CN109921893A - 一种增强混沌激光随机性的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种增强混沌激光随机性的系统及方法，具体为一种利用混频滤波消除光反馈混沌激光时延特征的增强混沌激光随机性的系统及方法。解决了目前光反馈混沌激光存在时延特征的技术问题。所述系统包括混沌激光产生装置；还包括通过光纤与混沌激光产生装置输出端相连接的偏振控制器，偏振控制器的输出端连接有光环行器的第一端口，光环行器的第二端口连接有光纤耦合器，光纤耦合器的第一输出端连接有数字可调衰减器；数字可调衰减器的输入端与光纤耦合器的第一输出端相连接；光纤耦合器的第二输出端连接有光电探测器，光电探测器的信号输出端顺次连接有混频器和低通滤波器；低通滤波器的信号输出端共同连接有示波器和频谱分析仪。
Description
技术领域
本发明涉及一种增强混沌激光随机性的系统及方法，具体为一种利用混频滤波消除光反馈混沌激光时延特征的增强混沌激光随机性的系统及方法。
背景技术
1980年，R.Lang等发现外部光反馈引起半导体激光器的非稳定性和混沌。混沌激光是激光器输出不稳定性的一种特殊形式。此种混沌激光系统对初值敏感，使得系统输出强度随机振荡且长期不可预测。基于上述特性，混沌激光在保密通信、高精度测距雷达、光时域反射仪、光纤传感及物理随机数等多领域得到深入研究。然而外腔反馈引入的时延特征(TDS：time-delay signature)影响了其在保密通信及随机数产生等方面的应用。显著的TDS危及通信的安全性，同时引发了复现特征，严重影响了随机数序列的随机性。因此抑制混沌激光的TDS就显得至关重要(参见文献Soriano M C,Garcíaojalvo J,Mirasso C R,etal.Complex photonics:Dynamics and applications of delay-coupledsemiconductors lasers[J].Reviews of Modern Physics,2013,85(1):421-470.)。
混沌激光的TDS表征分析目前已有多种方法，如奇异值分解测量，填充因子分析，局部线性模型，神经网络模型，自相关函数(ACF:Auto-correlation function)，(参见文献Rontani D,Locquet A,Sciamanna M,et al.Time-delay identification in a chaoticsemiconductor laser with optical feedback:a dynamical point of view[J].IEEEJournal of Quantum Electronics,2009,45(7):879-891.)互信息和高阶相干度等。排列熵(PE：permutation entropy)作为分析系统复杂度的方法之一，也被用来量化TDS(参见文献Bandt C,Pompe B.Permutation Entropy:A natural complexity measure for timeseries[J].Physical Review Letters,2002,88(17):1-4.)。
发明内容
本发明为解决光反馈混沌激光存在时延特征的技术问题，为减小自相关和排序熵延迟时间处的TDS，增加混沌激光通信保密性，提供一种增强混沌激光随机性的系统及方法。
