CN112332208B - 低时延特征混沌激光信号的发生装置及方法 - Google Patents

低时延特征混沌激光信号的发生装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明所设计的一种低时延特征混沌激光信号的发生装置，包括光反馈半导体激光器、光纤耦合器、光衰减器、光反射元件弱光栅阵列，光反馈半导体激光器的输出端与所述光纤耦合器的第一通信端连接，所述光纤耦合器的第二通信端通过光衰减器连接至光反射元件弱光栅阵列，所述光纤耦合器的第三通信端为混沌信号的输出终端；本发明结构简单，易操作，能产生时延特征小到可以忽略不计的混沌信号，而且在外界环境(比如温度)发生改变的时候，该系统会更加稳定。

Description

低时延特征混沌激光信号的发生装置及方法
技术领域
本发明涉及混沌激光技术领域，具体地指一种低时延特征混沌激光信号的发生装置及方法。
背景技术
自混沌理论诞生后，便一直广泛运用于各个学科领域，并发挥着重要作用。混沌信号由于具有对初始值非常敏感，宽带宽，长期不可预测等特点，被广泛应用于混沌保密通信、高精度测距雷达、光时域反射计、光纤传感、随机比特产生、混沌测距等领域。半导体激光器在受到光反馈、光注入和光电反馈等外部干扰时，可以表现出一系列丰富的非线性动态特性，产生混沌激光，其中光反馈是最简单的方法之一，因为它只涉及一个激光器。但是，输出光在外腔的往返会导致混沌激光系统的输出包含明显的时延特征，严重影响混沌激光的应用。例如，时延特征会降低混沌通信中的安全性，降低随机比特生成的质量，降低混沌测距中的精度。
为了解决上述问题，学者们提出了一系列的方法降低时延特征。这些方法主要分为三种。第一种方法是在光电检测之后进行后处理。这种方法包括同时使用两个不同的混沌光，产生不相关的随机序列之后，通过逻辑异或运算或保留低有效位的纯逻辑运算方法(Nature Photonics,2008,2(12):728-732，Physical review letters,2009,103(2):024102)。这种方法有逻辑器件要求高、成本昂贵、电子速率瓶颈等缺点。第二种方法是在光源之后、光电检测之前进行光信号处理。
这种方法包括在半导体激光器外腔进行延迟光外差，但是这种方法对时延信息的抑制不够彻底(Optics Express,2013,21(7)：8701-8710)。第三种方法是改变激光器的腔结构通过光源的角度解决问题。这种方法包括使用两个激光器进行相互耦合反馈，或是使用三个级联耦合的半导体激光器(Optics express,2013,21(15):17894-17903，IEEEPhotonics Technology Letters,2012,24(23):2187-2190)，他们的混沌光源结构极其复杂，操作难度比较大。此外，还采用了FBG、单模光纤等反馈元件来降低时延信息。但是，当使用FBG和单模光纤作为反馈元件时，虽然装置结构比较简单，但是时延信息的抑制效果不是很好，而且所需的单模光纤长度也很长(IEEE Journal of Selected Topics in QuantumElectronics,2015,21(6):541-552，Optics express,2018,26(6):6962-6972)。
发明内容
本发明的目的是解决背景技术中消除时延特征方案中其装置结构复杂，成本高；在结构简单的方案中，又不能同时实现很好消除时延特征的技术问题。本发明利用反射元件弱光栅阵列的分布式反馈来产生低时延特征的混沌信号，弱光栅能够提供具有波长选择性的分布式光反馈，阵列结构进一步提高了光反馈的分布式特性，使反射光经过不同的群延时被反馈回半导体激光器腔内，从而展宽混沌信号的时延特征峰，对混沌信号的时延特征进行抑制，使回光比和失谐频率在一定范围内波动时，混沌激光信号的时延特征几乎可以忽略不计。而且本发明实验装置简单，易于操作，在外界环境发生变化的时候(温度等)，时延特征一直都维持在很低的状态，即该系统更加稳定。
