CN110727157B - 一种布尔混沌光的产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及混沌光领域，具体为一种布尔混沌光的产生装置。一种布尔混沌光的产生装置，包括2个光异或门和1个光异或非门，3个光逻辑门作为基本单元构成3节点全光自治布尔网络。每个光XOR都有三个输入端和三个输出端，所述三个输入端由外部输入探测光和相邻两节点的输出组成,并将其输出分别作为相邻的其他两个节点的输入端和一个外部输出端。并且在每个节点的输入、输出光路上增加光延时线，通过调节每路延时，实现并行输出3路布尔混沌光。本发明提出利用光逻辑器件构建全光自治布尔网络产生布尔混沌光，是一种混沌光产生新原理，实现了高带宽、多节点并行输出的布尔混沌光产生。

Description

一种布尔混沌光的产生装置
技术领域
本发明涉及混沌光领域，具体为一种布尔混沌光的产生装置。本发明提出利用光逻辑器件构建全光自治布尔网络产生布尔混沌光，是一种混沌光产生新原理，实现了高带宽、多节点并行输出的布尔混沌光产生。
背景技术
混沌是一门新兴科学，已经成为当代非常引人注目的研究话题。物理混沌是在非线性动力装置或器件中产生的无规则运动，产生的混沌信号具有初值敏感性、长期不可预测性、宽带频谱等特性，所以在随机数发生器、保密通信、神经网络等领域已经得到非常广泛的应用。
目前混沌光的研究表明，混沌光主要通过半导体激光器、光纤激光器等在外界扰动（光反馈、光注入或光电反馈）下，可以产生随机性良好的混沌光信号。
但是受限于半导体激光器的弛豫振荡频率，通过单独反馈或注入的方法产生的混沌光带宽受到很大的限制。严重限制了混沌信号在随机数发生器、通信等领域的应用。
2009年，美国杜克大学的 Zhang R（Zhang R., et al., Boolean chaos[J].Physical Review E Statistical Nonlinear & Soft Matter Physics, 2009,80(4):045202(4)）等人发现：由电子逻辑门器件构成的自治布尔网络可以产生出复杂动力学行为，包括宽带混沌；他们将这种幅值呈二值变化（高低电平）、相位呈随机变化的新型相位混沌命名为布尔混沌。受限于电子逻辑门器件速率瓶颈，该方法产生混沌信号的带宽有限。
发明内容
本发明的目的是提供一种布尔混沌光的产生装置，提出一种混沌光产生新原理，用来解决上述电子逻辑门器件速率瓶颈带来混沌信号带宽问题和受限于半导体激光器的弛豫振荡频率等问题。
本发明是采用以下技术方案实现的：一种布尔混沌光的产生装置，包括作为节点1和2节点2的两个光异或门（XOR）和作为节点3的1个光异或非门（XNOR），上述3个光逻辑门作为基本单元构成 3 节点全光自治布尔网络；每个光异或门和光异或非门都有三个输入端和三个输出端，所述三个输入端由外部输入探测光和相邻两节点的输出组成,三个输出端中一个作为外部输出端，另外两个分别输入到相邻的其他两个节点；并且在每个节点的输入、输出光路上增加光延时线，通过调节每路延时，实现并行输出3路布尔混沌光；
所述光异或门包括1×2耦合器，1×2耦合器的输入端输入外部探测光，1×2耦合器的两个输出端分别连接有一个半导体光放大器，两个半导体光放大器的一端均与1×2耦合器相连接，两个半导体光放大器的另一端分别连接有一个光延时线，光延时线用于调制输入另外两个节点的输出信号；1×2耦合器的两个输出端共同连接有一个2×1耦合器，2×1耦合器的输出端通过偏振控制器连接有1×3耦合器；外部输入探测光经过1×2耦合器等分成上下两条光路，经过半导体光放大器根据交叉增益调制原理和相位变化，节点1、2能够实现光异或门的异或操作；
