真图。
图3是高阶横模TEM20经远场传输后的仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明提供一种基于高阶模的二进制空间混沌激光通信系统。如图1所示，包括发射模块、传输模块和接收模块。其中，所述发射模块包含第一激光器11、第二激光器12、第一电光调制器13、第一耦合器14、第一衰减片16、第一光纤延迟线17、第一光探测器18、第一直流偏置19。
所述第二激光器12连接至第一电光调制器13的一个输入端，第一电光调制器13的输出端发出混沌载波，连接至第一耦合器14的一个输入端；第一激光器11发出信号光，连接至第一耦合器14的另一个输入端；所述第一耦合器14的输出信号分两路，一路信号传送至第一掺铒光纤放大器15；另一路信号依次经过第一衰减片16、第一光纤延迟线17、第一光探测器18、第一直流偏置19，接入第一电光调制器13的另一个输入端，构成光纤环回路。
所述传输模块包含第一多模光纤21、自由空间22和第二多模光纤23；第一掺铒光纤放大器的输出连接第一多模光纤21，所述第一多模光纤21的另一端连接自由空间22；第二多模光纤23的一端用于从所述自由空间22接收信号光，另一端连接至接收模块。
所述接收模块包括：第二耦合器31、第二光纤延迟线32、第二光探测器33、第二直流偏 34、第二电光调制器35、第三激光器36、第三光探测器37、第四光探测器38、加法器39、滤波器310。
传输模块中第二多模光纤23的另一端连接至第二耦合器31的输入端；第二耦合器31的输出分两路，其中一路经第四光探测器38后，直接进入加法器39；另一路第二耦合器31输出信号依次经过第二光纤延迟线32、第二光探测器33、第二直流偏置34、第二电光调制器35、第三光探测器37，然后进入所述加法器39；所述第二电光调制器35的另一个输入端连接第三激光器36；所述加法器39输出的信号经滤波器310滤波，成为传输信号。
工作过程中，首先将传输信息进行编码，转换为二进制数字信号，由第一激光器发送高阶模的激光，其中传输数字信号1时则激光器输出TEM10模，传输数字信号0时则激光器输出TEM20模。第一马赫曾德调制器用于输出混沌载波，第一耦合器用于将混沌载波和有相位延迟的信号光耦合后输出。输出光分束，一路光经第一掺铒光纤放大器放大后，由多模传输光纤的尾纤发射至自由空间；另一路光经光纤延迟线、光探测器、射频放大器、直流偏置后重新进入马赫曾德电光调制器，重新输出载波。模拟实验时，为了模拟大气衰减，可在光纤环回路中增加衰减片，作用是使得未经大气的光路模拟大气衰减效应，并适用于混沌通信的运算模型。衰减系数由具体的大气效应计算得到。本实施例中，光探测器为雪崩二极管(APD)。
调制后的信号光进入传输模块，经光纤或者自由空间传输。在接收模块中，本实施例在接收模块对经自由空间传输后的激光信号进行模式识别，由于夫琅禾费效应，TEM10模和 TEM20模经过远场传输，产生不同程度的损耗。图2为是高阶横模TEM10经远场传输后的仿真图，图3是相同强度发射的高阶横模TEM20经远场传输后的仿真图。由图可见，两种模式经远场传输，中心峰值功率不同。接收模块据此区别两种模式。不仅如此，由于多横模的远场传输特性，TEM10模和TEM20模在远场传输后形状有所退化，呈现类高斯型，这使得它兼具高斯光的优势，即能量集中，便于接收模块进行识别。
本发明提出的通信系统的接收模块与发射模块结构对称，而且理论上接收模块的混沌产生结构和器件参数与发射模块均一致，所以此时由第三激光器发射而经过第二马赫曾德调制器的信号，与接收到的信号模式同步。最终这两路信号分别经过光探测器后，转化为电信号，再由加法器和滤波器处理，得到包含信息的信号。
