CN115037374B - 一种宽带双路偏振混沌激光产生方法及装置 - Google Patents

一种宽带双路偏振混沌激光产生方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽带双路偏振混沌激光产生方法及装置，该宽带双路偏振混沌激光产生装置包括：主激光器、第一偏振分束器、第一信号源、第一马赫曾德尔调制器、第二信号源、第二马赫曾德尔调制器、合束器、光衰减器、光环行器、从激光器、第二偏振分束器。主激光器输出两个正交的偏振光(x/y偏振)，经第一偏振分束器分为两路正交的偏振光。随后，对两路偏振光分别进行强度调制，并注入到从激光器中，使从激光器产生两路正交的偏振混沌信号。本发明成本低、结构简单、易于操作、在一定的调制参数下产生的双路偏振混沌信号的带宽高达30‑40GHz。

Description

一种宽带双路偏振混沌激光产生方法及装置
技术领域
本发明涉及激光产生技术领域，特别涉及一种宽带双路偏振混沌激光产生方法及装置。
背景技术
半导体激光器中的混沌信号因其在混沌安全通信、随机数产生、混沌雷达、储备池计算等领域的潜在应用而备受关注。近年来，混沌动力学在各种半导体激光器中得到了广泛的应用，如分布式反馈半导体激光器，半导体环形激光器，量子点激光器以及垂直腔面发射激光器(VCSEL)。其中，VCSEL由于具有圆形光斑输出、双偏振输出、低阈值电流、低成本和易于集成到大规模阵列的独特优势，成为近年来混沌激光领域的重要研究对象之一。早在2012年，Virte等人提出了VCSEL在不受到任何扰动的时候就可以产生极化混沌的例子，但是得到的混沌信号的带宽很低，不利于混沌的相关应用。为了解决这一问题，研究人员开始对自由运行VCSEL施加外部扰动，以此提高混沌信号的带宽，例如最常见的光反馈系统，一方面，外腔反馈会引入时延特征，时延特征可以通过计算自相关函数和延迟互信息很容易识别，在这种情况下，基于混沌的应用程序的安全性受到很大的威胁，可以帮助窃听者通过相空间重构攻击混沌系统；另一方面，传统的光反馈系统产生的混沌信号带宽受驰豫振荡频率限制，一般低于10GHz，为增大带宽，系统参数要求较高，如果增加其它器件也会让系统更加复杂。光注入系统作为一种易于实现且不引入时延特征的方案也备受关注，虽然时延信号得到了很好地隐藏，但是仍然存在混沌带宽和复杂性相对较低的问题，这可能会降低基于混沌的应用的性能，如随机比特生成；并且注入系统会有注入锁定现象，这对于混沌带宽的提升是非常不利的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提高混沌激光的带宽和复杂性。为了解决上述问题，本发明提供了一种宽带双路偏振混沌激光产生方法及装置。
所述激光产生装置，用于产生宽带双路偏振混沌激光，包括
主激光器，用于输出具有x偏振和y偏振两个正交偏振态的偏振光；
第一偏振分束器，设置于所述主激光器后端，用于将所述主激光器输出的光分成x偏振光和y偏振光，并分别对应到两个支路中；
第一马赫曾德尔调制器，设置在所述第一偏振分束器的两条支路的其中一条支路上，该第一马赫曾德尔调制器连接在一第一信号源上，用于对对应支路中的偏振光进行强度调制；
第二马赫曾德尔调制器，设置在所述第一偏振分束器的两条支路的另一条支路上，该第二马赫曾德尔调制器连接在一第二信号源上，用于对对应支路中的偏振光进行强度调制；
合束器，设置于所述第一马赫曾德尔调制器和所述第二马赫曾德尔调制器的后端，用于将所述第一马赫曾德尔调制器和所述第二马赫曾德尔调制器调制后的光进行合束；
光衰减器，用于控制经过所述合束器合束之后的光的强度大小；
光环行器，设置于所述光衰减器后端，所述光环行器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述光衰减器处理之后的光从所述第一端口入射至所述光环行器中并从所述第二端口出射；
从激光器，该从激光器的连接在所述光环行器的第二端口上，接收该第二端口出射的光并产生一混沌光，将所述混沌光输出至所述第二端口，并由所述光环行器的所述第三端口出射；
第二偏振分束器，该第二偏振分束器与所述光环行器的第三端口相连，用于将所述从激光器由所述光环行器的第三端口输出的混沌光分成x偏振混沌光和y偏振混沌光，并分别对应到两个支路中输出。
作为本发明的进一步改进，所述主激光器为窄线宽激光器，用于实现x偏振和y偏振的两个正交的偏振光输出。
作为本发明的进一步改进，所述信号源输出信号为正弦或余弦信号。
作为本发明的进一步改进，所述光衰减器为可变光衰减器。
作为本发明的进一步改进，所述光环行器为透射式准环行器。
