CN108712212A

CN108712212A - 一种基于非确定性量子噪声的混沌信号产生方法及装置

Info

Publication number: CN108712212A
Application number: CN201810436360.4A
Authority: CN
Inventors: 郭龑强; 王李静; 郭晓敏; 李璞; 张建国
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Shanxi Mercury Technology Co ltd
Priority date: 2018-05-09
Filing date: 2018-05-09
Publication date: 2018-10-26
Anticipated expiration: 2038-05-09
Also published as: CN108712212B

Abstract

本发明属于保密通信领域，提出了一种基于非确定性量子噪声的混沌信号产生方法和装置，该方法包括：S1准备好混沌光源、从激光器以及信号激光器；S2将混沌光场注入到从激光器，通过频谱分析仪观察从激光器的输出光场，调节注入到从激光器的混沌光场的强度和偏振态，直至从激光器的输出光场也为混沌光场；S3使信号激光器发出的光入射到平衡零拍探测系统中，产生量子噪声信号，并将该信号与射频信号混频并经低通滤波器后，注入到从激光器的调制端口，对从激光器进行调制，使从激光器的输出光场为具有非确定性的混沌信号。本发明可以抑制混沌信号的时延特性，可以广泛应用于混沌信号产生领域。

Description

一种基于非确定性量子噪声的混沌信号产生方法及装置

技术领域

本发明涉及一种混沌信号产生装置，具体为一种基于量子噪声非确定性的混沌信号产生方法及装置。

背景技术

混沌半导体激光器名义上是一个能够输出高维混沌信号的无限维动力系统。在纳秒的时间尺度上，这种混沌激光系统迅速放大了固有噪声的随机扰动，使得系统输出的强度震荡不可预测。因此，混沌激光在诸如高速保密通信，高精度测距雷达、光时域反射仪分布式光纤传感以及超快物理随机数发生器等多个领域广泛应用。在上述应用中，延迟反馈半导体系统中的时间延迟项对于将孤立半导体激光器变成高维混沌激光起着至关重要的作用，同时外腔也引进了时延特征。

另外，目前混沌激光的产生取决于混沌激光源对初值的敏感性，但对于一个确定的初值，产生混沌信号的轨迹是确定的。散粒噪声作为无周期的量子噪声，能够给混沌信号提供非确定性的初值，使得最终的混沌信号无法预测，成为具有非确定性的混沌信号。

目前，抑制混沌激光时延特征的方法有很多，主要分为两大类：一类是从混沌激光源本身出发，消除时延特征。Rontani等首次从理论上指出，在选择合适的反馈强度和注入电流的条件下，单反馈半导体激光器可有效抑制外腔的时延特征。同时，Lee等在双反馈半导体激光器系统中观察到了时延特征被抑制的现象。Wu等通过实验研究发现，对于相干和非相干单反馈半导体激光器，在选择适当反馈强度和注入电流的条件下，可抑制外腔引起的时延特征。Li等通过理论分析和实验验证指出，适当控制失谐频率和反馈强度两个参数可有效抑制光纤光栅单反馈半导体激光器的反馈时延特征。然而，上述通过控制混沌激光源参数来消除时延特征的机理尚不明确，能否成功消除时延特征仍存在异议。Li等利用三个级联耦合的半导体激光器输出了无时延特征的混沌激光信号，但是其混沌光源结构极其复杂。另一类抑制混沌激光时延特征的方法是针对混沌激光的不同应用，通过后续处理来消除时延特征。例如：在基于混沌激光产生随机数的过程中，通过异或差分的方式消除时延特征，即同时构建两个不同的混沌光源，产生不相关的随机序列，通过逻辑异或操作消除周期性，或是采用一种基于最低有效位的纯逻辑运算方法来消除周期性。这些方案对逻辑器件的要求较高，存在成本昂贵、电子速率瓶颈等问题。在混沌激光保密通信应用中，利用伪随机序列调制相位混沌延迟系统可隐藏时延特征，进而确保通信系统的安全。然而，该方案仅在理论上得到验证。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于非确定性量子噪声的混沌信号产生方法和装置，以解决现有混沌信号产生系统存在确定性时延特征的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于非确定性量子噪声的混沌信号产生方法，包括以下几个步骤：

S1、准备好可以发出混沌光场的混沌光源、从激光器以及信号激光器；

S2、将混沌光源发出的混沌光场注入到从激光器，通过频谱分析仪观察从激光器的输出光场，调节注入到从激光器的混沌光场的强度和偏振态，直至从激光器的输出光场也为混沌光场；

S3、使信号激光器发出的光入射到平衡零拍探测系统中，产生量子噪声信号，并将所述量子噪声信号与射频信号混频并经低通滤波器后，注入到从激光器的调制端口，对从激光器进行调制；通过频谱分析仪观察从激光器的输出光场，调节注入从激光器的调制信号的功率，使从激光器的输出光场为具有非确定性的混沌信号。

