CN110571641B - 利用宽带自发辐射量子噪声抑制混沌时延的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及混沌激光，具体为一种利用宽带自发辐射量子噪声抑制混沌时延的方法及装置，解决了现有混沌信号产生系统存在时延特征的问题；利用宽带自发辐射量子噪声抑制混沌时延的设备包括宽带自发辐射量子噪声系统和连续混沌激光信号产生系统构建宽带自发辐射量子噪声制备系统；通过产生连续混沌激光信号，宽带自发辐射量子噪声来调制混沌；本发明采用的宽带自发辐射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，并有效的抑制了混沌激光时延特征，可用于保密通信领域。

Description

利用宽带自发辐射量子噪声抑制混沌时延的方法及装置
技术领域
本发明涉及混沌激光，具体为一种利用宽带自发辐射量子噪声抑制混沌时延的方法及装置，可用于保密通信。
背景技术
混沌激光具有高带宽、大幅度、类噪声、对初值条件敏感等特性，被广泛应用于混沌保密通信、混沌激光雷达、光时域反射仪、光学相干层析、 快速随机数发生器等领域。半导体激光器为混沌激光的应用带来便利的同时，也具有不利因素——时延特性。所谓时延特性是指半导体激光器输出的混沌激光会携带与反馈腔长有关的信息，在时域上呈现出弱周期性。这种时延特性的存在严重影响混沌激光的应用质量，例如威胁混沌通信的保密性、破坏混沌激光快速随机数发生器的随机性等。
针对上述问题，许多学者提出了多种方法来抑制或隐藏其时延特性的效果。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不明，是否确能成功隐藏或抑制时延特性尚存在异议。2007年D．Rontani等人采用ACF与DMI数值分析了外光反馈SL的输出特性，指出了当反馈时延值与激光器弛豫振荡周期相似时，能够在混沌信号中隐藏时延信息。国内西南大学吴正茂课题组通过实验分析了单外腔反馈SL、双外腔反馈sL、互注入SL等混沌输出的时延特征，验证了D．Rontani等学者的理论结果。2010年J．Hizanidis等人利用全光反馈与光电反馈组成的混沌激光器系统，成功实现了时延信息隐藏。同年，M．C．Soriano等人利用排列熵（PermutationEntropy,PE）从混沌信号中提取出了时延信息，为分析混沌信号时延隐藏提供了新的参考维度，然而，该方案仅在理论上得到验证。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。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，提供一种利用宽带自发辐射量子噪声抑制混沌时延的方法及装置，解决了现有混沌信号产生系统存在时延特征的问题。
本发明是通过如下技术方案实现的。
利用宽带自发辐射量子噪声抑制混沌时延的方法，具体包括以下步骤：
a）制备宽带自发辐射量子噪声：由宽带自发辐射光源发出的宽带自发辐射量子噪声首先经过光隔离器进行单向传输，并由光纤滤波器进行滤波，滤波后的光信号经快速光电探测器转换为电信号，再由宽带放大器实现自发辐射量子噪声电压幅度放大，完成宽带自发辐射量子噪声的制备。
b）产生连续混沌激光信号：由半导体激光器发出的单模连续激光首先经过偏振控制器、光纤环形器进入光纤耦合器，之后所述的单模连续激光经过可变衰减器、光纤环形器返回半导体激光器，使得半导体激光器发出混沌激光；所述的混沌激光再依次经偏振控制器、光纤环形器、光纤耦合器输出连续混沌光进入光电探测器，产生的光电信号进入频谱分析仪和示波器观察混沌状态以及混沌时延特征。
c）宽带自发辐射量子噪声调制混沌：将宽带放大器输出的宽带自发辐射量子噪声作为调制信号接入半导体激光器调制口，改变偏置电流、反馈强度调节混沌状态，并调节宽带自发辐射量子噪声幅度分别观察有无调制信号时混沌时延特征的变化。
进一步的，所述宽带自发辐射光源为中心波长1550nm的宽带自发辐射光源。
进一步的，所述的光纤滤波器的中心波长为1550nm，滤波带宽为1nm。
进一步的，所述的宽带放大器为带宽10G的可调幅放大器。
进一步的，所述的半导体激光器的中心波长为1550nm。
进一步的，光电探测器为带宽500MHz，增益为18Kv/w的光电探测器。
