CN111314047B - 一种时钟同步光混沌多重触发器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种时钟同步光混沌多重触发器，包括：第一电放大器、第一低通滤波器、第一光电转换器、第二电放大器、第二低通滤波器、第二光电转换器、第三电放大器、第三低通滤波器、第三光电转换器、第四电放大器、第四低通滤波器、第四光电转换器、第一电子逻辑“与”门、第二电子逻辑“与”门、第一采样光栅分布布拉格反射激光器、第二采样光栅分布布拉格反射激光器、第一偏振控制光路、第二偏振控制光路、第一垂直腔表面发射激光器、第二垂直腔表发发射激光器和第三垂直腔表面发射激光器，本发明的优点在于：实现了在同一光路结构下同时存在时钟同步功能以及多重光触发操作的功能。

Description

一种时钟同步光混沌多重触发器
技术领域
本发明涉及光子与电子设备，特别是涉及一种时钟同步光混沌多重触发器
背景技术
混沌半导体激光器在光存储[1,2]、保密通信[3-5]、激光雷达测距[6,7]、物理随机数的产生[8]、混沌神经网络[9]等领域引起了广泛的关注，近年来又被逐渐应用于光学混沌计算[10-12]。光混沌计算为实现逻辑光路提供了新的途径，混沌半导体系统中丰富的动力学行为和模式有望实现所有种类的光混沌逻辑操作，因此利用光混沌计算技术实现新的光学计算体系结构具有广阔前景。此外，由于激光混沌具有阈值电流低、非常丰富的动力学行为、不可预测性和控制手段灵活多变的特点，相比较于使用光学非线性效应实现的传统光学计算[13-16]，光混沌计算在安全性、灵活性、抗干扰能力和功率成本上具有较大优势。
迄今为止，许多研究工作主要集中在不同混沌半导体激光器的光混沌组合逻辑运算[17-21]，值得注意的是，混沌时序逻辑计算是光学混沌计算的重要组成部分。光学触发操作作为光学混沌时序逻辑计算中最重要、最基本的记忆存储操作，其在高速光开关、光逻辑门、光路由器、光存储器等具有保密性和安全性的特殊领域中起着关键作用，利用不同的半导体光器件，已有许多研究学者开展了关于光学触发操作的研究[22,23]。光触发器正朝着低功耗、高速率、高密度集成、高安全保密性、高抗干扰能力等方向发展，垂直腔面发射激光器(VCSEL)与其它半导体光学器件相比，具有阈值电流低、功耗小、光纤耦合损耗低、易于集成等优点，在过去的十年中，已有许多研究人员利用偏振转换和偏振双稳态特性，从实验和理论上证明了光触发操作可以在不同的VCSEL中实现[24,25]。然而，这些研究工作所提出的触发方案只能实现单一的触发操作，且不具备时钟同步功能，其保密性和抗干扰能力也都很低。在光注入或光反馈VCSEL所产生的光学混沌系统中具有丰富的非线性动力学行为、不可预测性和灵活的模式控制方式[26-29]。因此，基于VCSEL的激光混沌系统具有高速率、低功耗、安全性强、抗干扰能力出色等优点，在要求具有时钟同步功能以及多重光触发操作的应用背景下具有较大潜力。
参考文献：
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发明内容
迄今为止没有相关研究工作利用VCSEL实现时钟同步下的多重光混沌触发操作。基于这一现状，本发明提出了一种双路并行的时钟同步光混沌复位-置位触发以及翻转触发的理论机制和实现方案，并通过研究触发信号的高幅值持续时间与其触发功能的关系，进一步实现了在同一光路结构下对上述两种功能的重构。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种时钟同步光混沌多重触发器,其特征在于：包括：第一电放大器1、第一低通滤波器2、第一光电转换器3、第二电放大器4、第二低通滤波器5、第二光电转换器6、第三电放大器7、第三低通滤波器8、第三光电转换器9、第四电放大器10、第四低通滤波器11、第四光电转换器12、第一电子逻辑“与”门13、第二电子逻辑“与”门14、第一采样光栅分布布拉格反射激光器15、第二采样光栅分布布拉格反射激光器16、第一偏振控制光路17、第二偏振控制光路18、第一垂直腔表面发射激光器19、第二垂直腔表发发射激光器20和第三垂直腔表面发射激光器21；
所述的第一采样光栅分布布拉格反射激光器15与第一偏振控制光路17的一个输出端之间依次设置有第一光隔离器33、第一光分束器22、第一中性密度滤波器30、第二光分束器23；
