CN113300772B - 多波长混沌信号并行输出发生装置及方法 - Google Patents

多波长混沌信号并行输出发生装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多波长混沌信号并行输出发生装置，它的半导体光放大器的输出端与单模光纤的输入端连接，单模光纤的输出端通过可调光衰减器与光环形器的第一通信端相连，多通带滤波器的通信端与光环形器的第二通信端相连，光环形器的第三通信端与1×2光纤耦合器输入端相连接，1×2光纤耦合器的第一输出端通过偏振控制器与光隔离器输入端相连，所述光隔离器输出端与半导体光放大器输入端相连接，1×2光纤耦合器的第二输出端为混沌信号输出端。本发明可以实现半导体光放大器光纤环形激光器的多路不同波长混沌光信号的并行输出，不同通道的混沌光信号均具有良好的随机性，并且不同波长之间相互独立。

Description

多波长混沌信号并行输出发生装置及方法
技术领域
本发明涉及混沌激光技术领域，具体地指一种多波长混沌信号并行输出发生装置及方法。
背景技术
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、光时域反射计、光纤传感、随机比特产生、混沌测距等领域。目前，使用光注入和光反馈激发半导体激光器混沌震荡的技术研究已经非常成熟。但是受限于半导体激光器的结构特性，这一方法产生的混沌光信号波长调谐范围小，难以实现多波长并行输出。结合激光器在光通信系统中应用的发展历史，与传统通信系统中使用的波分复用技术类似的，混沌光信号也可以向多通道的波分复用上发展来提升信道传输容量，扩展混沌通信系统的信息承载能力。在大容量混沌保密通信、多路真随机数发生等应用需求的背景下，对多波长并行输出、且多个输出之间混沌信号相互独立的混沌激光器的研究有着重要意义。
目前，激光器实现多波长混沌激光输出主要有下面三种方法。第一种方法是利用光反馈多纵模半导体激光器并行输出多波长的混沌信号。2019年，Li等人通过实验分析对比了光反馈法布里-珀罗混沌半导体激光器滤波前后的多纵模及其中每一个单纵模信号的频谱特性，通过对输出信号进行简单滤波，实现混沌信号低频能量的显著提升，并且使混沌信号的频谱相对平坦化。但是这种方法输出的各个波长的混沌信号之间存在较强的相关性，不能作为独立的混沌载波或者真随机数发生器的物理随机信号源使用。(物理学报,2019,68(11),110501-1)。第二种方法是通在激光器输出端连接一个波分光器件，将系统输出的宽谱光信号根据按照波长范围分割成多路输出，实现多个波长光信号的输出。2013年，华中科技大学Xia等人通过采用掺铒光纤放大器将系统输出的混沌信号光功率放大，使用波分复用器实现3个波长混沌信号的并行输出(Optics Letters,2013,38(19):3762-3764.)。但由于其在腔外对混沌光进行分割，造成了大量的功率浪费，且输出的多波长混沌光信号功率较低，未能在保密光通信和真随机数生成中进行实际的应用。第三种方法是采用双腔结构通过在掺铒光纤激光器中加入两个不同波长的滤波器，并在激光器的驰豫振荡频率附近引入调制，实现双波长混沌光的输出(IEEE Photonics Technology Letters,2005,17(3):549-551)。该结构真正意义上实现了多波长混沌激光器，但该激光器输出的混沌光信号的带宽较低，无法应用于高速真随机数产生，也不适合作为高速混沌光通信的光载波。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种多波长混沌信号并行输出发生装置及方法，本发明通过在半导体光放大光纤环形激光器中引入多通带滤波器，实现了多波长宽功率谱混沌光信号的并行输出，增大了保密光通信传输容量，提高了真随机数的生成速率。该激光器系统结构简单，输出混沌光信号路数多，在光传输、光保密等方面有着巨大的应用前景。