为实现此目的，本发明所设计的低时延特征混沌激光信号的发生装置，包括光反馈半导体激光器、光纤耦合器、光衰减器、光反射元件弱光栅阵列，所述光反馈半导体激光器的输出端与所述光纤耦合器的第一通信端连接，所述光纤耦合器的第二通信端通过光衰减器连接至光反射元件弱光栅阵列，所述光纤耦合器的第三通信端为混沌信号的输出终端；
所述光反馈半导体激光器用于向光纤耦合器发出中心波长不变的窄带光，光纤耦合器的第二通信端输出的窄带光经过光衰减器到达反射元件弱光栅阵列，反射元件弱光栅阵列用于对窄带光进行光栅反射，反射的窄带光依次经过光衰减器和光纤耦合器返回光反馈半导体激光器中，产生混沌激光信号；通过调节光反馈半导体激光器的温度控制器来改变光反馈半导体激光器输出窄带光的中心波长，使光反馈半导体激光器输出窄带光的中心波长与光反射元件弱光栅阵列的中心波长达到预设差值，保证输出的混沌信号达到最小时间延迟签名结果，并通过调节光衰减器衰减的光的光强大小来控制反射回光反馈半导体激光器的窄带光的光强，从而使光纤耦合器的第三通信端输出时延特征被消除的混沌激光信号。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)、本发明提出的低时延特征混沌信号的发生装置结构特别简单，容易操作。只需要合适的反射元件弱光栅阵列作为光反射器件，配合单个半导体激光器即可产生低时延特征的混沌信号。
(2)、能产生几乎无时延特征的混沌信号；本发明利用反射元件弱光栅阵列的分布式反馈，使得反馈光经过不同的群延时之后反馈回激光器内部，从而模糊了外腔的长度信息。
(3)、该系统时延特征抑制情况很稳定，在反馈光强度和失谐频率在一定范围内改变的时候，该系统的时延特征一直维持在很低水平，几乎可以忽略不计。弱光栅阵列中的分布式反馈使时延特征对反馈光强度的改变不敏感。同时弱光栅阵列在制备的过程中光栅中心波长会在极小范围内发生波动，这使得时延信息对失谐频率在一定范围内的改变不敏感。
附图说明
图1是本发明的低时延特征混沌信号的发生装置的结构示意图；
图2是单光栅反馈产生的混沌信号和本发明中弱光栅阵列反馈产生的混沌信号的时域和频谱图；
图3是单光栅反馈产生的混沌信号和本发明中弱光栅阵列反馈产生的混沌信号的自相关图。
图4是单光栅反馈产生的混沌信号和本发明中弱光栅阵列反馈产生的混沌信号的时延特征(TDS)随失谐频率改变的变化图。
图5是单光栅反馈产生的混沌信号和本发明中弱光栅阵列反馈产生的混沌信号的时延特征(TDS)随反馈光强度改变的变化图。
图中，1—光反馈半导体激光器、2—光纤耦合器、3—光衰减器、4—光反射元件弱光栅阵列。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明所涉及的一种低时延特征混沌激光信号的发生装置，如图1所示，包括光反馈半导体激光器1、光纤耦合器2、光衰减器3、光反射元件弱光栅阵列4，所述光反馈半导体激光器1的输出端与所述光纤耦合器2的第一通信端连接，所述光纤耦合器2的第二通信端通过光衰减器3连接至光反射元件弱光栅阵列4，所述光纤耦合器2的第三通信端为混沌信号的输出终端；
所述光反馈半导体激光器1用于向光纤耦合器2发出中心波长不变的窄带光，光纤耦合器2的第二通信端输出的窄带光经过光衰减器3到达反射元件弱光栅阵列4，反射元件弱光栅阵列4用于对窄带光进行光栅反射(反射窄带光输送到反射元件弱光栅阵列中，在经过第一个光栅的时候，有很微弱的光被第一个光栅反射回去，剩下的光继续传播，通过第二个光栅的时候，又有很微弱的光被反射回去，以此类推)，反射的窄带光依次经过光衰减器3和光纤耦合器2返回光反馈半导体激光器1中，产生混沌激光信号；通过调节光反馈半导体激光器1的温度控制器来改变光反馈半导体激光器1输出窄带光的中心波长，使光反馈半导体激光器1输出窄带光的中心波长与光反射元件弱光栅阵列4的中心波长达到预设差值，保证输出的混沌信号达到最小时间延迟签名(TDS，time delay signature)结果，并通过调节光衰减器3衰减的光的光强大小来控制反射回光反馈半导体激光器1的窄带光的光强，从而使光纤耦合器2的第三通信端输出时延特征被消除的混沌激光信号(由于光栅阵列的分布式反馈模糊了反馈外腔的路径信息，输出的混沌信号时延特征很低，几乎已经被消除，可以看做是在光栅阵列反馈的结构中消除的)。