第一光分束器22与第一偏振控制光路17的另一个输出端之间依次设置有第一光耦合器29、第二中性密度滤波器31、第三光分束器24、第四光分束器25；
所述的第二采样光栅分布布拉格反射激光器16与第二偏振控制光路18之间依次设置有第五光分束器26、第二光隔离器34、第六光分束器27、第三中性密度滤波器32、第七光分束器28；
所述的第一垂直腔表面发射激光器19与第三垂直腔表面发射激光器21之间依次设置有第三光隔离器35、第一光偏振分束器42、第一法拉第旋光器38、第一半波片39、第一光放大器40；
所述的第二垂直腔表面发射激光器20与第三垂直腔表面发射激光器21之间依次设置有第四光隔离器36、第二光偏振分束器43、第二光放大器41；
所述的第三垂直腔表面发射激光器21后还依次设置有第五光隔离器37、和第三光偏振分束器44；
所述第一偏振控制光路17和第二偏振控制光路18中都依次包括：第二光耦合器45、第四光偏振分束器47、第三光耦合器46、第八光分束器48、第二拉法第旋光器49、第二半波片51、第三法拉第旋光器50、第三半波片52。
与现有技术相比本发明的优点在于：本发明所提出的光混沌触发器对噪声强度有很强的鲁棒性，保密性强，响应速度快(可以达到1ns比特响应时间)。另外，本发明提出的光混沌触发器具有时钟同步以及多重光触发功能。可以通过控制复位脉冲比特持续时间，实现在不同时间段内光混沌RS触发器和光混沌T触发器的可重构。
附图说明
图1为基于保偏光注入VCSEL的一种时钟同步光混沌多重触发器光路图。
图2为第三垂直腔表面发射激光器21的非线性动力学状态演化地理图。
图3为第三垂直腔表面发射器21输出混沌偏振双稳态演化图。
图4为在置位信号和时钟信号以及复位信号和时钟信号的诱导下第三垂直腔表面发射器21的x偏振和y偏振分量输出。
图5为时钟同步光混沌复位-置位触发操作演示图。
图6为时钟同步光混沌翻转触发操作演示图。
图7为时钟同步光混沌多重触发操作演示图。
图8为时钟同步光混沌复位-置位触发操作的成功概率P与tp之间的关系。
图9为时钟同步光混沌翻转触发操作的成功概率P与tp之间的关系。
图10为在参数变量为tp和βsp的条件下，时钟同步光混沌复位-置位触发操作的成功概率演化图。
图11为在参数变量为tp和βsp的条件下，时钟同步光混沌翻转触发操作的成功概率演化图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下举实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种时钟同步光混沌多重触发器，依次包括：第一电放大器1、第一低通滤波器2、第一光电转换器3、第二电放大器4、第二低通滤波器5、第二光电转换器6、第三电放大器7、第三低通滤波器8、第三光电转换器9、第四电放大器10、第四低通滤波器11、第四光电转换器12、第一电子逻辑“与”门13、第二电子逻辑“与”门14、第一采样光栅分布布拉格反射激光器15、第二采样光栅分布布拉格反射激光器16、第一偏振控制光路17、第二偏振控制光路18、第一垂直腔表面发射激光器19、第二垂直腔表发发射激光器20、第三垂直腔表面发射激光器21；
所述的第一采样光栅分布布拉格反射激光器15与第一偏振控制光路17之间设置有第一光隔离器33、第一光分束器22、第一中性密度滤波器30、第二光分束器23、第一光耦合器29、第二中性密度滤波器31、第三光分束器24、第四光分束器25；
所述的第二采样光栅分布布拉格反射激光器16与第二偏振控制光路18之间设置有第五光分束器26、第二光隔离器34、第六光分束器27、第三中性密度滤波器32、第七光分束器28；
所述的第一垂直腔表面发射激光器19与第三垂直腔表面发射激光器21之间设置有第三光隔离器35、第一光偏振分束器42、第一法拉第旋光器38、第一半波片39、第一光放大器40；
所述的第二垂直腔表面发射激光器20与第三垂直腔表面发射激光器21之间设置有第四光隔离器36、第二光偏振分束器43、第二光放大器41；
所述的第三垂直腔表面发射激光器21后还设置有第五光隔离器37、和第三光偏振分束器44；
所述的偏振控制光路(17)和(18)中包括第二光耦合器45、第四光偏振分束器47、第三光耦合器46、第八光分束器48、第二拉法第旋光器49、第二半波片51、第三法拉第旋光器50、第三半波片52。
