CN110112646A - 一种时延标签隐藏的混沌激光信号产生方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种时延标签隐藏的混沌激光产生方案。该方案主要采用并联耦合多环形谐振器滤波装置取代传统外腔光反馈半导体激光器的镜面反馈装置，其中，并联耦合多环形谐振器由多个(两个、三个或者更多)Add‑Drop单环形谐振器并联耦合组成。该方案是将DFB激光器的输出光从环形谐振器的输入端输入，然后在环形谐振器的Drop端和Through端得到两路输出光，其中，将Drop端的输出光作为激光器的反馈光，反馈到半导体激光器中；将Through端的输出光作为最终的混沌激光信号。经过上述的操作处理，可以实现混沌激光信号时延标签的有效消除。

Description

一种时延标签隐藏的混沌激光信号产生方法及系统
技术领域
本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种时延标签隐藏的混沌激光信号产生方法及系统。
技术背景
近年来，由于外腔半导体激光器结构简单，其产生的混沌激光信号具有宽带宽和类噪声的特性，因此在保密通信、随机数产生以及激光雷达等领域得到广泛应用。然而，随着研究的不断深入，外腔半导体激光器混沌激光信号的缺点也逐渐暴露出来：(1)外腔半导体激光器产生的混沌激光信号具有明显的驰豫振荡，使得混沌激光信号的大部分能量集中分布在驰豫振荡频率附近，从而限制了混沌信号的带宽；(2)由于外腔谐振特性的存在，使得混沌激光信号的自相关函数曲线在外腔反馈时延处具有明显的相关峰，即时延标签。特别是时延标签的存在，严重限制了混沌激光信号在上述各个领域的应用。在安全通信领域，窃密者可以通过时延标签来获得外腔半导体激光器的外腔腔长信息，从而增大了安全通信系统重构的可能性，降低了通信系统的安全性；在随机数产生应用中，时延标签的存在会裂化产生的数字序列的随机性；在激光雷达领域，时延标签的存在会降低雷达系统的分辨率和准确度。
针对时延标签隐藏问题，在文献[J.G.Wu,“Suppression of time delaysignatures of chaotic output in a semiconductor laser with double opticalfeedback”,Optics Express,17(22):20124-20133,2009.]中，作者采用外腔双反馈装置，通过实验和仿真证明实现了混沌激光信号时延标签的抑制。在文献[D.Wang,“Time delaysignature elimination of chaos in a semiconductor laser by dispersivefeedback from a chirped FBG”,Optics express,25(10):10911-10924,2017.]中，作者利用啁啾光纤布拉格光栅，通过实验和仿真证明实现了混沌激光信号时延标签的抑制。与之不同的是，本发明提出一种新的时延标签有效隐藏的混沌激光信号产生方案，该方案不仅可以消除混沌激光信号的时延标签，而且可以使得混沌激光信号的有效带宽有所增加。
发明内容
本发明的目的在于针对传统外腔半导体激光混沌信号存在时延标签的问题，提出一种时延标签隐藏的混沌激光信号产生方法和系统。该方案通过利用并联耦合多环形谐振器的非线性滤波效果，实现混沌激光信号时延标签的有效隐藏。
为实现上述发明目的，本发明提出一种时延标签隐藏的混沌激光信号产生方法，包括：采用并联耦合多环形谐振器，取代传统外腔光反馈(COF)半导体激光器的镜面反馈装置，其中，并联耦合多环形谐振器具有两个输入端口，分别为Input端和Add端，同时具有两个输出端口，分别为Drop端和Through端；Input端接收激光器的输出光，Drop端的输出光反馈到激光器中，Through端输出混沌激光信号，该混沌激光信号即为时延标签隐藏的混沌激光信号。
优选的，并联耦合多环形谐振器由多个Add-Drop单环形谐振器并联耦合形成。
优选的，并联耦合多环形谐振器可以由两个Add-Drop单环形谐振器并联耦合组成并联耦合双环形谐振器(DRR)。
优选的，并联耦合多环形谐振器也可以由三个Add-Drop单环形谐振器并联耦合组成并联耦合三环形谐振器(TRR)。
优选的，并联耦合多环形谐振器中，并联耦合的单个环形谐振器的半径大小可以相同或者不相同。
优选的，并联耦合多环形谐振器的作用是对激光器的输出光进行滤波处理，其中，并联耦合多环形谐振器的Input端接收激光器的输出光，将Drop端得到的一路滤波输出光经过可调衰减器反馈回激光器中；将Through端得到的另一路滤波输出光作为时延标签隐藏的混沌激光信号。
优选的，激光器可以是分布式反馈(DFB)半导体激光器。