利用宽带自发辐射量子噪声抑制混沌时延的设备，包括宽带自发辐射量子噪声系统和连续混沌激光信号产生系统，所述的宽带自发辐射量子噪声系统包括宽带自发辐射光源、光隔离器、光纤滤波器、快速光电探测器和宽带放大器，其中所述的自发辐射光源、光隔离器、光纤滤波器和快速光电探测器由光纤依次连接，所述的快速光电探测器和宽带放大器之间为电连接；所述的连续混沌激光信号产生系统包括半导体激光器、偏振控制器、可变衰减器、光纤环形器、光纤耦合器、光电探测器、频谱分析仪和示波器，所述的半导体激光器、偏振控制器、光纤环形器、光纤耦合器和光电探测器由光纤依次连接，所述的可变衰减器通过光纤连接在光纤环形器和光纤耦合器之间；所述的频谱分析仪和示波器分别与光电探测器电连接，所述的宽带放大器与半导体激光器电连接。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为:
混沌激光的产生取决于混沌激光源对初值的敏感性，现有混沌信号产生系统存在时延特征，本发明采用的宽带自发辐射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，混沌信号经宽带自发辐射量子噪声调制后旁瓣值降低，即时延特性得到抑制,并且产生的混沌信号频率带宽可控，中心频率可调谐，可以满足不同频段、不同带宽的超宽带信号的应用需要，拓宽了宽带混沌激光的应用领域，可广泛应用在保密通信中。
附图说明
图1是本发明所述的利用宽带自发辐射量子噪声抑制混沌时延的设备的示意图：其中，实线为光连线，虚线为电连线。
图2是没有加宽带自发辐射量子噪声的混沌频谱，图中a为混沌频谱，b为噪声基底。
图3是没有加宽带自发辐射量子噪声的时序。
图4是没有加宽带自发辐射量子噪声的自相关特性。
图5是宽带自发辐射量子噪声的功率—频率示意图，图中a为宽带自发辐射量子噪声频谱，b为噪声基底。
图6是经宽带自发辐射量子噪声调制后的混沌频谱。
图7是经宽带自发辐射量子噪声调制后的时序。
图8是经宽带自发辐射量子噪声调制后的自相关特性。
其中，图1中：1为宽带自发辐射光源，2为光隔离器，3为光纤滤波器，4为快速光电探测器，5为宽带放大器，6为半导体激光器，7为偏振控制器，8为可变衰减器，9为光纤环形器，10为光纤耦合器，11为光电探测器，12为频谱分析仪，13为示波器。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例和附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
如图1所示，是一种利用宽带自发辐射量子噪声抑制混沌时延的设备，包括宽带自发辐射量子噪声系统和连续混沌激光信号产生系统，宽带自发辐射量子噪声系统包括宽带自发辐射光源1、光隔离器2、光纤滤波器3、快速光电探测器4和宽带放大器5，其中自发辐射光源1、光隔离器2、光纤滤波器3和快速光电探测器4由光纤依次连接，快速光电探测器4和宽带放大器5之间为电连接；连续混沌激光信号产生系统包括半导体激光器6、偏振控制器7、可变衰减器8、光纤环形器9、光纤耦合器10、光电探测器11、频谱分析仪12和示波器13，其中，半导体激光器6、偏振控制器7、光纤环形器9、光纤耦合器10和光电探测器11由光纤依次连接，可变衰减器8通过光纤连接在光纤环形器9和光纤耦合器10之间；频谱分析仪12和示波器13分别与光电探测器11电连接，宽带放大器5与半导体激光器6电连接。
其中，宽带自发辐射光源1采用中心波长1550nm的OS8143型宽带自发辐射光源；光纤滤波器3采用中心波长1550nm，滤波带宽1nm的BPF-1X1-P-1550-900L-FA-1型光纤滤波器；快速光电探测器4采用带宽40GHz的XPDV2120RA型快速光电探测器；宽带放大器5采用带宽10G的EVK-RF-A-10-21-M型可调幅放大器；半导体激光器6采用中心波长1550nm的EP1550-0-DM-B05-FM型半导体激光器；光电探测器11采用带宽500MHz，增益为18Kv/w的KG-APR-500M型光电探测器。
使用上述的设备利用宽带自发辐射量子噪声来抑制混沌时延特征，具体为下述的步骤：
a）制备宽带自发辐射量子噪声：由宽带自发辐射光源1发出的宽带自发辐射量子噪声首先经过光隔离器2进行单向传输，并由光纤滤波器3进行滤波，滤波后的光信号经快速光电探测器4转换为电信号，再由宽带放大器5实现自发辐射量子噪声电压幅度放大，完成宽带自发辐射量子噪声的制备。