为实现此目的，本发明所设计的多波长混沌信号并行输出发生装置，包括半导体光放大器、单模光纤、可调光衰减器、光环形器、多通带滤波器、1×2光纤耦合器、偏振控制器和光隔离器；所述半导体光放大器的输出端与单模光纤的输入端连接，单模光纤的输出端通过可调光衰减器与光环形器的第一通信端相连，多通带滤波器的通信端与光环形器的第二通信端相连，光环形器的第三通信端与1×2光纤耦合器输入端相连接，1×2光纤耦合器的第一输出端通过偏振控制器与光隔离器输入端相连，所述光隔离器输出端与半导体光放大器输入端相连接，1×2光纤耦合器的第二输出端为混沌信号输出端。
一种基于上述装置的多波长混沌信号并行输出发生方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：半导体光放大器接入电流后进入工作状态，由于刚开始没有放大信号的输入，半导体光放大器进入自发辐射状态，发出自发辐射光；
步骤2：半导体光放大器自发辐射光通过单模光纤和可调光衰减器之后输出的宽带光信号由第一通信端进入光环形器，进入光环形器后光信号会从光环形器的第二通信端传输到多通带滤波器中，多通带滤波器对光信号进行波长选择后，返回光环形器并由光环形器输出波长选择后的光信号；
步骤3：波长选择后的光信号进入1×2光纤耦合器，1×2光纤耦合器的第一输出端输出的光信号依次经过偏振控制器和光隔离器之后进入所述半导体光放大器进行光反馈，构成环形腔系统，偏振控制器用于改变光信号的偏振态，光隔离器用于保证光在腔内单向传输；
步骤4：半导体光放大器自发辐射输出的光会不断返回到半导体光放大器输入端提供光反馈，半导体光放大器输入端继续会对接收到的光信号进行放大，在单模光纤的克尔效应及反常色散，单模光纤调制不稳定性和半导体光放大器相位非线性以及增益饱和与恢复的共同作用下，多波长混沌信号并行输出发生装置发生增益变化，多波长混沌信号并行输出发生装置中1×2光纤耦合器的第二输出端输出的光强状态变化，最终产生并输出混沌振荡信号。
本发明的有益效果：
本发明利用定制FBG阵列作为多通带滤波器，实现了半导体光放大器光纤环形激光器的四路不同波长混沌光信号的并行输出；
本发明实现了半导体光放大器光纤环形激光器(由单模光纤，SOA等组件组成的环形的激光器系统)的多路不同波长混沌光信号的并行输出(通过使用FBG阵列作为滤波器加入到环形激光器结构中来实现多波长混沌光信号的并行输出)，通过定制的波分复用器件将四个波长的混沌光信号分离，通过NIST随机数测试和互相关测试，证明本发明不同通道的混沌光信号均具有良好的随机性，并且不同波长之间相互独立。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的并行输出光谱图；
图3为多波长混沌信号前两个通道处理得到随机数的NIST随机数测试结果；
图4为多波长混沌信号后两个通道处理得到随机数的NIST随机数测试结果；
图5为多波长混沌信号4个通道互相关结果图；
图6为多通带滤波器相邻通道波长距离间隔与相邻通道信号互相关函数的TDS相关峰高度、NIST通过次数的关系图。
其中，1—半导体光放大器、2—单模光纤、3—可调光衰减器、4—光环形器、5—多通带滤波器、6—1×2光纤耦合器、7—偏振控制器、8—光隔离器。
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：