工作原理：
图1为基于保偏光注入垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的时钟同步光混沌多重触发操作的实现方案图。这里，第一采样光栅分布布拉格反射激光器15和第二采样光栅分布布拉格反射激光器16作为可调谐激光器在不同注入电流的影响下能够产生不同中心频率的光输出。五个光隔离器33-37用来保证激光的单向传输。从第一采样光栅分布布拉格反射激光器15输出的光被第一光分束器22等分为两束光，同样地，从第二采样光栅分布布拉格反射激光器16输出的光被第六光分束器27等分为两束光，Δω1是第一采样光栅分布布拉格反射激光器15和第一垂直腔表面发射激光器19之间的频率失谐，同样地，第二采样光栅分布布拉格反射激光器16和第二垂直腔表面发射激光器20之间的频率失谐被定义为Δω2。来自第一光分束器22的一束光通过第一中性密度滤波器30改变强度后变为复位或翻转脉冲，通过一定的编码规则，利用复位脉冲或翻转脉冲的幅值，对复位信号(IR)和翻转信号(IT)的数字逻辑值进行了编译。从第六光分束器27输出的一束光通过第三中性密度滤波器32改变强度后作为置位脉冲，同样地，利用置位脉冲的幅值，对置位信号(IS)进行了编译。来自第一光分束器22和第六光分束器27的另外两束光被第一光耦合器29耦合为一束光，来自第一光耦合器29的光通过第二中性密度滤波器31可以自由的改变光强，该光强的幅值被编译为时钟信号(IC)。文献[30]中介绍了第一偏振控制光路17和第二偏振控制光路18，该光路结构可以调整复位(翻转)脉冲，置位脉冲和时钟信号光的偏振方向，确保来自第二光分束器23和第四光分束器25的复位(翻转)脉冲信号和时钟信号能够沿着x偏振和y偏振方向平行注入到第一垂直腔表面发射激光器19中；同样，来自第五光分束器26和第七光分束器28的置位脉冲信号和时钟信号也能够沿着x偏振和y偏振方向平行注入到第二垂直腔表面发射激光器20中。来自第二光分束器23和第七光分束器28的一部分复位(翻转)脉冲和置位脉冲通过第二光电转换器6和第四光电转换器12被分别转换为电信号i2和i4，其中产生的噪声能够通过第二低通滤波器5和第四低通滤波器11分别除去，再经过第二电放大器4和第四电放大器10来实现其电流的放大；两路时钟信号通过同样的方式被转换为电信号i1和i3。i1和i2作为第一电子逻辑“与”门13的输入，第一电子逻辑“与”门13的输出作为第一采样光栅分布布拉格反射激光器15的注入电流μ1；同样地，i3和i4注入到第二电子逻辑“与”门14中，其输出作为第二采样光栅分布布拉格反射激光器16的注入电流μ2。使用第一电子逻辑“与”门13和第二电子逻辑“与”门14在电域中实现了i1、i2和μ2之间的逻辑“与”操作以及i3、i4和μ2之间的逻辑“与”操作。由此，复位(翻转)信号和时钟信号与Δω1之间的逻辑“与”关系得以间接实现，置位信号和时钟信号与Δω2之间的逻辑“与”关系也能够见间接实现。在此基础上，第一垂直腔表面发射激光器19的y偏振输出能够和复位(翻转)脉冲以及时钟信号构成逻辑“与”关系，第二垂直腔表面发射激光器20的y偏振输出同样地也能够和置位脉冲以及时钟信号构成逻辑“与”关系，文献[30]详细描述了这两个逻辑“与”的实现原理。此外，第一垂直腔表面发射激光器19的y偏振输出通过第一法拉第旋光器38和第一半波片39被转换为x偏振光，再通过第一光放大器40放大作用后注入到第三垂直腔表面发射激光器21中；第二垂直腔表面发射激光器20输出的y偏振光经过第二光放大器41放大作用后同样注入到第三垂直腔表面发射激光器21中，通过这种注入方式实现了第三垂直腔表面发射激光器21的保偏光注入，第三垂直腔表面发射激光器21的混沌x偏振和y偏振输出被编译为两个数字逻辑输出(O1和O2)。接下来，对时钟同步光混沌复位-置触发操作和时钟同步光混沌翻转触发操作的实现以及它们在不同注入信号的持续时间下的可重构功能进行详细阐述。
基于Miguel等人提出的垂直腔表面发射激光器的自旋翻转模型[31]，关于第一垂直腔表面发射激光器19和第二垂直腔表面发射激光器20外部光注入模型可用下述公式描述[32]:
Figure GDA0003690339660000081
Figure GDA0003690339660000082
Figure GDA0003690339660000083