b）产生连续混沌激光信号：由半导体激光器6发出的单模连续激光首先经过偏振控制器7、光纤环形器9进入光纤耦合器10，之后单模连续激光经过可变衰减器8、光纤环形器9返回半导体激光器6，使得半导体激光器6发出混沌激光；混沌激光再依次经偏振控制器7、光纤环形器9、光纤耦合器10输出连续混沌光进入光电探测器11，产生的光电信号进入频谱分析仪12和示波器13观察混沌状态以及混沌时延特征。
c）宽带自发辐射量子噪声调制混沌：将宽带放大器5输出的宽带自发辐射量子噪声作为调制信号接入半导体激光器6调制口，改变偏置电流、反馈强度调节混沌状态，并调节宽带自发辐射量子噪声幅度分别观察有无调制信号时混沌时延特征的变化。
如图2——图8所示：本装置和方法采用的宽带自发辐射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，混沌信号经宽带自发辐射量子噪声调制后旁瓣值降低，即时延特性得到抑制,并且产生的混沌信号频率带宽可控，中心频率可调谐，可以满足不同频段、不同带宽的超宽带信号的应用需要，拓宽了宽带混沌激光的应用领域，可广泛应用在保密通信中。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (7)

1.利用宽带自发辐射量子噪声抑制混沌时延的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
a）制备宽带自发辐射量子噪声：由宽带自发辐射光源（1）发出的宽带自发辐射量子噪声首先经过光隔离器（2）进行单向传输，并由光纤滤波器（3）进行滤波，滤波后的光信号经快速光电探测器（4）转换为电信号，再由宽带放大器（5）实现自发辐射量子噪声电压幅度放大，完成宽带自发辐射量子噪声的制备；
b）产生连续混沌激光信号：由半导体激光器（6）发出的单模连续激光首先经过偏振控制器（7）、光纤环形器（9）进入光纤耦合器（10），之后所述的单模连续激光经过可变衰减器（8）、光纤环形器（9）返回半导体激光器（6），使得半导体激光器（6）发出混沌激光；所述的混沌激光再依次经偏振控制器（7）、光纤环形器（9）、光纤耦合器（10）输出连续混沌光进入光电探测器（11），产生的光电信号进入频谱分析仪（12）和示波器（13）观察混沌状态以及混沌时延特征；
c）宽带自发辐射量子噪声调制混沌：将宽带放大器（5）输出的宽带自发辐射量子噪声作为调制信号接入半导体激光器（6）调制口，改变偏置电流、反馈强度调节混沌状态，并调节宽带自发辐射量子噪声幅度分别观察有无调制信号时混沌时延特征的变化。
2.根据权利要求1所述的利用宽带自发辐射量子噪声抑制混沌时延的方法，其特征在于，所述宽带自发辐射光源（1）为中心波长1550nm的宽带自发辐射光源。
3.根据权利要求1所述的利用宽带自发辐射量子噪声抑制混沌时延的方法，其特征在于，所述的光纤滤波器（3）的中心波长为1550nm，滤波带宽为1nm。
4.根据权利要求1所述的利用宽带自发辐射量子噪声抑制混沌时延的方法，其特征在于，所述的宽带放大器（5）为带宽10G的可调幅放大器。
5.根据权利要求1所述的利用宽带自发辐射量子噪声抑制混沌时延的方法，其特征在于，所述的半导体激光器（6）的中心波长为1550nm。
6.根据权利要求1所述的利用宽带自发辐射量子噪声抑制混沌时延的方法，其特征在于，光电探测器（11）为带宽500MHz，增益为18Kv/w的光电探测器。
7.一种用于如权利要求1所述的利用宽带自发辐射量子噪声抑制混沌时延的方法的设备，其特征在于，包括宽带自发辐射量子噪声系统和连续混沌激光信号产生系统，所述的宽带自发辐射量子噪声系统包括宽带自发辐射光源（1）、光隔离器（2）、光纤滤波器（3）、快速光电探测器（4）和宽带放大器（5），其中所述的自发辐射光源（1）、光隔离器（2）、光纤滤波器（3）和快速光电探测器（4）由光纤依次连接，所述的快速光电探测器（4）和宽带放大器（5）之间为电连接；所述的连续混沌激光信号产生系统包括半导体激光器（6）、偏振控制器（7）、可变衰减器（8）、光纤环形器（9）、光纤耦合器（10）、光电探测器（11）、频谱分析仪（12）和示波器（13），所述的半导体激光器（6）、偏振控制器（7）、光纤环形器（9）、光纤耦合器（10）和光电探测器（11）由光纤依次连接，所述的可变衰减器（8）通过光纤连接在光纤环形器（9）和光纤耦合器（10）之间；所述的频谱分析仪（12）和示波器（13）分别与光电探测器（11）电连接；所述的宽带放大器（5）与半导体激光器（6）电连接。
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