如图1所示多波长混沌信号并行输出发生装置，包括半导体光放大器1、单模光纤2、可调光衰减器3、光环形器4、多通带滤波器5、1×2光纤耦合器6、偏振控制器7和光隔离器8；所述半导体光放大器1的输出端与单模光纤2的输入端连接，单模光纤2的输出端通过可调光衰减器3与光环形器4的第一通信端相连，多通带滤波器5的通信端与光环形器4的第二通信端相连，光环形器4的第三通信端与1×2光纤耦合器6输入端相连接，1×2光纤耦合器6的第一输出端通过偏振控制器7与光隔离器8输入端相连，所述光隔离器8输出端与半导体光放大器1输入端相连接，1×2光纤耦合器6的第二输出端为混沌信号输出端。
上述技术方案中，当半导体光放大器1进入自发辐射状态时，半导体光放大器1自发辐射光通过单模光纤2和可调光衰减器3之后输出的宽带光信号由第一通信端进入光环形器4，进入光环形器4后宽带光信号会从光环形器4的第二通信端传输到多通带滤波器5中，多通带滤波器5对光信号进行波长选择后，返回光环形器4并由光环形器4输出波长选择后的光信号。单模光纤2的非线性效应是激光器系统产生混沌光的重要来源。采用可调光衰减器3控制环腔中光功率的大小，防止到环腔中过高的光功率可能会超过SOA的阈值，造成器件的损坏。
上述技术方案中，所述波长选择后的光信号进入1×2光纤耦合器6，1×2光纤耦合器6的第一输出端输出的光信号依次经过偏振控制器7和光隔离器8之后进入所述半导体光放大器1进行光反馈，构成环形腔系统，偏振控制器7用于改变光信号的偏振态，光隔离器8用于保证光在腔内单向传输。
上述技术方案中，所述半导体光放大器1自发辐射输出的光会不断返回到半导体光放大器1输入端提供光反馈，半导体光放大器1输入端继续会对接收到的光信号进行放大，在单模光纤2的克尔效应及反常色散，单模光纤2调制不稳定性和半导体光放大器1相位非线性以及增益饱和与恢复的共同作用下，多波长混沌信号并行输出发生装置发生增益变化，多波长混沌信号并行输出发生装置中1×2光纤耦合器6的第二输出端输出的光强状态变化(光强在±25mW之间震荡)，最终产生并输出混沌振荡信号，多通带滤波器实现多波长的混沌光信号并行输出，SOA和单模光纤的非线性使产生的混沌信号具有良好的非线性，并且不同波长之间相互独立。
上述技术方案中，所述的半导体光放大器1是光路中唯一的有源器件光源，半导体光放大器1以串联的方式接入环形腔中，半导体光放大器1的相位非线性和高速增益饱和与恢复也是激光器系统产生混沌光的重要来源。
上述技术方案中，在半导体光放大器1驱动电流满足激光器受激辐射阈值条件的前提下，1×2光纤耦合器6的第一输出端与第二输出端的分光比根据对激光器(由单模光纤，SOA等组件组成的环形的激光器系统)输出功率的需求来设定。
上述技术方案中，1×2光纤耦合器6第一输出端将传输的光信号反馈回系统构成激光环形腔，所述的1×2光纤耦合器6第二输出端实现激光信号的输出。当反馈回激光腔中的光信号过小，系统输出的光信号较弱甚至环腔中的功率不足难以达到混沌状态，经过不断的实验探索，我们采用第一输出端与第二输出端分光比为95：5光纤耦合器来实现混沌信号的输出。具体分光比设置需要根据实际情况设定。
上述技术方案中，所述多通带滤波器5包含4个栅长、间隔均为1cm的光纤布拉格光栅FBG，四个光纤布拉格光栅的波长反射率均为99％，四个光纤布拉格光栅的中心波长依次为1545nm、1548nm、1551nm和1554nm，单个FBG的带宽为1.5nm，如果输出单个FBG带宽较窄，则会影响混沌信号的随机性，如果输出较宽，则会影响并行输出的路数，这个带宽的设置是在保证混沌信号质量的前提下，带宽设置为最小数值。所述多通带滤波器5，除了可以使用定制的FBG阵列，还可以采用光交叉波分复用器或基于空间光调制的多通带滤波器，在保证输出混沌信号随机性的前提下产生多路并行输出的混沌信号。
上述技术方案中，所述单模光纤2的色散系数在半导体光放大器1的工作波长处大于0。