Figure GDA0003690339660000091
受保偏光注入的第三垂直腔表面发射激光器21的速率方程为：
Figure GDA0003690339660000092
Figure GDA0003690339660000093
Figure GDA0003690339660000094
Figure GDA0003690339660000095
这里，第一垂直腔表面发射激光器19的参数与第二垂直腔表面发射激光器20的参数相同；下标1和2分别表示第一垂直腔表面发射激光器19和第二垂直腔表面发射激光器20，下标x和y分别表示x偏振分量和y偏振分量。归一化幅值为
Figure GDA0003690339660000096
其中g为微分材料增益，A为慢变振幅。N是总载流子浓度，n是自旋向上和自选向下的载流子浓度差；k0和k为场衰减率；a0和a是线宽增益因子；γ0p和γp表示线性双折射效应；γ0a和γa表示线性二向色性；γ0e和γe是非辐射载流子弛豫率；γ0s和γs是自旋弛豫率；归一化注入电流为
Figure GDA0003690339660000097
和μ＝(Γg/k)[U/(2eVγe)-N0],其中Γ是对活动区域的场限制因子,U0和U是注入电流,e是电子电荷,V是三个垂直腔表面发射激光器的活动层体积,N0为透明载流子浓度的一半；Kinjx是第一垂直腔表面发射激光器19和第二垂直腔表面发射激光器20的x偏振分量的注入强度系数，Kinjy是第一垂直腔表面发射激光器19和第二垂直腔表面发射激光器20的y偏振分量注入强度系数；Kx和Ky分别为第三垂直腔表面发射激光器21的x偏振和y偏振注入强度系数；Einj1和Einj2分别为来第一采样光栅分布布拉格反射激光器15和第二采样光栅分布布拉格反射激光器16的注入光强，这里
Figure GDA0003690339660000098
以及
Figure GDA0003690339660000101
其中Ainj1和Ainj2是慢变振幅。在公式(5)和(6)中，注入项Einjx和Einjy分别为来自第一垂直腔表面发射激光器19和第二垂直腔表面发射激光器20的y偏振分量输出强度；β0sp和βsp是自发辐射因子，同时也被视作噪声强度；ξx,ξ1x,ξ2x,ξy,ξ1y和ξ2y皆为均值为0方差为1的独立高斯白噪声这里
Figure GDA0003690339660000102
Δω1是第一采样光栅分布布拉格反射激光器15的中心频率和第一垂直腔表面发射激光器19的参考频率之间的频率失谐，Δω2是第二采样光栅分布布拉格反射激光器16的中心频率和第二垂直腔表面发射激光器20的参考频率之间的频率失谐；Δω1和Δω2等于ωinj-ωref，这里ωinj是第一采样光栅分布布拉格反射激光器15和第二采样光栅分布布拉格反射激光器16的中心频率；ωref＝(ωx+ωy)/2是第一垂直腔表面发射激光器19和第二垂直腔表面发射激光器20的参考频率，这里ωx＝-γ0p+a0γ0a以及
Figure GDA0003690339660000103
Δω是第一垂直腔表面发射激光器19和第三垂直腔表面发射激光器21之间的中心频率失谐，也是第二垂直腔表面发射激光器20和第三垂直腔表面发射激光器21之间的中心频率失谐。
表1.第一垂直腔表面发射激光器19和第二垂直腔表面发射激光器20的物理参数值[10]
Figure GDA0003690339660000104
表2.第三垂直腔表面发射激光器21的物理参数值[10]
Figure GDA0003690339660000105
Figure GDA0003690339660000111
在以下计算中，第一垂直腔表面发射激光器19的参数值与第二垂直腔表面发射激光器20的参数值相同，其值如表1所示，表2给出了第三垂直腔表面发射激光器21的参数值。假设Einj1等于两个方波的和，即Einj1＝Einj11+Einj12，这里Einj11和Einj12用来编译复位(翻转)信号IR(IT)和时钟信号IC的数字逻辑值；此外，Einj2＝Einj21+Einj12，这里Einj21用来编译置位信号IS的数字逻辑值。根据文献[30]，由于IR(IT)，IC和IS可以等于0或1，因此对于IR(IT)和IC或IS和IC来说皆可能存在下列四种输入组合：(0,0),(0,1),(1,0)和(1,1)。