CN109088716B - 一种基于垂直表面激光器的双向混沌通信系统 - Google Patents

一种基于垂直表面激光器的双向混沌通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于垂直表面激光器的双向混沌通信系统，主要包括第一电幅度调制器(1‑1)、第二电幅度调制器(1‑2)、第一垂直表面激光器(2‑1)、第二垂直表面激光器(2‑2)、第一分束器(4‑1)、第二分束器(4‑2)、第一光电检测器(5‑1)、第二光电检测器(5‑2)、第三光电检测器(5‑3)、第四光电检测器(5‑4)、部分透射‑反射镜(8)，所述第一电幅度调制器(1‑1)、第一垂直表面激光器(2‑1)、第一分束器(4‑1)、部分透射‑反射镜(8)、第二分束器(4‑2)、第二垂直表面激光器(2‑2)、第一垂直表面激光器(2‑1)依次连接，所述第一分束器(4‑1)与所述第一光电检测器(5‑1)、第二光电检测器(5‑2)分别连接，所述第二分束器(4‑2)与所述第三光电检测器(5‑3)、第四光电检测器(5‑4)分别连接。

Description

一种基于垂直表面激光器的双向混沌通信系统
技术领域
本发明属于光信息技术领域，具体涉及一种基于垂直表面激光器的双向混沌通信系统。
背景技术
在信息传输的安全性方面，混沌通信有着极佳的优点，混沌现象是非线性系统中出现的确定性的、类随机的过程，是非周期的、有界的、但不收敛的过程，因此混沌是一种确定的类随机过程，使得混沌技术在保密通信、图像加密以及信号检测等方面都有着广阔的应用前景。
在一个利用混沌载波进行传输的安全通信系统中，常常使用半导体激光器semiconductor laser，SL相互耦合增加其自由度来产生混沌信号，在过去的几年中双向耦合半导体激光器已经有许多成功地应用。混沌同步是混沌通信的关键技术，要实现混沌同步，发射机和接收机的参数须一致，而时间延迟也是接收和发射端的关键参数，因此在实际应用中如何实现隐藏，保证不让窃听者窃取到信息，是实现混沌保密通信的关键。
因此，对提高混沌通信保密性的研究仍在不断加深，本发明是基于保密性通信的需求而做出的研究改进。
发明内容
本发明提供了一种基于具有偏振旋转的垂直表面激光器的双向混沌通信方案。本方案中两个半导体激光器在由双向耦合引起的混沌状态下通信，具有成本低、性能稳定、保密性强等特点。
本发明采取以下技术方案：
一种基于垂直表面激光器的双向混沌通信系统，包括：第一电幅度调制器、第二电幅度调制器、第一垂直表面激光器、第二垂直表面激光器、第一分束器、第二分束器、第一光电检测器、第二光电检测器、第三光电检测器、第四光电检测器、部分透射-反射镜，所述第一电幅度调制器、第一垂直表面激光器、第一分束器、部分透射-反射镜、第二分束器、第二垂直表面激光器、第一垂直表面激光器依次连接，所述第一分束器与所述第一光电检测器、第二光电检测器分别连接，所述第二分束器与所述第三光电检测器、第四光电检测器分别连接。
进一步的，本发明还包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜设于所述第一垂直表面激光器、第一分束器之间，所述第二透镜设于所述第二垂直表面激光器、第二分束器之间。
更进一步的，本发明还包括第一偏振旋转器和第二偏振旋转器，所述第一偏振旋转器设于所述第一分束器、部分透射-反射镜之间，所述第二偏振旋转器设于所述第二分束器、部分透射-反射镜之间。
进一步的，本发明的系统中功能相同的部件的参数设置也相同。
进一步的，所述第一垂直表面激光器、第二垂直表面激光器通过部分透射-反射镜的耦合引导两个激光器之间的混沌同步。
进一步的，所述第一光电检测器或第二光电检测器或第三光电检测器或第四光电检测器的量子效率为8％。
进一步的，所述第一垂直表面激光器或第二垂直表面激光器的电流阈值为17.3mA。
进一步的，所述第一垂直表面激光器或第二垂直表面激光器的载流子衰减速率为0.65ns-1。
进一步的，所述第一垂直表面激光器或第二垂直表面激光器的透明载流子数为1.25×108。
进一步的，所述第一垂直表面激光器2-1或第二垂直表面激光器的时间延迟为5ns。
进一步的，所述第一电幅度调制器或第二电幅度调制器的电放大器的增益为20dB。
本发明中实现原理主要为：利用偏振旋转器多次改变光信号的偏振方向，使信号自相关性图中隐藏延迟时间参数，增加混沌双向通信的保密性。主要是利用偏振旋转器多次改变光信号的偏振方向，隐藏双向通信的延迟时间来实现一个保密性。
本发明利用具有偏振旋转的垂直表面激光器，数字序列通过调制两个激光器的偏置电流，加密到激光器的混沌信号中，经过透镜后被分束器分为两路，一路用于检测原始信号，另一路经过偏振旋转器、中性密度滤光片传输到部分透射-反射镜，部分信号经过另一中性密度滤光片、偏振旋转器，被光电检测器检测。解码的过程利用光电检测器检测两端激光器的功率同步误差，再与本地信号进行运算，就能解密发送端传送的信号，实现链路中两激光器之间的双向通信。