本发明所述一种增强混沌激光随机性的系统是采用以下技术方案实现的：一种增强混沌激光随机性的系统，包括混沌激光产生装置；还包括通过光纤与混沌激光产生装置输出端相连接的偏振控制器，偏振控制器的输出端连接有光环行器的第一端口，光环行器的第二端口连接有光纤耦合器，光纤耦合器的第一输出端连接有数字可调衰减器；数字可调衰减器的输入端与光纤耦合器的第一输出端相连接，数字可调衰减器的输出端与光环行器的第三端口相连接；光纤耦合器的第二输出端连接有光电探测器，光电探测器的信号输出端顺次连接有混频器和低通滤波器；低通滤波器的信号输出端共同连接有示波器和频谱分析仪；还包括信号发生器，光电探测器的信号输出端与混频器的第一输入端相连接，信号发生器与混频器的第二输入端相连接。
本发明所述的一种增强混沌激光随机性的方法是采用以下技术方案实现的：一种增强混沌激光随机性的方法，包括如下步骤：分别使用温控电压源和温控电流源使分布反馈半导体激光器工作在阈值电流以上，且输出激光中心波长为1550nm；偏振控制器用于调整反馈光束的偏振态，使其平行于自由运行的激光器的偏振态；偏振控制器输出的光进入光环行器，光环行器另两个端口分别连接光纤耦合器和数字可调衰减器；光纤耦合器的第二输出端输出的光信号经由数字可调衰减器形成反馈，反馈光强度由数字可调衰减器精确控制，反馈延迟时间为86.7ns；光纤耦合器的第一输出端输出的光信号进入光电探测器检测并转换成电信号；光电转换信号然后通过混频器和信号发生器产生的1GHz正弦信号混频，再使用100M低通滤波器滤波；使用频谱分析仪和示波器同时记录所有数据。
在混频频率选择时应注意，应选取混沌频谱强度最大处附近的频率(本专利中混沌光频谱强度最大为5GHz，见图4)。通过混频器将混沌信号和信号发生器的信号混频，产生和频信号与差频信号，再使用滤波器滤去和频信号，将差频信号输出。
由示波器采集的信号时序分析获得信号强度分布的统计特性和对高斯分布的统计偏度。理想的随机信号统计分布应满足高斯分布。但分布式反馈半导体激光器的输出的原始混沌信号中混有多个频率段的杂散信号，这导致了信号强度分布的随机统计特性在一定程度上偏离了高斯分布。采集原始混沌信号得到的统计分布偏度为0.3849，在混频并使用低通滤波器滤波后，统计分布偏度为0.0086。
分析提取被采数据的自相关。自相关函数的定义为：
这里I(t)表示混沌激光信号的强度，<·>表示时间的平均，Δt为延迟时间。
分析提取被采数据的排序熵。为了得到时序的概率分布，我们必须选择适当的嵌入维数D和嵌入延迟时间τ。因此，维度D的矢量的可能排列数是D！。这个维度的选择受测量时间序列长度的影响。一般来说，我们会让D远小于时间序列N的长度以获得可靠的统计量。出于实际的目的，通常建议取3≤D≤7值。延迟时间τ是向量中时序值之间的时间间隔，其值为信号采样周期的整数倍。改变这个延迟时间可以分析不同时间尺度上的时间序列的排序熵(PE)。
对于一组给定的时序{xt,t＝1,…,N},根据选定的D和τ，我们从中选取N-(D-1)τ个向量s→(xs,xs+τ,xs+2τ,...,xs+(D-1)τ)其中s＝1,2,…,N-(D-1)τ。对于每个向量s，我们记录下其中元素的大小排列顺序π，并统计出处于各种大小排列顺序πi的向量个数n(πi)，并计算出各个排列序的概率再计算出该组时序的排序熵，排序熵值为1时表示得到的信号具有完全的随机性。
本发明具有如下有益效果：
目前通过抑制TDS来增强混沌激光随机性的的方法主要分为两大类：一类是从混沌激光源的自身物理机制出发，利用非线性动力学的物理相互作用来抑制TDS。比如使用相互延迟耦合的半导体激光器系统、在光反馈回路中引入啁啾光纤布拉格光栅、使用相位调制双路反馈、使用多激光器级联或互耦合等方式均可以抑制TDS。然而，上述通过控制混沌激光源参数来抑制TDS的物理机制尚存在争议，且目前可控制参数有限，人们也不能实时改变激光器的这些参数。
另一类是通过后处理来抑制TDS：在高速物理随机数产生中，对混沌激光信号进行异或差分逻辑处理或延迟光外差能有效抑制TDS，但是该方法对后处理器件要求较高，在实际应用中仍存在电子速率瓶颈和成本昂贵等问题。