对于IR和IC可能存在的四种情况可以用一套三标准信号Einj1Ⅰ,Einj1Ⅱ和Einj1Ⅲ来表示,Is和IC的组合情况也可用一套三标准信号Einj2Ⅰ,Einj2Ⅱ和Einj2Ⅲ来表示；这里,Einj1Ⅰ和Einj2Ⅰ代表(0,0)，Einj1Ⅱ和Einj2Ⅱ表示(0,1)和(1,0)，Einj1Ⅲ和Einj2Ⅲ代表(1,1)，其中规定注入信号的高幅值的持续时间为tp。为了实现第一垂直腔表面发射激光器19和第二垂直腔表面发射激光器20中存在的两个完全相同的逻辑“与”操作，规定Einj1Ⅰ＝Einj2Ⅰ，Einj1Ⅱ＝Einj2Ⅱ和Einj1Ⅲ＝Einj2Ⅲ。Einj1Ⅰ,Einj1Ⅱ和Einj1Ⅲ的具体数值见表1。当Einj11，Einj12和Einj21等于0.72时,IR(IT),IS和IC视为逻辑0；当Einj11，Einj12和Einj21等于0.81时，它们被视为逻辑1。在如表1所示的参数值下，由于第一垂直腔表面发射激光器19和第二垂直腔表面发射激光器20的输出呈现注入锁定状态，因此当Einj11，Einj12和Einj21等于0.72时，得到Einjx＝Einjy＝0.3。为了研究当Einjx和Einjy等于0.3时第三垂直腔表面发射激光器21的输出是否处于混沌状态，计算了参数变量为Einjx(Einjy)和Δω时光注入第三垂直腔表面发射激光器21的非线性动力学行为演化地理图，其结果如图2所示。从该图中可以看出，在频率失谐为0的情况下：如果Einjx和Einjy的值在0到0.308时，第三垂直腔表面发射激光器21的x偏振输出呈现混沌特性；对于y偏振分量，其输出处于混沌状态的Einjx和Einjy在0到0.32范围内；上述数值可以表明第三垂直腔表面发射激光器21的两个偏振分量的输出在Einjx和Einjy等于0.3时呈现出混沌特性。此外，在图3中可以看出当Einjx和Einjy的值等于0.3时，该混沌系统的输出呈现出双稳态特性，这意味着有可能通过某些控制手段诱导该混沌双稳态系统实现复位-置位触发或翻转触发功能。
接下来对于逻辑输出编译规则进行详细阐述，其中当第三垂直腔表面发射激光器21的x偏振和y偏振的输出处于混沌震荡状态时，逻辑输出O1和O2的值被编码为1；当输出为稳定状态时，逻辑输出被编码为0。为了进一步详细描述逻辑输出编码规则，使用阈值机制来确定两个逻辑输出值，当第三垂直腔表面发射激光器21的两个偏振输出状态随Einjx和Einjy强度的变化而改变时，其阈值判断规则详细描述如下：
假设两个逻辑输出O1和O2的位持续时间为T，总采样时间为t，且该采样时间内总共包含有L个T，即t＝LT；每一个T内包含的采样点个数为M个，且M＝T/h，其中h为采样时间间隔；在第i个T中x偏振和y偏振输出的均方差分别被定义Sx(i)和Sy(i)。为了避免复位信号和时钟信号以及置位信号和时钟信号触发引起的激光瞬态输出对两个逻辑输出的影响，它们的均方偏差是用第i个T后半部分的40％的采样个数来计算的，因此，这两个均方差分别表示为：
Figure GDA0003690339660000121
和
Figure GDA0003690339660000122
这里Exi(j)和Eyi(j)分别为第i个采样周期内的第j个采样点的x偏振和y偏振输出强度，
Figure GDA0003690339660000123
符号
Figure GDA0003690339660000124
为向上取整符号，
Figure GDA0003690339660000127
和
Figure GDA0003690339660000128
分别为第i个周期内x偏振和y偏振的均值，其被定义为：
Figure GDA0003690339660000125
Figure GDA0003690339660000126
为了找到适合判断两个逻辑输出的阈值，需要计算两个偏振输出在置位信号和时钟信号以及复位信号和时钟信号触发作用后两个偏振输出的均方差。如果(IR,IS,IC)＝(0,1,1)出现在第i个T中，并且第i个T之后的注入信号(IR,IS,IC)＝(0,0,0)时，第三垂直腔表面发射激光器21的x偏振输出和y偏振输出会被诱导至混沌振荡状态，此时两个混沌偏振输出的均方差为：
Figure GDA0003690339660000131
Figure GDA0003690339660000132
这里
Figure GDA0003690339660000133