附图说明
图1为一种基于具有偏振旋转的垂直表面激光器的双向混沌通信系统的结构示意图；
图2为两个激光器信号自相关系数图；
图3为第一激光器及第二激光器的信息图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明优选实施例作详细说明，使得方案更加清楚、明白。
如图1所示，本实施例涉及一种基于具有偏振旋转功能的垂直表面激光器的双向混沌通信系统，包括第一电幅度调制器1-1、第二电幅度调制器1-2、第一垂直表面激光器2-1、第二垂直表面激光器2-2、第一透镜3-1、第二透镜3-2、第一分束器4-1、第二分束器4-2、第一光电检测器5-1、第二光电检测器5-2、第三光电检测器5-3、第四光电检测器5-4、第一偏振旋转器6-1、第二偏振旋转器6-2、第一中性密度滤光片7-1、第二中性密度滤光片7-2和部分透射-反射镜8，其中：
第一路输入信号通过第一电幅度调制器1-1调制第一激光器2-1的偏置电流，第一电幅度调制器1-1的a1端口连接到第一激光器2-1第一端口b1，第一激光器2-1第二端口b2与第一透镜3-1的c1端口连接，第一分束器4-1将通过第一透镜3-1的混沌载频分作两路，一路信号送入第一光电检测器5-1用于检测第一激光器1-1的光功率，另一路信号通过光纤连接到第一偏振旋转器6-1的e1端，第一偏振旋转器6-1的e2端与第一中性密度滤光片7-1的f1端连接，部分透射-反射镜8将通过第一中性密度滤光片7-1的信号分为两路。同样，第二路输入信号通过第二电幅度调制器2-1调制第二激光器2-2的偏置电流，第二电幅度调制器1-2的a2端口连接到第二激光器2-2第一端口b3，第二激光器2-2第二端口b3与第二透镜3-2的c3端口连接；第二分束器4-2将通过第二透镜3-2的混沌载频分作两路，一路信号送入第二光电检测器5-2用于检测第二激光器1-2的光功率，另一路信号通过光纤连接到第二偏振旋转器6-2的e3端口，第二偏振旋转器6-2另一端e4与第二中性密度滤光片7-2的f3端连接，部分透射-反射镜8将通过第二中性密度滤光片7-2的信号分为两路。
部分透射-反射镜8的g2端口与第二中性密度滤光片7-2的f4端口连接，第二中性密度滤光片7-2的f3端口连接到第二偏振旋转器6-2的e4端口，第二偏振旋转器6-2另一端e3将光送入第四光电检测器5-4，用于检测由第一激光器传输的信号。类似地，部分透射-反射镜8的g1端口与第一中性密度滤光片7-1的f2端口连接，第一中性密度滤光片7-1的f1端口连接到第一偏振旋转器6-1的e2端口，第一偏振旋转器6-1另一端e1将光送入第二光电检测器5-2，用于检测由第二激光器传输的信号。
图2所示为两个激光器信号自相关系数图，如果延迟时间未隐藏，自相关图中两个峰值之间的时间即为延迟时间。在图中找不到两个峰，说明延迟时间得到隐藏。
图3为第一激光器及第二激光器的信息图。其中(a)虚线为第一激光器发送的信息，实线为第二激光器恢复出来的信息；(b)虚线为第二激光器发送的信息，实线为第一激光器恢复出来的信息。通过图3所示说明了发送的信息与接收机接收到的信息一致。
本实施例中，两个激光器的延时均为5ns，电流阈值17.3mA，光子衰减速率496ns-1，载流子衰减速率0.65ns-1，微分增益1.2×102ns-1，线宽增强因子3，透明载流子数1.25×108，反馈系数40ns-1，耦合系数40ns-1。
本实施例中，所述第一光电检测器5-1或第二光电检测器5-2或第三光电检测器5-3或第四光电检测器5-4的量子效率为8％。
本实施例中，所述第一电幅度调制器1-1或第二电幅度调制器1-2的电放大器的增益为20dB。
本发明将两路不同数字序列通过调制两个激光器的偏置电流，加密隐藏到激光器的混沌信号中，通过偏振旋转器增加信号传输的复杂度。将两个半导体激光器通过部分透射-反射镜耦合，在两个激光器中引起延时混沌动力学，可以证明这种混沌是同步的，并且具有鲁棒性，当两端同时传输“0”，或者“1”时，两个激光器完全同步，当一个传“1”，另一个传“0”时，两个激光器处于失步状态，这样系统将在同步和失步状态之间进行切换。这样通过检测两个激光器的光功率差异，与本地信号进行运算，解码出另一端的信号，实现链路中两激光器之间的双向通信。本发明不同之处在于利用偏振旋转器多次改变光信号的偏振方向，隐藏双向通信的延迟时间。
本发明基于具有偏振旋转的垂直表面激光器的双向混沌通信方案工作过程：
1、将信息调制激光器的偏置电流，加密隐藏在激光器的混沌信号中；
2、将两个半导体激光器耦合通过部分透射-反射镜，在两个激光器中引起延时混沌同步动力学；