本发明还提供了一种基于非确定性量子噪声的混沌信号产生装置，包括信号激光器（1），第一半波片、偏振立方分束器、第一透镜、第二透镜、平衡零拍探测系统，射频信号发生器，混频器、低通滤波器、混沌光源、第一光隔离器、第一可变衰减器、第一光纤耦合器、第一偏振控制器和从激光器，所述信号激光器输出的光束经第一半波片、偏振立方分束器后分为两束光，分别经第一透镜、第二透镜后被所述平衡零拍探测系统探测，所述平衡零拍探测系统的输出信号与射频信号发生器发出的射频信号经混频器混频、低通滤波器滤波后输入到所述从激光器的调制端口，所述混沌光源发出的光经第一光隔离器、第一可变衰减器、第一光纤耦合器、第一偏振控制器后入射到所述从激光器，所述从激光器的输出光依次经第二偏振控制器、第一光纤耦合器、第二光隔离器后输出。

所述混沌光源包括：主激光器、第二偏振控制器、光纤环形器、第二光纤耦合器和第二可变衰减器，所述主激光器输出的光束经第二偏振控制器、光纤环形器、第二光纤耦合器后分为两束光，一束依次经第二可变衰减器、光纤环形器、第二偏振控制器后返回主激光器，使主激光器输出连续混沌光，另一束光经第一光隔离器、可变衰减器、第一光纤耦合器、第一偏振控制器后入射到所述从激光器。

所述的一种基于非确定性量子噪声的混沌信号产生装置，还包括第三光隔离器、第二半波片和第二偏振立方分束器，所述信号激光器发出的光经第二光隔离器、第二半波片、第二偏振立方分束器后分成两束，其中一束入射到第一半波片。

所述第一半波片和第二半波片为波长范围为1100~2000nm的FBR-AH3消色差半波片，所述第二光纤耦合器为50/50光纤耦合器，即通过第二光纤耦合器入射到第一光隔离器的光束与通过第二光纤耦合器入射到第二可变衰减器的光束的光强之比为50:50。

所述平衡零拍探测系统为1.6GHz的PDB480C-AC型平衡探测器，其包括一对平衡光电探测器和差分放大器，所述射频信号发生器为频率为300MHz的HP8648A型射频信号发生器，其产生300MHz的射频信号输入到所述混频器，所述混频器为频率范围1MHz-2GHz的ZFM-11+型混频器，所述低通滤波器的频率为100MHz的BLP-100+型低通滤波器。

所述信号激光器为中心波长为1550nmLD-TC40型的半导体激光器，所述第一光纤耦合器为60/40光纤耦合器，即通过第一光纤耦合器入射到第一偏振控制器的光束与反向通过第一光纤耦合器入射到第二光隔离器的光束的光强之比为40：60。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明通过将混沌光注入从激光器，有效提高混沌激光的带宽。首先通过光反馈的方式是系统输出连续的混沌光，接着将混沌光注入从激光器，使从激光器的输出为超宽带的混沌激光；有效地提高了混沌激光的带宽，产生超宽带的混沌激光，同时，将平衡零拍探测得到的散粒噪声作为调制信号输入到从激光器的调制端口，由于该散粒噪声为无周期的量子噪声，可以给混沌信号提供非确定性的初值，使得最终的混沌信号无法预测，成为具有非确定性的混沌信号，解决了现有混沌信号产生系统存在确定性时延特征的问题。此外，本发明提供的混沌信号产生装置，产生的超宽带混沌信号具有可控的频率带宽和可调谐的中心频率，满足了不同频段、不同带宽的超宽带信号的应用需要，拓宽了超宽带混沌激光的应用领域。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于非确定性量子噪声的混沌信号产生装置的结构示意图；

图2为无量子噪声调制时从激光器输出激光的混沌频谱图，图中上方为混沌频谱，下方为噪声基底；

图3为无量子噪声调制时从激光器输出激光的时序图；

图4为无量子噪声调制时从激光器输出激光的自相关特性图；

图5为通过平衡零拍探测系统探测得到的探测器电子学噪声和散粒噪声信号的功率-频率图，图中上方为散粒噪声信号的功率-频率曲线，下方为电子学噪声的功率-频率曲线；

图6是通过平衡零拍探测系统得到的散粒噪声的时序统计图；

图7是通过平衡零拍探测系统得到的散粒噪声的自相关特性；

图8是经量子噪声调制后从激光器输出激光的混沌频谱图，其中上方为混沌频谱，下方为噪声基底；

图9是经量子噪声调制后从激光器输出激光的时序图；

图10是经量子噪声调制后从激光器输出激光的自相关特性图；

图中：1-半导体激光器；2-第三光隔离器；3-第二半波片；4-第二偏振立方分束器；5-第一半波片；6-第一偏振立方分束器；7-第一光学透镜；8-第二光学透镜；9-平衡光电探测器；10-平衡光电探测器；11-差分放大器；12-射频信号发生器；13-混频器；14-低通滤波器；15-主激光器；16-第二偏振控制器；17-光纤环形器；18-第二光纤耦合器；19-第二可变衰减器；20-第一光隔离器；21-第一可变衰减器；22-第一光纤耦合器；23-从激光器；24-第一偏振控制器；25-第二光隔离器；26-光电探测器；27-频谱分析仪。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种基于非确定性量子噪声的混沌信号产生方法，包括以下几个步骤：