当(IR,IS,IC)＝(1,0,1)出现在第i个T，并且之后时间内的(IR,IS,IC)＝(0,0,0)，则此时两个偏振输出表现为稳定状态，其均方差分别为：
Figure GDA0003690339660000134
和
Figure GDA0003690339660000135
这里
Figure GDA0003690339660000136
根据公式(13)-(18),得到x偏振分量和y偏振分量的阈值分别为：
Figure GDA0003690339660000137
在仿真中,t＝250ns,L＝250,T＝1ns,M＝1000,h＝1ps。如图4所示，当(IR,IS,IC)＝(0,1,1)出现在第10个T中且之后的(IR,IS,IC)＝(0,0,0)时，x偏振和y偏振输出呈现混沌状态。从公式(13)-(15)，得到Sxc和Syc分别等于0.4350和0.2350；对于另外一种情况，若(IR,IS,IC)＝(1,0,1)出现在第10个T中且之后的(IR,IS,IC)＝(0,0,0)，则此时x偏振和y偏振输出为稳定状态。根据公式(16)-(18)，Sxs和Sys分别等于0.0018和0.0026。根据公式(19),则阈值Sxth和Syth分别等于0.2184和0.1188。假设在(IR,IS,IC)＝(0,1,1)的触发作用下，混沌震荡输出的续时间为n0倍的T；在(IR,IS,IC)＝(1,0,1)的诱导下，稳定输出的持续时间为n1倍的T，得到混沌振荡输出的Sx(i)和Sy(i)的最小值以及该均方差在输出为稳定状态时的最大值如下所示：
Figure GDA0003690339660000141
和
Figure GDA0003690339660000142
这里下标cx和cy分别代表x偏振和y偏振的混沌状态输出，下标sx和sy表示x偏振和y偏的振稳定状态输出。根据公式(19)-(21)，得到了如下阈值判断机制：若ScxMIN>0.2184或ScyMIN>0.118，那么视逻辑输出O1或O2的值为1；如果SsxMAX<0.218或SsyMAX<0.118，则此时O1或O2的值为逻辑0。
根据上述输入输出编译规则及阈值机制，如图5所示，实现了位持续时间为1ns的双路并行时钟同步光混沌复位-置位触发操作。其真值表在表3给出，这里O1 n和O2 n分别表示x偏振和y偏振输出的初态，O1 n+1和O2 n+1内别表示它们的次态；此时，复位或置位信号的高幅值持续时间(tp)为525ps。从图5可以看出，若IC＝0，两个偏振输出的状态不受复位或置位信号的影响；在出现第一个置位和时钟信号之前(即图中14ns之前的时间内)，x偏振和y偏振输出呈现混沌震荡状态，此时no＝14，根据公式(9)-(12)和(20)-(21)，得到ScxMIN＝0.413和ScyMIN＝0.2125，可以看出他们都超过了阈值Sxth和Syth，因此此时O1 n和O2 n等于1。由于出现在第14个T(即图中第14ns)中的复位和时钟信号的触发作用，x偏振和y偏振输出被诱导至稳定状态，直到下一个置位信号和时钟信号到来之前这一状态共持续了5个T，也就是说n1＝5，因此得到了SsxMAX＝0.0473和SsyMAX＝0.0267。可以看出这两者都小于阈值Sxth和Syth，因此当(IR,IS,IC)＝(1,0,1)时得到了O1 n+1＝0和O2 n+1＝0，这里，当下一个置位信号和时钟信号到来后，此时这一次态O1 n+1＝0和O2 n+1＝0可被视为两个偏振输出的初态O1 n和O2 n。当被第19个T时刻中的第一个置位信号和时钟信号的诱导作用下，x偏振和y偏振输出被置为混沌震荡状态，这一状态在第二个置位信号和时钟信号到来之前持续了1个T，同样地，此时n1＝1T，ScxMIN等于0.4404大于Sxth，ScyMIN等于0.2189也大于Syth，因此当(IR,IS,IC)＝(0,1,1)出现在第19个T时，得到了O1 n＝0和O2 n＝0，O1 n+1＝1和O2 n+1＝1。同理，当(IR,IS,IC)＝(0,1,1)出现在第20个T时，可以得到O1 n＝1和O2 n＝1,O1 n+1＝1和O2 n+1＝1；当(IR,IS,IC)＝(1,0,1)出现在第22个T时，可以得到O1 n＝1和O2 n＝1,O1 n+1＝0和O2 n+1＝0；当(IR,IS,IC)＝(1,0,1)出现在第23个T时，可以得到O1 n＝0和O2 n＝0,O1 n+1＝0和O2 n+1＝0；在第24个T或25个T中(IR,IS,IC)＝(1,1,1)，此时输出为禁态：O1 n+1＝1*和O2 n+1＝1*。综上可以看出，在IRIS＝0时，该激光混沌系统输出的特征方程可以写为：