上述技术方案中，所述单模光纤2采用长飞光纤的型号为G652的全贝低水峰单模光纤，所述单模光纤2的长度为5km，单模光纤2给多波长混沌信号并行输出发生装置带来的色散为90ps/nm，单模光纤2插入多波长混沌信号并行输出发生装置的衰减为1.2dBm。单模光纤中的色散和非线性效应是激光器系统产生混沌光的重要来源。
上述技术方案中，系统并行输出的最大路数受到多个因素的影响，主要包括激光器增益介质的增益谱宽，单路滤波器的通带宽度和相邻两路波长之间的波长间隔等。通过不断探索实验，设定半导体光放大器SOA的工作电流为450mA，此时本发明输出混沌光信号在1540～1560nm范围，激光器输出单路窄带混沌光带宽为1.5nm的时候，混沌信号自相关计算结果的一阶TDS值低于0.015，混沌光源产生的真随机数能通过测试套件的全部测试。多通带滤波器的相邻通道波长间隔会影响并行输出混沌信号之间的独立性，在保证混沌信号质量的前提下通过改变多通带滤波器相邻通道波长间隔来探索系统并行输出的最大路数。
通过对相邻波长的混沌信号进行互相关分析，并且对各个通道进行NIST(National Institute of Standards and Technology Special Publications，国家标准与技术机构特别出版物)SP800-22标准测试工具测试，实现对每个通道混沌信号的随机性和独立性进行验证。
一种基于上述装置的多波长混沌信号并行输出发生方法，它包括如下步骤：
步骤1：半导体光放大器1接入电流后进入工作状态，由于刚开始没有放大信号的输入，半导体光放大器1进入自发辐射状态，发出自发辐射光；
步骤2：半导体光放大器1自发辐射光通过单模光纤2和可调光衰减器3之后输出的宽带光信号由第一通信端进入光环形器4，进入光环形器4后宽带光信号会从光环形器4的第二通信端传输到多通带滤波器5中，多通带滤波器5对光信号进行波长选择后，返回光环形器4并由光环形器4输出波长选择后的光信号；
步骤3：波长选择后的光信号进入1×2光纤耦合器6，1×2光纤耦合器6的第一输出端输出的光信号依次经过偏振控制器7和光隔离器8之后进入所述半导体光放大器1进行光反馈，构成环形腔系统；
步骤4：半导体光放大器1自发辐射输出的光会不断返回到半导体光放大器1输入端提供光反馈，半导体光放大器1输入端继续会对接收到的光信号进行放大，在单模光纤2的克尔效应及反常色散，单模光纤2调制不稳定性和半导体光放大器1相位非线性以及增益饱和与恢复的共同作用下，多波长混沌信号并行输出发生装置发生增益变化，多波长混沌信号并行输出发生装置中1×2光纤耦合器6的第二输出端输出的光强状态变化，最终产生并输出混沌振荡信号。
图2是本发明的一种多波长混沌信号并行输出光谱图。如图2所示，激光器输出光谱包含了4个不同波长的光信号，且波长范围与多通带滤波器的参数保持一致。不同波长的光谱形状未发生明显变异，各个波长之间峰值差异不大，光谱之间没有重叠，在光谱范围上它们是相互独立。
图3、4是多波长混沌信号4个通道处理得到随机数的NIST随机数测试结果。用定制的波分复用器(WDM)将四个波长的混沌光信号分离，得到了四路不同波长的混沌光信号同时并行的输出，通过将采用分析算法对4路混沌信号进行处理得到随机比特序列，并对得到的随机比特序列进行NIST随机数测试。如图3、4所示，显著水平为0.01,要求每项测试的P-value值大于0.01,通过率大于0.9806。激光器输出的四个通道的混沌光信号均通过NISTSP800-22标准测试工具的全部15项子测试项目，这个随机序列均具有良好的随机性。这表示半导体光放大器光纤环形激光器输出的四路不同波长的混沌光信号均具有较好的混沌质量。