上述技术方案中，所述光反馈半导体激光器1在控制器设置为56摄氏度的时候发出窄带光的中心波长为1550.55nm，波长范围为1550.45～1550.65nm。调节激光器发出的窄带光中心波长在光栅阵列中心波长附近，可以使反射光光强度足够使激光器内部产生混沌，如果窄带光的中心波长偏离光栅阵列中心波长太多的时候，反射光光强不足以使激光器内部产生混沌。
上述技术方案中，所述反射的窄带光依次经过光衰减器3和光纤耦合器2返回光反馈半导体激光器1中，反射的窄带光对光反馈半导体激光器1内部增益介质进行激励，使光反馈半导体激光器1内部增益介质发生振荡并进入不稳定状态，最终产生混沌激光信号。
上述技术方案中，通过调节光衰减器3衰减的光的大小来控制反射回光反馈半导体激光器1的窄带光的光强，使反馈回光反馈半导体激光器1的光强与光反馈半导体激光器1输出的光强比在0.04～0.1范围内变化。通过调节回光比可以找到混沌信号TDS最佳抑制点。对于光栅阵列反馈来讲，由于TDS的值随回光比的变化不大，即可以证明该系统更加稳定。
上述技术方案中，所述光反射元件弱光栅阵列4由5000个相同反射率的光栅组成，所述光栅的反射率范围为-40db～-41db,在室温下所述光栅的中心波长范围为1550.45～1550.65nm。窄带光经过光衰减器输送到光反射元件中，通过光衰减器调节进入光反射元件的光强和反射回来的光的光强，即调节光衰减器增大对输入窄带光的衰减，进入光反射元件中的光强变小，反射回的窄带光再一次经过光衰减器，光强进一步被衰减，即衰减两次。窄带光输送到反射元件弱光栅阵列中，在经过第一个光栅的时候，有很微弱的光被第一个光栅反射回去，剩下的光继续传播，通过第二个光栅的时候，又有很微弱的光被反射回去，以此类推，5000个栅分别反馈回的光一起构成了反馈光，引起了激光器内部振荡，从而产生混沌，由于5000个栅所携带的位置信息不同，所以模糊了反馈光路中的位置信息，从而降低了TDS。
上述技术方案中，所述光反射元件弱光栅阵列4中光栅的长度为1cm，相邻两个光栅之间的间隔为1cm。
上述技术方案中，所述光纤耦合器2为1×2光纤耦合器，光纤耦合器2的第二通信端与第三通信端之间的分光比为95：5。在这个分光比下反馈回激光器的光强较强，方便随后调节光衰减器寻找最佳反馈光强度点来降低混沌信号的时延特征。
上述技术方案中，通过调节光反馈半导体激光器1的温度控制器使光反射元件弱光栅阵列4的中心波长与光反馈半导体激光器1输出窄带光中心波长差值的变化，即失谐频率以12.5GHz/℃的速率改变。通过改变失谐频率的值我们仍然可以找到输出的混沌信号TDS抑制的最佳点，对于光栅阵列反馈来说，在失谐频率变化的时候，TDS的抑制情况一直都很稳定。
上述技术方案中，所述光反射元件弱光栅阵列4提供具有波长选择性的分布式光反馈，使反射光经过不同的群延时被反馈回光反馈半导体激光器1腔内。经过不同的群延时反馈回激光器内，会模糊外腔的长度信息，从而降低输出混沌信号的TDS。
一种低时延特征混沌激光信号的发生方法，它包括如下步骤：
步骤1：光反馈半导体激光器1用于向光纤耦合器2发出中心波长不变的窄带光；
步骤2：光纤耦合器2的第二通信端输出的窄带光经过光衰减器3到达反射元件弱光栅阵列4，反射元件弱光栅阵列4对窄带光进行光栅反射，反射的窄带光依次经过光衰减器3和光纤耦合器2返回光反馈半导体激光器1中，产生混沌激光信号；