3、通过检测两个激光器的光功率，得到激光器功率之间的同步误差；
4、与本地信号进行对比和运算，解码出另一端传送的信息。
本发明构造了基于具有偏振旋转的垂直表面激光器的双向混沌通信，利用光器件实现混沌通信，具有成本低、性能稳定、保密性强等特点。
以上对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，并不限定本发明的保护范围。对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想和结构，在具体实施方式上做出的改变之处，而这些改变之后的方案也应当视为在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于垂直表面激光器的双向混沌通信系统，其特征在于，包括：第一电幅度调制器(1-1)、第二电幅度调制器(1-2)、第一垂直表面激光器(2-1)、第二垂直表面激光器(2-2)、第一分束器(4-1)、第二分束器(4-2)、第一光电检测器(5-1)、第二光电检测器(5-2)、第三光电检测器(5-3)、第四光电检测器(5-4)、部分透射-反射镜(8)，所述第一电幅度调制器(1-1)、第一垂直表面激光器(2-1)、第一分束器(4-1)、部分透射-反射镜(8)、第二分束器(4-2)、第二垂直表面激光器(2-2)、第二电幅度调制器(1-2)依次连接，所述第一分束器(4-1)与所述第一光电检测器(5-1)、第二光电检测器(5-2)分别连接，所述第二分束器(4-2)与所述第三光电检测器(5-3)、第四光电检测器(5-4)分别连接；
还包括第一偏振旋转器(6-1)和第二偏振旋转器(6-2)，所述第一偏振旋转器(6-1)设于所述第一分束器(4-1)、部分透射-反射镜(8)之间，所述第二偏振旋转器(6-2)设于所述第二分束器(4-2)、部分透射-反射镜(8)之间；
还包括第一中性密度滤光片(7-1)和第二中性密度滤光片(7-2)，所述第一中性密度滤光片(7-1)设于所述第一偏振旋转器(6-1)、部分透射-反射镜(8)之间，所述第二中性密度滤光片(7-2)设于所述第二偏振旋转器(6-2)和部分透射-反射镜(8)之间。
2.根据权利要求1所述的一种基于垂直表面激光器的双向混沌通信系统，其特征在于，还包括第一透镜(3-1)和第二透镜(3-2)，所述第一透镜(3-1)设于所述第一垂直表面激光器(2-1)、第一分束器(4-1)之间，所述第二透镜(3-2)设于所述第二垂直表面激光器(2-2)、第二分束器(4-2)之间。
3.根据权利要求1所述的一种基于垂直表面激光器的双向混沌通信系统，其特征在于，所述系统中功能相同的部件的参数设置也相同。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于垂直表面激光器的双向混沌通信系统，其特征在于，所述第一垂直表面激光器(2-1)、第二垂直表面激光器(2-2)通过部分透射-反射镜(8)的耦合引导两个激光器之间的混沌同步。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于垂直表面激光器的双向混沌通信系统，其特征在于，所述第一垂直表面激光器(2-1)或第二垂直表面激光器(2-2)的电流阈值为17.3mA。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于垂直表面激光器的双向混沌通信系统，其特征在于，所述第一光电检测器(5-1)或第二光电检测器(5-2)或第三光电检测器(5-3)或第四光电检测器(5-4)的量子效率为8％。
7.根据权利要求1或2所述的一种基于垂直表面激光器的双向混沌通信系统，其特征在于，所述第一垂直表面激光器(2-1)或第二垂直表面激光器(2-2)的时延为5ns；
或者，所述第一垂直表面激光器(2-1)或第二垂直表面激光器(2-2)的载流子衰减速率为0.65ns-1；
或者，所述第一垂直表面激光器(2-1)或第二垂直表面激光器(2-2)的透明载流子数为1.25×108；
或者，所述第一垂直表面激光器(2-1)或第二垂直表面激光器(2-2)的微分增益为1.2×102ns-1；
或者，所述第一垂直表面激光器(2-1)或第二垂直表面激光器(2-2)的线宽增强因子3；
或者，所述第一垂直表面激光器(2-1)或第二垂直表面激光器(2-2)的反馈系数为40ns-1；
或者，所述第一垂直表面激光器(2-1)或第二垂直表面激光器(2-2)的耦合系数为40ns-1。
8.根据权利要求1或2所述的一种基于垂直表面激光器的双向混沌通信系统，其特征在于，所述第一电幅度调制器(1-1)或第二电幅度调制器(1-2)的增益为20dB。
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