S1、准备好可以发出混沌光场的混沌光源、从激光器以及信号激光器，；

其中，从激光器和信号激光器可以是半导体激光器，此外，信号激光器可以为中心波长为1550nmLD-TC40型的半导体激光器，平衡零拍探测系统可以为1.6GHz的PDB480C-AC型平衡探测器，混沌光源可以为半导体激光器通过光纤环形器和可变衰减器使一部分激光自反馈形成的混沌光场，其具体可以包括：主激光器15、第二偏振控制器16、光纤环形器17、第二光纤耦合器18和第二可变衰减器19，所述主激光器15输出的光束经第二偏振控制器16、光纤环形器17、第二光纤耦合器18后分为两束光，一束依次经第二可变衰减器19、光纤环形器17、第二偏振控制器16后返回主激光器15，使主激光器15输出连续混沌光，另一束光经第一光隔离器20、可变衰减器21、第一光纤耦合器22、第一偏振控制器24后入射到所述从激光器23。

其中，射频信号的频率可以为300MHz，混频时所用的混频器的频率为2GHz，低通滤波器的频率可以为100MHz。

此外，如图1所示，本发明实施例还提供了一种基于非确定性量子噪声的混沌信号产生装置，包括信号激光器1，第三光隔离器2、第二半波片3和第二偏振立方分束器4，第一半波片5、偏振立方分束器6、第一透镜7、第二透镜8、平衡零拍探测系统，射频信号发生器12，混频器13、低通滤波器14、混沌光源、第一光隔离器20、第一可变衰减器21、第一光纤耦合器22、第一偏振控制器24和从激光器23，所述信号激光器1输出的光束经光通过第二半波片3、偏振立方分束器4后，成为线偏振光，然后经第一半波片5、偏振立方分束器6后输出反射和透射光强基本相等的两束光，这两束光分别经第一透镜7、第二透镜8后被所述平衡零拍探测系统探测，所述平衡零拍探测系统的输出信号与射频信号发生器12发出的射频信号经混频器13混频、低通滤波器14滤波后成为从激光器的量子噪声调制信号，该信号输入到所述从激光器23的调制端口对从激光器进行调制；所述混沌光源发出的光经第一光隔离器20、第一可变衰减器21、第一光纤耦合器22、第一偏振控制器24后入射到所述从激光器23，所述从激光器23的输出光依次经第二偏振控制器24、第一光纤耦合器22、第二光隔离器25后输出。

其中，如图1所示，所述混沌光源包括：主激光器15、第二偏振控制器16、光纤环形器17、第二光纤耦合器18和第二可变衰减器19，所述主激光器15输出的光束经第二偏振控制器16、光纤环形器17、第二光纤耦合器18后分为两束光，一束依次经第二可变衰减器19、光纤环形器17、第二偏振控制器16后返回主激光器15，使主激光器15输出连续混沌光，另一束光经第一光隔离器20、可变衰减器21、第一光纤耦合器22、第一偏振控制器24后入射到所述从激光器23。

其中，所述第一半波片5和第二半波片3为波长范围为1100~2000nm的FBR-AH3消色差半波片，所述第二光纤耦合器18为50/50光纤耦合器，即通过第二光纤耦合器18入射到第一光隔离器20的光束与通过第二光纤耦合器18入射到第二可变衰减器19的光束的光强之比为50:50。

其中，所述平衡零拍探测系统为1.6GHz的PDB480C-AC型平衡探测器，其包括平衡光电探测器9和平衡光电探测器10，以及差分放大器（11），所述射频信号发生器12为频率为300MHz的HP8648A型射频信号发生器，其产生300MHz的射频信号输入到所述混频器13，所述混频器13为频率范围1MHz-2GHz的ZFM-11+型混频器，所述低通滤波器的频率为100MHz的BLP-100+型低通滤波器。

其中，所述信号激光器1为中心波长为1550nmLD-TC40型的半导体激光器，所述第一光纤耦合器22为60/40光纤耦合器，即通过第一光纤耦合器22入射到第一偏振控制器24的光束与反向通过第一光纤耦合器22入射到第二光隔离器25的光束的光强之比为40：60。此外，所述主激光器15和从激光器23也为半导体激光器。