光异或非门在光异或门的基础上，在2×1耦合器和偏振控制器之间增加一个环形器，环形器的1端口与2×1耦合器的输出端相连接，环形器的3端口与偏振控制器的入射端口相连接，环形器的2端口连接有一个半导体光放大器，用于输入另一路外部探测光；配合外部输入探测光，经过交叉增益调制效应，输出和输入功率相反的信号，节点3完成了光异或非门的异或非操作；
通过调节每个节点反馈光路的光延时线，使整个自治布尔网络进入混沌状态，输出3路布尔混沌光。
同时3个光逻辑门的输出端分别连接光偏振器，用来调控网络中光信号的偏振态。
所述3节点全光自治布尔网络中每个节点都可以输出，实现并行输出3路布尔混沌光。
所述3节点全光自治布尔网络，可以通过增加节点个数来提高布尔混沌光的输出速率。
节点2的外部输入探测光的波长为1531nm；节点1的外部输入探测光的波长为1543nm；节点3的1×2耦合器的输入端输入外部探测光波长为1531nm ，节点3的另一路外部探测光波长为1549nm。所述时延都是由每个节点相关的固有时延和反馈路上的信号传播时间组合而成的。
所述每个节点的反馈延时差小于半导体光放大器的载流子恢复时间，使SOA的载流子不能恢复完全。
1．本发明通过全光逻辑器件构建自治布尔网络，可以获得比电子逻辑器件更快的速率，解决受限于电子逻辑门器件速率瓶颈这一问题。
2．本发明是一种混沌光产生的新原理，可以有效解决传统混沌光的产生受限于半导体激光器的弛豫振荡频率以及外界抖动对激光器带来的影响。
3．本发明的装置可以通过增加节点数目来并行输出多路强度恒定的布尔混沌光信号，可以实现更高速率的布尔混沌光信号的输出。
附图说明
图1是本发明的3节点自治布尔网络整体结构图。
图中：CW1，CW2，CW3：外部输入探测光；A：节点1（XOR）；B：节点2（XOR）；
C：节点3（XNOR）；1，2，3：1×3耦合器。
图2是本发明节点1，节点2的具体结构图。
图中：CW1:外部输入探测光；A1：1×2耦合器；A2,A3：半导体光放大器（SOA）；A4：2×1耦合器；A5：偏振控制器；1：1×3耦合器；A6,A7：光延时线。
图3是本发明节点3的具体结构图。
图中：CW3，CW4:外部输入探测光；C1：1×2耦合器；C2,C3，C7：半导体光放大器（SOA）；C4：2×1耦合器；C5：环形器；C6：偏振控制器；3：1×3耦合器；C8,C9：光延时线。
具体实施方式
为使本发明的原理、整体方案和特点更加清楚，下面将结合符图对本发明的技术方案作进一步的说明。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。
节点1（光XOR）有3个输入端和3个输出端，输入端分别由外部输入探测光和相邻节点2和节点3的输出信号组成。输出的3路信号，其中两路信号分别输出到节点2和节点3的输入端，充当反馈光路的作用，最后1路信号输出到外部输出端。
如图2所示，外部输入探测光CW1，经过3dB耦合器 (50:50)A1将输入光等分成上下两条光路。两路信号光经过各自光路上的SOA A2和SOA A3获得相同的增益，两路信号经历放大增益变成高功率。两路信号光产生相同的相位变化，经过耦合器A4根据干涉相消，此时节点1输出为低功率。输出分为三路，两路信号光分别输入到节点2和节点3。同时节点2和节点3的输出作为节点1的输入信号，成为节点1的两路反馈光。通过调节光延时线A6，A7，使上下两路信号光的增益不同，产生相位差。两路探测光经各自光路上的SOA 产生π的相位差，干涉输出为高功率，即节点1完成了光XOR的异或操作。