Figure GDA0003690339660000153
即成功实现了双路并行的时钟同步光混沌复位-置位触发操作。
表3.同步光混沌复位-置位触发操作真值表
Figure GDA0003690339660000151
如图6所示，可以发现一个有趣的现象，在时钟信号IC＝1且置位信号IS＝0的前提下，当复位信号IR的高幅值位持续时间缩减至130ps时，两个偏振输出状态可以被IR在混沌状态和稳定状态之间来回诱导切换，这意味着复位信号IR具有反复诱导这两个偏振输出的动力学行为状态来回切换的功能，即可充当翻转信号(IT)。此时，根据上述阈值判断机制，从图6中进一步得到了当IT＝1出现在42ns时，O1 n＝1和O2 n＝1,O1 n+1＝0和O2 n+1＝0；当IT＝1出现在第43ns时，O1 n＝0和O2 n＝0,O1 n+1＝1和O2 n+1＝1，当翻转信号出现在其他时间时仍会发生相同的现象。双路并行的时钟同步光混沌翻转触发功能真值表见表4，从该表中可以得到如下特征方程
Figure GDA0003690339660000152
说明本方案只需改变复位(翻转)信号的高幅值持续时间就可以实现双路并行的时钟同步光混沌翻转触发操作。
表4.时钟同步光混沌翻转触发操作真值表
Figure GDA0003690339660000161
此外，当tp在480ps到592ps之间时，该方案可以实现两个具有时钟同步功能的并行光混沌复位-置位触发操作；当tp在116ps到140ps时间段，或者在142ps到155ps之间以及159ps到170ps之间变化时，该方案可以实现具有时钟同步功能的双路并行光混沌翻转触发操作。如图7所示，在tp＝525ps和IC＝1时，两个并行光混沌复位-置位触发分别出现在19ns到25ns和39ns到45ns的时间段内。如果tp降低至130ps且IC＝1，则在27ns到31ns和47ns到51ns的时间段内两个并行的光混沌翻转触发操作被实现。因此，利用tp在不同时间段内的变化，实现了双路并行的时钟同步光混沌多重触发操作。
值得注意的是，光混沌复位-置位触发和翻转触发的成功率取决于复位(翻转)或置位信号的高幅值持续时间、自发辐射噪声强度等因素，这些参数对触发稳定性具有较强影响。因此，下面使用触发成功率P来描述两个混沌触发输出的可靠性，其被定义为成功触发的输出时间除以整个输出时间。根据上述定义，首先在不考虑噪声影响的情况下(即βsp＝0)，计算了注入信号的高幅值持续时间tp对于时钟同步光混沌复位-置位触发成功率的影响，如图8所示，在注入信号的高幅值持续时间tp为480ps到592ps的范围内，两个逻辑输出的成功概率为1，这表明这一条件下该方案可以稳定的实现两个并行的光混沌复位-置位触发操作。但若tp在480ps到592ps范围之外，则P会迅速降低，此时复位和位置信号无法诱导两个偏振输出实现触发功能。图9进一步展示了在βsp＝0的条件下，时钟同步光混沌翻转触发的成功率P。可以看出，当tp处于116ps到140ps、142ps到155ps或159ps到170ps时间内，该混沌逻辑输出的成功率为1。与复位-置位触发操作相比，利用较短的高幅值触发信号持续时间可以成功地实现两个并行光混沌翻转触发操作，但这一操作的成功概率区间存在于一个较小的tp范围内。综上结果表明，通过对注入信号持续时间的变化，这一方案成功地实现了可重构的两种并行光混沌触发操作。