将本实施例的一种混沌信号产生装置中的从激光器23经第一光纤耦合器22、第一偏振控制器24和第二光隔离器25输出的光束经光电探测器26进行探测，然后将探测信号输入频谱分析仪27，可以得到从激光器的输出激光的特性，如图2~4所示，为无量子噪声调制时从激光器输出激光的特性图，从图中可以看出，通过注入主激光器产生的混沌光，从激光器的输出的光为带宽较宽的混沌光。如图5~7所示，为通过平衡零拍探测系统得到的散粒噪声信号的特性图，从图中可以看出，平衡零拍探测系统对信号激光器1的发出光进行探测，得到的为无周期的量子噪声。如图8~10所示，为从激光器经散粒噪声调制后输出激光的特性图，从图中可以看出，经散粒噪声调制后，从激光器发出的混沌信号自相关特性的旁瓣降低，说明混沌信号的时延特性得到抑制。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种基于非确定性量子噪声的混沌信号产生方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

2.一种基于非确定性量子噪声的混沌信号产生装置，其特征在于，包括信号激光器（1），第一半波片（5）、偏振立方分束器（6）、第一透镜（7）、第二透镜（8）、平衡零拍探测系统，射频信号发生器（12），混频器（13）、低通滤波器（14）、混沌光源、第一光隔离器（20）、第一可变衰减器（21）、第一光纤耦合器（22）、第一偏振控制器（24）和从激光器（23），所述信号激光器（1）输出的光束经第一半波片（5）、偏振立方分束器（6）后分为两束光，分别经第一透镜（7）、第二透镜（8）后被所述平衡零拍探测系统探测，所述平衡零拍探测系统的输出信号与射频信号发生器（12）发出的射频信号经混频器（13）混频、低通滤波器（14）滤波后输入到所述从激光器（23）的调制端口，所述混沌光源发出的光经第一光隔离器（20）、第一可变衰减器（21）、第一光纤耦合器（22）、第一偏振控制器（24）后入射到所述从激光器（23），所述从激光器（23）的输出光依次经第二偏振控制器（24）、第一光纤耦合器（22）、第二光隔离器（25）后输出。

3.根据权利要求2所述的一种基于非确定性量子噪声的混沌信号产生装置，其特征在于，所述混沌光源包括：主激光器（15）、第二偏振控制器（16）、光纤环形器（17）、第二光纤耦合器（18）和第二可变衰减器（19），所述主激光器（15）输出的光束经第二偏振控制器（16）、光纤环形器（17）、第二光纤耦合器（18）后分为两束光，一束依次经第二可变衰减器（19）、光纤环形器（17）、第二偏振控制器（16）后返回主激光器（15），使主激光器（15）输出连续混沌光，另一束光经第一光隔离器（20）、可变衰减器（21）、第一光纤耦合器（22）、第一偏振控制器（24）后入射到所述从激光器（23）。

4.根据权利要求3所述的一种基于非确定性量子噪声的混沌信号产生装置，其特征在于，还包括第三光隔离器（2）、第二半波片（3）和第二偏振立方分束器（4），所述信号激光器（1）发出的光经第二光隔离器（2）、第二半波片（3）、第二偏振立方分束器（4）后分成两束，其中一束入射到第一半波片（5）。

5.根据权利要求4所述的一种基于非确定性量子噪声的混沌信号产生装置，其特征在于，所述第一半波片（5）和第二半波片（3）为波长范围为1100~2000nm的FBR-AH3消色差半波片，所述第二光纤耦合器（18）为50/50光纤耦合器，即通过第二光纤耦合器（18）入射到第一光隔离器（20）的光束与通过第二光纤耦合器（18）入射到第二可变衰减器（19）的光束的光强之比为50:50。

6.根据权利要求2所述的一种基于非确定性量子噪声的混沌信号产生装置，其特征在于，所述平衡零拍探测系统为1.6GHz的PDB480C-AC型平衡探测器，其包括一对平衡光电探测器（9,10）和差分放大器（11），所述射频信号发生器（12）为频率为300MHz的HP8648A型射频信号发生器，其产生300MHz的射频信号输入到所述混频器（13），所述混频器（13）为频率范围1MHz-2GHz的ZFM-11+型混频器，所述低通滤波器的频率为100MHz的BLP-100+型低通滤波器。

7.根据权利要求2所述的一种基于非确定性量子噪声的混沌信号产生装置，其特征在于，所述信号激光器（1）为中心波长为1550nmLD-TC40型的半导体激光器，所述第一光纤耦合器（22）为60/40光纤耦合器，即通过第一光纤耦合器（22）入射到第一偏振控制器（24）的光束与反向通过第一光纤耦合器（22）入射到第二光隔离器（25）的光束的光强之比为40：60。