节点2（光XOR）和节点1的结构是相同的，同样存在3个输入端和3个输出端。节点1和节点3的输出信号输入到节点2的输入端，节点2的输出信号分别充当节点1和节点3的输入信号。节点2的具体实施过程和上述节点1的过程保持一致，区别在于外部输入探测光CW2波长不同。
如图3所示，节点3（光XNOR）和节点1、2区别在于：增加了外部输入探测光CW4、SOAC7、环形器C5。具体实施过程和节点1、2区别在于，外部输入探测光CW4输入到SOA C7中，前面两路信号光干涉输出的信号光经过SOA时，不消耗其载流子。在SOA中根据交叉增益调制原理，输出和输入信号光功率相反的信号。节点3的两路输出作为节点1、2的反馈光路，一路输出到输出端。当两路反馈光路的光信号不能同时到达每个节点的上下两路，实现了在每个节点输出为周期信号。通过调节每个节点反馈光路上的光延时线，使两路反馈延时差小于SOA的载流子恢复时间，使SOA的载流子不能恢复完全。最终使整个自治布尔网络进入混沌状态，可以发现在每个节点输出端出现随机振荡，输出布尔混沌光信号。全光自治布尔网络中每个节点都可以作为输出端，最终实现并行输出3路布尔混沌光。同时在3个光逻辑门的输出端分别连接光偏振器，用于调节自治布尔网络中每一路光信号的偏振态。

Claims (5)

1.一种布尔混沌光的产生装置，其特征在于，包括作为节点1和2的两个光异或门和作为节点3的1个光异或非门，上述3个光逻辑门作为基本单元构成 3 节点全光自治布尔网络；每个光异或门和光异或非门都有三个输入端和三个输出端，所述三个输入端由外部输入探测光和相邻两节点的输出组成,三个输出端中一个作为外部输出端，另外两个分别输入到相邻的其他两个节点；在每个节点的输入、输出光路上增加光延时线，通过调节每路延时，实现并行输出3路布尔混沌光；
所述光异或门包括1×2耦合器，外部探测光输入到1×2耦合器，1×2耦合器的两个输出端分别连接有一个半导体光放大器，两个半导体光放大器的一端均与1×2耦合器相连接，两个半导体光放大器的另一端分别连接有一个光延时线，光延时线用于调制输入另外两个节点的输出信号；1×2耦合器的两个输出端共同连接有一个2×1耦合器，2×1耦合器的输出端通过偏振控制器连接有1×3耦合器；外部输入探测光经过1×2耦合器等分成上下两条光路，经过半导体光放大器根据交叉增益调制原理和相位变化，节点1、2能够实现光异或门的异或操作；
光异或非门在光异或门的基础上，在2×1耦合器和偏振控制器之间增加一个环形器，环形器的1端口与2×1耦合器的输出端相连接，环形器的3端口与偏振控制器的入射端口相连接，环形器的2端口连接有一个半导体光放大器，用于输入另一路外部探测光；配合外部输入探测光，经过交叉增益调制效应，输出和输入功率相反的信号，节点3完成了光异或非门的异或非操作；
通过调节每个节点反馈光路的光延时线，使整个自治布尔网络进入混沌状态，输出3路布尔混沌光。
2.如权利要求1所述的一种布尔混沌光的产生装置，其特征在于，3节点全光自治布尔网络中每个节点都可以输出，实现并行输出3路布尔混沌光。
3.如权利要求1所述的一种布尔混沌光的产生装置，其特征在于，节点1的外部输入探测光的波长为1543nm；节点2的外部输入探测光的波长为1531nm；节点3的1×2耦合器的输入端的外部输入探测光波长为1531nm ，节点3的另一路外部输入探测光波长为1549nm。
4.如权利要求1所述的一种布尔混沌光的产生装置，其特征在于，时延都是由每个节点相关的固有时延和反馈路上的光信号传播时间组合而成的。
5.如权利要求1或4所述的一种布尔混沌光的产生装置，其特征在于，每个节点的反馈延时差小于半导体光放大器的载流子恢复时间，使半导体光放大器的载流子不能恢复完全。
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