为了进一步研究噪声βsp和信号持续时间tp对触发成功率的影响，计算了双路并行的时钟同步光混沌复位-置位触发操作在参数变量为tp和βsp的共同影响下的成功率。如图10所示，可以看出当tp处于500ps到580ps且βsp不超过106时，两个偏振的触发成功率都为1。当βsp增大到106到109时，成功率减小至0.9，这一结果表明，即便在较高的噪声强度下，该方案提供的时钟同步光混沌复位-置位触发操作也能够较好地实现。图11给出了时钟同步光混沌翻转触发操作在参数变量为tp和βsp共同影响下的成功率，从图11中可以看出当βsp从102增大到107量级时，仍存在一些较窄范围的tp能够实现成功概率为1的触发操作。例如当βsp＝102时，若tp的范围在116ps到155ps或155ps到170ps范围内，其触发成功率为1；若βsp增大到107，成功概率为1的tp范围在142ps到155ps。上述实验表明，通过对注入翻转信号的高幅值持续时间的不断优化选择，双路并行的光混沌翻转触发操作的抗噪声能力能够不断提升。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种时钟同步光混沌多重触发器,其特征在于：包括：第一电放大器(1)、第一低通滤波器(2)、第一光电转换器(3)、第二电放大器(4)、第二低通滤波器(5)、第二光电转换器(6)、第三电放大器(7)、第三低通滤波器(8)、第三光电转换器(9)、第四电放大器(10)、第四低通滤波器(11)、第四光电转换器(12)、第一电子逻辑“与”门(13)、第二电子逻辑“与”门(14)、第一采样光栅分布布拉格反射激光器(15)、第二采样光栅分布布拉格反射激光器(16)、第一偏振控制光路(17)、第二偏振控制光路(18)、第一垂直腔表面发射激光器(19)、第二垂直腔表面 发射激光器(20)和第三垂直腔表面发射激光器(21)；
所述的第一采样光栅分布布拉格反射激光器(15)与第一偏振控制光路(17)的一个输出端之间依次设置有第一光隔离器(33)、第一光分束器(22)、第一中性密度滤波器(30)、第二光分束器(23)；
第一光分束器(22)与第一偏振控制光路(17)的另一个输出端之间依次设置有第一光耦合器(29)、第二中性密度滤波器(31)、第三光分束器(24)、第四光分束器(25)；
第四光分束器(25)依次连接第一光电转换器(3)、第一低通滤波器(2)、第一电放大器(1)、第一电子逻辑“与”门(13)、第一采样光栅分布布拉格反射激光器(15)；
第二光分束器(23)依次连接第二光电转换器(6)、第二低通滤波器(5)、第二电放大器(4)、第一电子逻辑“与”门(13)、第一采样光栅分布布拉格反射激光器(15)；
所述的第二采样光栅分布布拉格反射激光器(16)与第二偏振控制光路(18)之间的连接路线依次设置有第二光隔离器(34)、第六光分束器(27)、第三中性密度滤波器(32)、第七光分束器(28)；
第七光分束器(28)依次连接第四光电转换器(12)、第四低通滤波器(11)、第四电放大器(10)、第二电子逻辑“与”门(14)、第二采样光栅分布布拉格反射激光器(16)；
所述的第二采样光栅分布布拉格反射激光器(16)与第二偏振控制光路(18)之间还包括一种连接路线依次为：第二采样光栅分布布拉格反射激光器(16)、第二光隔离器(34)、第六光分束器(27)、第一光耦合器(29)、第二中性密度滤波器(31)、第三光分束器(24)、第五光分束器(26)、第二偏振控制光路(18)；
第五光分束器(26)依次连接第三光电转换器(9)、第三电放大器(7)、第三低通滤波器(8)、第二电子逻辑“与”门(14)、第二采样光栅分布布拉格反射激光器(16)；
所述的第一垂直腔表面发射激光器(19)与第三垂直腔表面发射激光器(21)之间依次设置有第三光隔离器(35)、第一光偏振分束器(42)、第一法拉第旋光器(38)、第一半波片(39)、第一光放大器(40)；
所述的第二垂直腔表面发射激光器(20)与第三垂直腔表面发射激光器(21)之间依次设置有第四光隔离器(36)、第二光偏振分束器(43)、第二光放大器(41)；
所述的第三垂直腔表面发射激光器(21)后还依次设置有第五光隔离器(37)、和第三光偏振分束器(44)；
所述第一偏振控制光路(17)和第二偏振控制光路(18)中都包括：第二光耦合器(45)、第四光偏振分束器(47)、第三光耦合器(46)、第八光分束器(48)、第二拉法第旋光器(49)、第二半波片(51)、第三法拉第旋光器(50)、第三半波片(52)；
所述第二光耦合器(45)、第四光偏振分束器(47)、第三光耦合器(46)、第八光分束器(48)依次连接；
第四光偏振分束器(47)与第三光耦合器(46)之间依次连接第二拉法第旋光器(49)、第二半波片(51)；
第八光分束器(48)依次连接第三法拉第旋光器(50)和第三半波片(52)。
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