图5是多波长混沌信号4个通道互相关结果图。如图3所示，(a)是1545nm和1548nm互相关结果；(b)是1545nm和1551nm互相关结果；(c)是1545nm和1554nm互相关结果；(d)是1548nm和1551nm互相关结果；(e)是1548nm和1554nm互相关结果；(f)是1551nm和1554nm互相关结果。从互相关计算结果曲线图中可以看到，激光器输出的四个不同波长混沌信号中，每两路光信号的互相关结果曲线均平缓，在t＝0处以及TDS(Time Delay Signature，时间延迟签名)处的相关峰均不明显，该互相关计算结果说明计算的两个信号在任何时刻都不具有相关性，它们是相互独立的。四个通道光信号之间的互相关计算结果表明，基于半导体光放大器光纤环形激光器结合多通带滤波器实现并行输出的多波长混沌光信号是四个相互独立的光源。
图6是多通带滤波器相邻通道波长距离间隔与相邻通道信号互相关函数的TDS相关峰高度、NIST通过次数的关系图。实验使用多通带滤波器中单个通道的带宽为1.5nm，通过设置不同之间的波长距离间隔Δλ，计算相邻通道信号的互相关函数，得到互相关函数的TDS相关峰的高度随Δλ变化的曲线图如图6所示，找到满足系统输出光信号混沌性的最小的Δλ设置点值。根据半导体光放大器光纤环形激光器特性分析结果可知，当通道之间的波长间隔过小时，相邻距离混沌光信号之间独立性可能会相互影响，系统输出光信号的独立性会受到一定的影响，当相邻通道中心波长距离间隔Δλ为1.75nm时，激光器输出的光信号的一阶TDS的高度小于0.001，并且该信号生成的随机序列均能通过NIST的全部15项子项目的测试。在保证混沌输出的前提下，半导体光放大器光纤环形激光器的输出范围为1540～1560nm，每个波长光信号的带宽最小的1.5nm，相邻中心波长的最小间隔为1.75nm。在保证光信号混沌质量的前提下，半导体光放大器光纤环形系统多个波长混沌光并行输出的最大路数为12路，功率谱带宽复用容量扩展到960GHz。
本发明解决了现有多模激光器结合滤波器产生的宽带混沌信号各个通道相关性较高；或是在宽光谱混沌光输出端进行光谱切割会导致大量功率浪费的问题，使得多波长混沌激光器可以直接应用于多路真随机数产生，或作为波分复用混沌光通信系统的光载波源。本发明通过在半导体光放大光纤环形激光器的腔内引入多通带滤波器，实现了多路不同波长混沌光信号的并行输出，通过分析通带滤波器相邻通道波长距离设置对输出混沌特性的影响，验证了多路光信号的混沌特性。
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 (4)

1.一种多波长混沌信号并行输出发生装置，其特征在于：包括半导体光放大器(1)、单模光纤(2)、可调光衰减器(3)、光环形器(4)、多通带滤波器(5)、1×2光纤耦合器(6)、偏振控制器(7)和光隔离器(8)；所述半导体光放大器(1)的输出端与单模光纤(2)的输入端连接，单模光纤(2)的输出端通过可调光衰减器(3)与光环形器(4)的第一通信端相连，多通带滤波器(5)的通信端与光环形器(4)的第二通信端相连，光环形器(4)的第三通信端与1×2光纤耦合器(6)输入端相连接，1×2光纤耦合器(6)的第一输出端通过偏振控制器(7)与光隔离器(8)输入端相连，所述光隔离器(8)输出端与半导体光放大器(1)输入端相连接，1×2光纤耦合器(6)的第二输出端为混沌信号输出端；
当半导体光放大器(1)进入自发辐射状态时，半导体光放大器(1)自发辐射光通过单模光纤(2)和可调光衰减器(3)之后输出的宽带光信号由第一通信端进入光环形器(4)，进入光环形器(4)后宽带光信号会从光环形器(4)的第二通信端传输到多通带滤波器(5)中，多通带滤波器(5)对光信号进行波长选择后，返回光环形器(4)并由光环形器(4)输出波长选择后的光信号；