同时，本发明提出一种时延标签隐藏的混沌激光信号产生系统，包括：激光器，偏振控制器(PC)，光环行器(OC)，一个并联耦合多环形谐振器；激光器产生连续激光，先经过一个偏振控制器PC，再输入到光环行器OC的2端口，然后将OC的3端口的输出光输入到并联耦合环形谐振器的Input端，在并联耦合多环形谐振器的Drop端和Through端可以得到两路输出光，其中，将Drop端的输出光经过可调衰减器VOA后输入到OC的1端口，再经过偏振控制器PC反馈到激光器中；将Through端的输出光作为最终的输出信号。
本发明所提出的混沌激光信号产生的方案具有以下益处：(1)有效消除了混沌激光信号的时延标签；(2)提升混沌信号的复杂度；(3)混沌信号的有效带宽得到增大。因此，在安全通信应用中，提高了通信系统的安全性；在随机数的产生应用中，提升了随机数产生的随机性；在激光雷达应用中，增强了雷达系统的抗干扰能力。
附图说明
图1 本发明的结构示意图；
图2 COF混沌激光信号的时域波形图；
图3 COF混沌激光信号的功率谱图；
图4 DRR滤波光反馈混沌激光信号的时域波形图；
图5 DRR滤波光反馈混沌激光信号的功率谱图；
图6 COF混沌激光信号的自相关函数曲线图；
图7 DRR滤波光反馈混沌激光信号的自相关函数曲线图；
图8 COF混沌激光信号的延时互信息函数曲线图；
图9 DRR滤波光反馈混沌激光信号的延时互信息函数曲线图；
图10 COF混沌激光信号的排列熵曲线图；
图11 DRR滤波光反馈混沌激光信号的排列熵曲线图。
DFB，DFB激光器；PC，偏振控制器；OC，光环行器；VOA，可调衰减器；DRR，并联耦合双环形谐振器；PD，光电探测器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图，对本发明作进一步地详细描述。
图1所示为本发明一种时延标签隐藏的激光混沌信号产生的系统的原理图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种时延标签隐藏的激光混沌信号产生的系统，包括：分布式反馈(DFB)半导体激光器，偏振控制器PC，光环行器OC，并联耦合双环形谐振器DRR，以及可调衰减器VOA。
其中，分布式反馈半导体激光器用于产生连续激光；偏振控制器PC用于调节反馈到DFB激光器中的光的偏振；光环行器OC便于产生回路，使得反馈光可以经过OC后反馈到激光器中；并联耦合双环形谐振器DRR具有非线性滤波特性，本发明利用这种特性实现混沌激光信号时延标签的隐藏；可调衰减器VOA用于调节反馈光的强度。
本实施例中采用的并联耦合双环形谐振器DRR是并联耦合多环形谐振器MRR中的一种耦合方式。并联耦合多环形谐振器是由多个Add-Drop单环形谐振器并联耦合组成，这里的多个可以是两个，三个，甚至更多。采用并联耦合三环形谐振器TRR同样可以实现混沌激光信号的时延标签隐藏，而且相较于采用并联耦合双环形谐振器的方法，并联耦合三环形谐振器可以实现更好的效果。以下说明只采用并联耦合双环形谐振器的方法与传统的方法进行对比说明。
下面对本发明系统的工作流程进行详细的描述：分布式反馈(DFB)半导体激光器产生连续激光，先经过一个偏振控制器PC，再输入到光环行器OC的2端口，然后将OC的3端口的输出光输入到并联耦合环形谐振器的Input端，在并联耦合环形谐振器的Drop端和Through端可以得到两路输出光，其中，将Drop端的输出光经过可调衰减器VOA后输入到光环行器的1端口，再经过偏振控制器PC反馈到DFB激光器中；将Through端的输出光作为最终的输出信号。
实施例
下面对本发明进行进一步说明。
在本实施例中，分布式反馈(DFB)半导体激光器工作在以1550nm为中心附近，其阈值电流为20mA，泵浦电流为30mA；并联耦合双环形谐振器DRR由两个半径大小为2mm的Add-Drop单环形谐振器并联耦合组成，连接两个环形谐振器的光波导长度(即相邻两个环中心之间的距离)为10mm，光波导与环之间的耦合系数为0.4；反馈强度由可调衰减器VOA控制，大小设置为15dB；外腔反馈时延(即DFB激光器输出光从输出经过并联耦合双环形谐振器，再到反馈到激光器过程中所用时间)为5ns。
图2、图3所示分别为传统光反馈COF方法产生混沌激光信号的时域波形图和功率谱图。从图3中可以看出，功率谱在驰豫振荡频率2.53GHz附近有明显的尖峰，这表明传统光反馈方法产生的混沌激光信号的主要能量集中在驰豫振荡频率附近，导致有效带宽受限，其有效带宽为5.35GHz。从图3的内插图可以看出，该功率谱具有明显的周期频率间隔，其间隔为0.2GHz，对应外腔模式间隔1/t ns-1，这表明该混沌信号具有明显的时延标签。
图4、图5所示分别为并联耦合双环形谐振器DRR滤波光反馈方法产生混沌激光信号的时域波形图和功率谱图。从图5中可以看出，功率谱在驰豫振荡频率附近没有明显的尖峰，其有效带宽为8.72GHz，而且内插图中也没有出现周期频率间隔，这表明该方法产生的混沌信号的时延标签得到削弱或消除，而且其有效带宽也得到提升。