本申请提出利用对混沌激光源输出的信号进行选择滤波提取作用可以抑制混沌激光的TDS(此处选择滤波指的是在混频器后面加了个100M的低通滤波器)，并且可以增强其随机统计特性。该方案避免了多个混沌光源注入级联、参数控制等结构复杂及繁琐的过程，有利于随机数产生及混沌保密通信中相关性能的提升，并为揭示抑制混沌时延特征的内在机理提供借鉴。
附图说明
图1是本发明所述增强混沌激光随机性的装置连接示意图
图2是不使用滤波时光反馈半导体激光器输出的混沌激光的时序和统计分布。
图3是使用100M滤波时激光器输出的混沌激光的时序和统计分布。由图中可以看出，使用混频滤波以后得到的时序统计能更好地拟合高斯曲线。
图4为使用滤波前频谱仪采集到的混沌和噪声的频谱。
图5为使用频谱仪采集到的滤波后信号和噪声频谱。图4、图5两图中下面的线均表示噪声频谱。
图6为使用滤波前采集到的信号的自相关。
图7为使用滤波后采集到的信号的自相关。由图中可以看出，使用混频滤波以后得到的信号的自相关旁瓣值更低。这说明使用混频滤波以后的得到的信号具有更好的随机性。
图8是滤波前后自相关的旁瓣值随反馈强度的变化趋势。
图1中：1-温控电压源；2-温控电流源；3-分布式反馈半导体激光器；4-偏振控制器；5-光环形器；6-光纤耦合器；7-数字可调衰减器；8-光电探测器；9-信号发生器；10-混频器；11-低通滤波器；12-示波器；13-频谱分析仪。
具体实施方式
(一)、搭建如图1所示的实验装置。该实验装置分为三部分。第一部分为混沌激光产生装置。混沌光源主要由一台分布式反馈半导体激光器(LD)利用一个外腔光反馈系统构成。分别使用温度控制电压源(TC，精度：0.1℃)和低噪声温控电流源(CS，精度：0.01mA)使分布反馈半导体激光器(LD，eblana)工作在阈值电流(12mA)以上，且输出激光中心波长为1550nm。光纤环路中的偏振控制器(PC)用于调整反馈光束的偏振态，使其平行于自由运行的激光器的偏振态。PC输出的光进入光环行器，光环形器另两个端口连接50:50光纤耦合器(OC)和数字可调衰减器(VOA准确度：0.01dB)。OC的一路输出经由VOA形成反馈，反馈光强度由环路中的数字可调衰减器精确控制，反馈延迟时间为86.7ns(这个数值由具体激光器的腔长决定，在该值处得到的混沌信号最好)。第二部分为混频滤波装置。OC的另一端输出进入50GHz带宽的光电探测器(PD)检测。光电转换信号然后通过混频器(M)和信号发生器产生的1GHz正弦信号混频，再使用100M低通滤波器滤波。使用26.5GHz RF频谱分析仪(3MHzRBW，3KHz VBW)和40Gsps实时示波器(OSC)同时记录所有数据。带宽为36GHz。由于实验条件所限，只能选取已有信号发生器最大频率1GHz，但已得到较好效果。
(二)、由示波器采集的信号时序分析获得信号强度分布的统计特性和对高斯分布的统计偏度。理想的随机信号统计分布应满足高斯分布。但分布式反馈半导体激光器的输出的原始混沌信号中混有多个频率段的杂散信号，这导致了信号强度分布的随机统计特性在一定程度上偏离了高斯分布。采集原始混沌信号得到的统计分布偏度为0.3849，在混频并使用低通滤波器滤波后，统计分布偏度为0.0086。
(三)、分析提取被采数据的自相关。自相关函数的定义为：
这里I(t)表示混沌激光信号的强度，<·>表示时间的平均，Δt为延迟时间。
(四)、分析提取被采数据的排序熵。为了得到时序的概率分布，我们必须选择适当的嵌入维数D和嵌入延迟时间τ。因此，维度D的矢量的可能排列数是D！。这个维度的选择受测量时间序列长度的影响。一般来说，我们会让D远小于时间序列N的长度以获得可靠的统计量。出于实际的目的，通常建议取3≤D≤7值。延迟时间τ是向量中时序值之间的时间间隔，其值为信号采样周期的整数倍。改变这个延迟时间可以分析不同时间尺度上的时间序列的排序熵(PE)。