步骤3：通过调节光反馈半导体激光器1的温度控制器来改变光反馈半导体激光器1输出窄带光的中心波长，使光反馈半导体激光器1输出窄带光的中心波长与光反射元件弱光栅阵列4的中心波长达到预设差值，保证输出的混沌信号达到最小时间延迟签名结果；
步骤4：通过调节光衰减器3衰减的光的光强大小来控制反射回光反馈半导体激光器1的窄带光的光强，从而使光纤耦合器2的第三通信端输出时延特征被消除的混沌激光信号。
图2是单光栅反馈产生的混沌信号和本发明中弱光栅阵列反馈产生的混沌信号的时域和频谱图。如图2所示，第一排(a)、(b)两幅图为单光栅反馈产生的混沌信号，第二排(c)、(d)两幅图为本发明中弱光栅阵列反馈产生的混沌信号时域波形及频谱图；从图上可以看到，图2(a)、(c)时域波形证明了两个混沌信号的随机性，弱光栅阵列反馈时的时域图振荡更为明显，混沌信号的随机性更高；图2(b)、(d)频谱图中弛豫振荡频率约为7GHz，弱光栅阵列反馈在弛豫振荡频率附近的频谱更加平坦。
图3是单光栅反馈产生的混沌信号和本发明中弱光栅阵列反馈产生的混沌信号的自相关图。如图3(a)、(b)分别是单光栅反馈、本发明中弱光栅阵列反馈输出信号的自相关曲线，我们采用自相关函数(ACF)来展示时延特征消除的结果。对于单光栅反馈产生的混沌信号，自相关曲线在反馈时延95ns处会出现明显的相关峰，而通过本发明提出的方案，外腔反馈的时延特征被有效的消除，在图3(b)自相关曲线反馈时延66.7ns至734ns范围内看不到明显的相关峰。所以本发明能够产生低时延特征混沌信号。
图4是单光栅反馈产生的混沌信号和本发明中弱光栅阵列反馈产生的混沌信号的时延特征(TDS)随失谐频率改变的变化图。选用的弱光栅阵列1有5000个光栅，光栅长度1cm,光栅间距1cm；弱光栅阵列2有10000个光栅，光栅长度为2mm,光栅间距为5mm。通过调节激光器的温度控制模块，可以改变激光器的发射频率，通过保持光栅阵列中心波长不变从而改变失谐频率。为了排除反馈光强度对时延特征的影响，我们通过调节光衰减器3使反馈光强度保持不变。我们测得温度控制器每调高1℃，激光器和弱光栅阵列的失谐频率变化12.5GHz。图4展示了光栅和弱光栅阵列分别在最优反馈比条件下时延特征的变化曲线。光栅变化曲线表明，在光纤光栅和激光器运行频率正失谐时候时延特征有最小值0.061，而且时延特征变化的幅度很大。在本发明提出的方案中，最小值可以达到0.002588，为光栅反馈最小值的1/25，几乎可以忽略不计。此外，在失谐频率在±30GHz变化范围内，时延特征一直维持在0.01以下，这主要是由于弱光纤光栅阵列在制备过程中光栅中心波长的波动造成的。
图5是单光栅反馈产生的混沌信号和本发明中弱光栅阵列反馈产生的混沌信号的时延特征(TDS)随光反馈强度改变的变化图。将光栅反馈和弱光栅阵列反馈的失谐频率调整到时延信息最低值并保持不变，改变反馈光强度得到的时延信息变化曲线如图5所示。弱光栅阵列反馈下的时延信息维持在很低水平，一直保持在0.008以下。
该发明中弱光纤光栅阵列反馈时时延信息对反馈光强度和失谐频率的变化不敏感,因为分布在一定长度反馈路径上的大量的反射点模糊了外腔的长度信息，这在一定程度上也增强了该发明的系统的稳定性。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种低时延特征混沌激光信号的发生装置，其特征在于：包括光反馈半导体激光器(1)、光纤耦合器(2)、光衰减器(3)、光反射元件弱光栅阵列(4)，所述光反馈半导体激光器(1)的输出端与所述光纤耦合器(2)的第一通信端连接，所述光纤耦合器(2)的第二通信端通过光衰减器(3)连接至光反射元件弱光栅阵列(4)，所述光纤耦合器(2)的第三通信端为混沌信号的输出终端；