图6、图7所示分别为COF混沌激光信号和DRR滤波光反馈混沌激光信号的自相关函数曲线。自相关函数(ACF)一般用来表征一个信号与其自身延迟后信号的相似度，可以通过观测ACF曲线可以识别一个信号是否暗含周期性。从图6可以看出，COF混沌激光信号的ACF曲线在外腔时延5ns处以及10ns处具有明显的峰值，这表明该混沌信号具有明显的时延标签。从图7可以看出，DRR混沌激光信号的ACF曲线在5ns及10ns处并没有出现尖峰，这表明该混沌信号的时延标签得到有效的消除。
图8、图9所示分别为COF混沌激光信号和DRR滤波光反馈混沌激光信号的延时互信息函数曲线。延时互信息函数(DMI)也是一种用来检测一个信号周期性特征的方法。从图8可以看出，COF混沌激光信号的DMI曲线在外腔时延5ns处以及10ns处也出现了明显的峰值，而图9中，DRR混沌激光信号的DMI曲线在时延处并没有出现峰值，进一步表明本发明可以产生时延标签消除的混沌信号。
图10、图11所示分别为COF混沌激光信号和DRR滤波光反馈混沌激光信号的排列熵曲线。排列熵不仅可以识别混沌信号的时延标签，而且可以用来衡量一个信号的复杂度。排列熵的值在[0,1]范围内，值越大，表明其随机性越强，复杂度越高；而值越小，表明该信号随机性越低，可预测，复杂度越低。从图10中可以看出，排列熵曲线在5ns处出现明显的谷峰，这表明该混沌信号具有时延特征。而图11的排列熵曲线并没有明显的谷峰，再次验证了本发明的方案可以实现混沌激光信号时延标签的隐藏。此外，对比图10与图11可以发现，图11的排列熵的值明显大于图10的熵值，这表明本发明方案产生的混沌信号具有高随机性，高复杂度。
综上所述，本发明所提出的混沌激光信号产生的方案具有以下益处：(1)有效消除了混沌激光信号的时延标签；(2)混沌信号复杂度提升；(3)混沌信号的有效带宽得到增大。因此，在安全通信应用中，提高了通信系统的安全性；在随机数的产生应用中，提高了随机数产生的随机性；在激光雷达应用中，增强了雷达系统的抗干扰能力。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (9)

1.一种时延标签隐藏的混沌激光信号产生方法，其特征在于，采用并联耦合多环形谐振器，取代传统外腔光反馈(COF)半导体激光器的镜面反馈装置，其中，所述并联耦合多环形谐振器具有两个输入端口，分别为Input端和Add端，同时具有两个输出端口，分别为Drop端和Through端；所述Input端接收激光器的输出光，所述Drop端的输出光反馈到激光器中，所述Through端输出混沌激光信号，该混沌激光信号即为时延标签隐藏的混沌激光信号。
2.根据权利要求1所述的一种时延标签隐藏的混沌激光信号产生方法，其特征在于，所述并联耦合多环形谐振器由多个Add-Drop单环形谐振器并联耦合形成。
3.根据权利要求2所述的一种时延标签隐藏的混沌激光信号产生方法，其特征在于，所述并联耦合多环形谐振器可以由两个Add-Drop单环形谐振器并联耦合组成并联耦合双环形谐振器(DRR)。
4.根据权利要求2所述的一种时延标签隐藏的混沌激光信号产生方法，其特征在于，所述并联耦合多环形谐振器也可以由三个Add-Drop单环形谐振器并联耦合组成并联耦合三环形谐振器(TRR)。
5.根据权利要求1所述的一种时延标签隐藏的混沌激光信号产生方法，其特征在于，所述并联耦合多环形谐振器中，所述并联耦合的单个环形谐振器的半径大小可以相同或者不相同。
6.根据权利要求1所述的一种时延标签隐藏的混沌激光信号产生方法，其特征在于，所述并联耦合多环形谐振器的作用是对激光器的输出光进行滤波处理，其中，并联耦合多环形谐振器的Input端接收激光器的输出光，将Drop端得到的一路滤波输出光经过可调衰减器反馈回激光器中；将Through端得到的另一路滤波输出光作为时延标签隐藏的混沌激光信号。
7.根据权利要求6所述的一种时延标签隐藏的混沌激光信号产生方法，其特征在于，所述激光器可以是分布式反馈(DFB)半导体激光器。
8.一种时延标签隐藏的混沌激光信号产生系统，其特征在于，包括：激光器，偏振控制器(PC)，光环行器(OC)，一个并联耦合多环形谐振器；其中，所述并联耦合多环形谐振器执行如权利要求1-7任一项所述的时延标签隐藏的混沌激光信号产生方法，用以产生时延标签隐藏的混沌激光信号。
9.根据权利要求8所述的一种时延标签隐藏的混沌激光信号产生方法，其特征在于，激光器产生连续激光，先经过所述偏振控制器PC，再输入到所述光环行器OC的2端口，然后将所述OC的3端口的输出光输入到所述并联耦合多环形谐振器的Input端，在所述并联耦合多环形谐振器的Drop端和Through端可以得到两路输出光，其中，将所述Drop端的输出光经过可调衰减器VOA后输入到所述OC的1端口，再经过所述PC反馈到激光器中；所述Through端的输出光即为最终的输出信号。
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