对于一组给定的时序{xt,t＝1,...,N},根据选定的D和τ，我们从中选取N-(D-1)τ个向量s→(xs,xs+τ,xs+2τ,...,xs+(D-1)τ)其中s＝1,2,...,N-(D-1)τ。对于每个向量s，我们记录下其中元素的大小排列顺序π，并统计出处于各种大小排列顺序πi的向量个数n(πi)，并计算出各个排列序的概率再计算出该组时序的排序熵
Claims (4)
1.一种增强混沌激光随机性的系统，包括混沌激光产生装置；其特征在于，还包括通过光纤与混沌激光产生装置输出端相连接的偏振控制器（4），偏振控制器（4）的输出端连接有光环行器（5）的第一端口，光环行器（5）的第二端口连接有光纤耦合器（6），光纤耦合器（6）的第一路输出端连接有数字可调衰减器（7）；数字可调衰减器（7）的输入端与光纤耦合器（6）的第一输出端相连接，数字可调衰减器（7）的输出端与光环行器（5）的第三端口相连接；光纤耦合器（6）的第二输出端连接有光电探测器（8），光电探测器（8）的信号输出端顺次连接有混频器（10）和低通滤波器（11）；低通滤波器（11）的信号输出端共同连接有示波器（12）和频谱分析仪（13）；还包括信号发生器（9），光电探测器（8）的信号输出端与混频器（10）的第一输入端相连接，信号发生器（9）与混频器（10）的第二输入端相连接。
2.如权利要求1所述的一种增强混沌激光随机性的系统，其特征在于，所述混沌激光产生装置包括分布式反馈半导体激光器（3）、温控电压源（1）和温控电流源（2）；所述温控电压源（1）与分布式反馈半导体激光器的电压控制端口相连接，温控电流源（2）与分布式反馈半导体激光器（3）的电流控制端口相连接。
3.如权利要求2所述的一种增强混沌激光随机性的系统，其特征在于，所述分布式反馈半导体激光器（3）采用WTD LDM5S752型分布式反馈半导体激光器；所述温控电流源（2）采用TCCS ILXLightwave LDX-3412型温控电流源；所述温控电压源（1）采用ILXLight-wave ，LDT-5412型温控电压源；所用光电探测器（8）采用Finisar, XPDV212ORA -VF-FP型光电探测器；频谱分析仪（13）采用Agilent N9020A, 3 MHz RBW, 3 KHz VBW型频谱分析仪；示波器（12）采用Lecroy LabMaster10-36Zi型实时示波器；光纤耦合器（6）采用50:50光纤耦合器。
4.一种增强混沌激光随机性的方法，采用如权利要求2或3所述的一种增强混沌激光随机性的系统实现，其特征在于，包括如下步骤：分别使用温控电压源（1）和温控电流源（2）使分布反馈半导体激光器（3）工作在阈值电流以上，且输出激光中心波长为1550nm；偏振控制器（4）用于调整反馈光束的偏振态，使其平行于自由运行的激光器的偏振态；偏振控制器（4）输出的光进入光环行器（5），光环行器（5）另两个端口分别连接光纤耦合器（6）和数字可调衰减器（7）；光纤耦合器（6）的第二输出端输出的光信号经由数字可调衰减器（7）形成反馈，反馈光强度由数字可调衰减器（7）精确控制，反馈延迟时间为86.7ns；光纤耦合器（6）的第一输出端输出的光信号进入光电探测器（8）检测并转换成电信号；光电转换信号然后通过混频器（10）和信号发生器（9）产生的1GHz正弦信号混频，再使用100M低通滤波器（11）滤波；使用频谱分析仪（13）和示波器（12）同时记录所有数据。
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