所述半导体光放大器(1)自发辐射输出的光会不断返回到半导体光放大器(1)输入端提供光反馈，半导体光放大器(1)输入端继续会对接收到的光信号进行放大，在单模光纤(2)的克尔效应及反常色散，单模光纤(2)调制不稳定性和半导体光放大器(1)相位非线性以及增益饱和与恢复的共同作用下，多波长混沌信号并行输出发生装置发生增益变化，多波长混沌信号并行输出发生装置中1×2光纤耦合器(6)的第二输出端输出的光强状态变化，最终产生并输出混沌振荡信号；
所述波长选择后的光信号进入1×2光纤耦合器(6)，1×2光纤耦合器(6)的第一输出端输出的光信号依次经过偏振控制器(7)和光隔离器(8)之后进入所述半导体光放大器(1)进行光反馈，构成环形腔系统，偏振控制器(7)用于改变光信号的偏振态，光隔离器(8)用于保证光在腔内单向传输；
1×2光纤耦合器(6)第一输出端将传输的光信号反馈回系统构成激光环形腔，所述的1×2光纤耦合器(6)第二输出端实现激光信号的输出，第一输出端与第二输出端分光比为95：5光纤耦合器来实现混沌信号的输出；
所述多通带滤波器(5)包含4个栅长、间隔均为1cm的光纤布拉格光栅，四个光纤布拉格光栅的波长反射率均为99％，四个光纤布拉格光栅的中心波长依次为1545nm、1548nm、1551nm和1554nm，单个FBG的带宽为1.5nm；
所述单模光纤(2)的色散系数在半导体光放大器(1)的工作波长处大于0；
通过对相邻波长的混沌信号进行互相关分析，并且对各个通道进行标准测试工具测试，实现对每个通道混沌信号的随机性和独立性进行验证。
2.根据权利要求1所述的多波长混沌信号并行输出发生装置，其特征在于：在半导体光放大器(1)驱动电流满足激光器受激辐射阈值条件的前提下，1×2光纤耦合器(6)的第一输出端与第二输出端的分光比根据对激光器输出功率的需求来设定。
3.根据权利要求1所述的多波长混沌信号并行输出发生装置，其特征在于：所述单模光纤(2)为全贝低水峰单模光纤，所述单模光纤(2)的长度为5km，单模光纤(2)给多波长混沌信号并行输出发生装置带来的色散为90ps/nm，单模光纤(2)插入多波长混沌信号并行输出发生装置的衰减为1.2dBm。
4.一种基于权利要求1所述装置的多波长混沌信号并行输出发生方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：半导体光放大器(1)接入电流后进入工作状态，由于刚开始没有放大信号的输入，半导体光放大器(1)进入自发辐射状态，发出自发辐射光；
步骤2：半导体光放大器(1)自发辐射光通过单模光纤(2)和可调光衰减器(3)之后由第一通信端进入光环形器(4)，进入光环形器(4)后宽带光信号会从光环形器(4)的第二通信端传输到多通带滤波器(5)中，多通带滤波器(5)对光信号进行波长选择后，返回光环形器(4)并由光环形器(4)输出波长选择后的光信号；
步骤3：波长选择后的光信号进入1×2光纤耦合器(6)，1×2光纤耦合器(6)的第一输出端输出的光信号依次经过偏振控制器(7)和光隔离器(8)之后进入所述半导体光放大器(1)进行光反馈，构成环形腔系统；
步骤4：半导体光放大器(1)自发辐射输出的光会不断返回到半导体光放大器(1)输入端提供光反馈，半导体光放大器(1)输入端继续会对接收到的光信号进行放大，在单模光纤(2)的克尔效应及反常色散，单模光纤(2)调制不稳定性和半导体光放大器(1)相位非线性以及增益饱和与恢复的共同作用下，多波长混沌信号并行输出发生装置发生增益变化，多波长混沌信号并行输出发生装置中1×2光纤耦合器(6)的第二输出端输出的光强状态变化，最终产生并输出混沌振荡信号。
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