所述光反馈半导体激光器(1)用于向光纤耦合器(2)发出中心波长不变的窄带光，光纤耦合器(2)的第二通信端输出的窄带光经过光衰减器(3)到达反射元件弱光栅阵列(4)，反射元件弱光栅阵列(4)用于对窄带光进行光栅反射，反射的窄带光依次经过光衰减器(3)和光纤耦合器(2)返回光反馈半导体激光器(1)中，产生混沌激光信号；通过调节光反馈半导体激光器(1)的温度控制器来改变光反馈半导体激光器(1)输出窄带光的中心波长，使光反馈半导体激光器(1)输出窄带光的中心波长与光反射元件弱光栅阵列(4)的中心波长达到预设差值，保证输出的混沌信号达到最小时间延迟签名结果，并通过调节光衰减器(3)衰减的光的光强大小来控制反射回光反馈半导体激光器(1)的窄带光的光强，从而使光纤耦合器(2)的第三通信端输出时延特征被消除的混沌激光信号。
2.根据权利要求1所述的低时延特征混沌激光信号的发生装置，其特征在于：所述反射的窄带光依次经过光衰减器(3)和光纤耦合器(2)返回光反馈半导体激光器(1)中，反射的窄带光对光反馈半导体激光器(1)内部增益介质进行激励，使光反馈半导体激光器(1)内部增益介质发生振荡并进入不稳定状态，最终产生混沌激光信号。
3.根据权利要求1所述的低时延特征混沌激光信号的发生装置，其特征在于：通过调节光衰减器(3)衰减的光的大小来控制反射回光反馈半导体激光器(1)的窄带光的光强，使反馈回光反馈半导体激光器(1)的光强与光反馈半导体激光器(1)输出的光强比在0.04～0.1范围内变化。
4.根据权利要求1所述的低时延特征混沌激光信号的发生装置，其特征在于：所述光反射元件弱光栅阵列(4)由多个相同反射率的光栅组成，所述光栅的反射率范围为-40db～-41db,在室温下所述光栅的中心波长范围为1550.45～1550.65nm。
5.根据权利要求1所述的低时延特征混沌激光信号的发生装置，其特征在于：所述光反射元件弱光栅阵列(4)中光栅的长度为1cm，相邻两个光栅之间的间隔为1cm。
6.根据权利要求1所述的低时延特征混沌激光信号的发生装置，其特征在于：所述光纤耦合器(2)为1×2光纤耦合器，光纤耦合器(2)的第二通信端与第三通信端之间的分光比为95：5。
7.根据权利要求1所述的低时延特征混沌激光信号的发生装置，其特征在于：通过调节光反馈半导体激光器(1)的温度控制器使光反射元件弱光栅阵列(4)的中心波长与光反馈半导体激光器(1)输出窄带光中心波长差值的变化，即失谐频率以12.5GHz/℃的速率改变。
8.根据权利要求1所述的低时延特征混沌激光信号的发生装置，其特征在于：所述光反射元件弱光栅阵列(4)提供具有波长选择性的分布式光反馈，使反射光经过不同的群延时被反馈回光反馈半导体激光器(1)腔内。
9.根据权利要求1所述的低时延特征混沌激光信号的发生装置，其特征在于：所述光反馈半导体激光器(1)在控制器设置为56摄氏度的时候发出窄带光的中心波长为1550.55nm，波长范围为1550.45～1550.65nm。
10.一种低时延特征混沌激光信号的发生方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：光反馈半导体激光器(1)用于向光纤耦合器(2)发出中心波长不变的窄带光；
步骤2：光纤耦合器(2)的第二通信端输出的窄带光经过光衰减器(3)到达反射元件弱光栅阵列(4)，反射元件弱光栅阵列(4)对窄带光进行光栅反射，反射的窄带光依次经过光衰减器(3)和光纤耦合器(2)返回光反馈半导体激光器(1)中，产生混沌激光信号；
步骤3：通过调节光反馈半导体激光器(1)的温度控制器来改变光反馈半导体激光器(1)输出窄带光的中心波长，使光反馈半导体激光器(1)输出窄带光的中心波长与光反射元件弱光栅阵列(4)的中心波长达到预设差值，保证输出的混沌信号达到最小时间延迟签名结果；
步骤4：通过调节光衰减器(3)衰减的光的光强大小来控制反射回光反馈半导体激光器(1)的窄带光的光强，从而使光纤耦合器(2)的第三通信端输出时延特征被消除的混沌激光信号。
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