在本实施例中，由仿真可知，经50000km远场传输后，光斑由mm量级变为km量级，对于TEM10和TEM20两种模式，其中心峰值分别为3.5×10-13和2.7×10-13W，故在接收端需要用掺铒光纤放大器对光功率进行放大，再进行后续的模式检测和混沌解调，还原数字信号。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于高阶模的二进制空间混沌激光通信系统，包括发射模块、传输模块和接收模块，其特征在于，
所述发射模块用于利用不同高阶模的激光将数字信号编码成信号光，并将信号光与混沌载波耦合成混沌编码信号发送；
所述传输模块用于无线传输所述混沌编码信号；
所述接收模块用于对所述混沌编码信号进行接收、解调、识别。
2.根据权利要求1所述的一种基于高阶模的二进制空间混沌激光通信系统，其特征在于，所述发射模块包含第一激光器、第二激光器、第一电光调制器、第一耦合器、第一掺铒光纤放大器、第一光纤延迟线、第一光探测器、第一直流偏置；
所述第二激光器连接第一电光调制器的输入端，第一电光调制器的输出端连接至第一耦合器的一个输入端；第一激光器连接至第一耦合器的另一个输入端；所述第一耦合器的输出分两路，一路连接第一掺铒光纤放大器的输入端；另一路依次连接第一光纤延迟线、第一光探测器、第一直流偏置，然后接入第一电光调制器的电极，构成光纤环回路。
3.根据权利要求1所述的一种基于高阶模的二进制空间混沌激光通信系统，其特征在于，所述传输模块包含第一多模光纤、自由空间和第二多模光纤；
所述第一掺铒光纤放大器的输出端连接第一多模光纤的一端，所述第一多模光纤的另一端连接自由空间；第二多模光纤的一端用于从所述自由空间接收信号光，另一端连接至接收模块。
4.根据权利要求1所述的一种基于高阶模的二进制空间混沌激光通信系统，其特征在于，所述接收模块包括：第二耦合器、第二光纤延迟线、第二光探测器、第二直流偏置、第二电光调制器、第三激光器、第三光探测器、第四光探测器、加法器、滤波器；
第二多模光纤的另一端连接至第二耦合器的输入端；第二耦合器的输出分两路，其中一路连接第四光探测器后连接加法器的一个输入端；另一路第二耦合器输出依次连接第二光纤延迟线、第二光探测器、第二直流偏置、第二电光调制器、第三光探测器，然后连接所述加法器的另一个输入端；所述加法器的输出端连接滤波器；第三激光器连接所述第二电光调制器的电极。
5.根据权利要求2或4所述一种基于高阶模的二进制空间混沌激光通信系统，其特征在于，发射模块所述第一激光器、第二激光器和接收模块所述第三激光器为垂直腔面发射激光器。
6.根据权利要求2或4所述一种基于高阶模的二进制空间混沌激光通信系统，其特征在于，所述第一电光调制器和第二电光调制器均为马赫曾德电光调制器。
7.根据权利要求2或4所述一种基于高阶模的二进制空间混沌激光通信系统，其特征在于，所述第一至第四光探测器均为雪崩二极管。
8.一种基于高阶模的二进制空间混沌激光通信系统的控制方法，其特征在于，步骤包括：
步骤一、确定第一激光器发送信号光的频率和模式：
步骤二、同步：调整第二激光器，直到混沌载波与信号光横纵模式同步；
步骤三、编码：调整第一激光器，发送二进制数字信号1时输出TEM10模，发送二进制信号0时输出TEM20模；
步骤四、解调：调整接收模块第三激光器的模式，直到第二电光调制器输出的混沌载波模式与接收信号模式匹配；
步骤五、识别：第四光探测器采集接收信号的功率；
步骤六、经过加法器和滤波器滤波，恢复数字信号0和1。
9.根据权利要求8所述的一种基于高阶模的二进制空间混沌激光通信系统的控制方法，其特征在于，第三激光器输出基横模。
10.根据权利要求8所述的一种基于高阶模的二进制空间混沌激光通信系统的控制方法，其特征在于，步骤三所述第一激光器输出的TEM10模与TEM20模功率相同。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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