作为本发明的进一步改进，所述从激光器为VCSEL。
作为本发明的进一步改进，所述激光产生装置具有两种输出模式，该激光产生装置还包括一模式切换开关，所述模式切换开关用于控制所述第一信号源和所述第二信号源的工作，当所述模式切换开光使得所述第一信号源和所述第二信号源非工作时，所述激光产生装置处于单周期振荡态输出模式；当所述模式切换开光使得所述第一信号源和所述第二信号源工作时，所述激光产生装置处于宽带混沌状态输出模式。
所述混沌激光产生方法，使用所述的激光产生装置产生，包括如下步骤：
S1)所述主激光器输出光信号，所述光信号包括x偏振模式和y偏振模式的两个偏振态正交模式；
S2)将所述光信号分束，形成x偏振模式和y偏振模式的两束光，分别对应到两个支路上输出，并分别对x偏振模式和y偏振模式进行强度调制，从而获得光强度可调节的双路光载波信号；
S3)将经过调制后的双路光载波信号合束后注入到从激光器中，对调制参数进行调节，可以使从激光器工作在具有30-40GHz带宽的混沌状态，且包含两个偏振态正交的混沌激光，分别为x偏振混沌激光和y偏振混沌激光；
S4)将从激光器输出的两个正交的偏振模式分离开，得到双路偏振混沌激光。
作为本发明的进一步改进，步骤S2中对x偏振模激光和y偏振模激光的强度调制主要为调制深度和信号源输出信号的调制频率的调制，所述调制深度为经过调制之后的信号的最大振幅与最小振幅之差与调制之前的信号的最大振幅与最小振幅之和的比值。
作为本发明的进一步改进，步骤S3中对调制参数进行调节的具体步骤为:
S31)通过所述光衰减器调节注入强度，调节所述从激光器的工作温度注入失谐，使得所述从激光器的动力学状态为单周期振荡；
S32)将所述正弦或余弦信号经所述第一马赫曾德尔调制器和所述第二马赫曾德尔调制器调制在所述主激光器的两路偏振光信号上，并将调制后的光信号注入至所述从激光器；
S33)通过设置所述马赫曾德尔调制器的电压调节调制深度，设计正弦或余弦信号的频率调节调制频率，使得从激光器的动力学从单周期振荡失稳，进入混沌状态。
本发明的有益效果是：本发明采用对注入信号进行强度调制，可以将VCSEL输出的动力学行为变得更加复杂并且不会引入时延特征，从而改善混沌激光的动力学特性。并且由于VCSEL可以同时实现双路偏振混沌输出，通过强度调制光注入的方案，可以同时实现两路大带宽、无时延、复杂度高的双路偏振混沌光信号，进一步拓展了混沌信号的应用领域，比如并行随机数生成。可用于信息的加密、传输和解密，从而实现高速保密光通信，在网络空间安全、国家安全及日常通信等领域具有重要的作用。
附图说明
图1为本发明的装置示意图。
图2为本发明的时序图。
图3为本发明的光谱图。
图4为本发明的频谱图。
标记说明：
1、主激光器；
2、第一偏振分束器；
3、第一信号源；
4、第一马赫曾德尔调制器；
5、第二信号源；
6、第二马赫曾德尔调制器；
7、合束器；
8、光衰减器；
9、光环行器；
10、从激光器；
11、第二偏振分束器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，为本发明宽带双路偏振混沌激光的产生装置，包括主激光器1、第一偏振分束器2、第一信号源3、第一马赫曾德尔调制器4、第二信号源5、第二马赫曾德尔调制器6、合束器7、光衰减器8、光环行器9、从激光器10、第二偏振分束器11。
主激光器1可为任意窄线宽激光器，例如DFB激光器，激光器的发射波长可以为常见的850nm，1300nm以及1550nm。主激光器1能实现x偏振和y偏振的两个正交的偏振光输出。第一偏振分束器2设置于主激光器1后端，用于将所述主激光器发出的光束分为x偏振光和y偏振光两束偏振状态正交的偏振光，并分别对应到两个支路中。
第一马赫曾德尔调制器4，设置在第一偏振分束器2的两条支路的其中一条支路上，第一信号源3的输出端与第一马赫曾德尔调制器4连接，用于对对应支路中的偏振光进行强度调制；第二马赫曾德尔调制器6，设置在第一偏振分束器2的两条支路的另一条支路上，第二信号源5的输出端与第二马赫曾德尔调制器6连接，用于对对应支路中的偏振光进行强度调制；第一马赫曾德尔调制器4和第二马赫曾德尔调制器6后端设置有合束器7，用于将经过第一马赫曾德尔调制器4和第二马赫曾德尔调制器6调制后的光进行合束，生成光强度可调的双路光载波信号。光衰减器8与合束器7输出端相连，用于控制经过所述合束器7合束之后的光的强度大小；光环行器9包括第一端口、第二端口和第三端口，光衰减器8输出端连接到光环行器9的第一端口，使得光衰减器8处理之后的光从光环行器9的从第二端口出射；从激光器10的输出端连接在光环行器9的第二端口上，接收该第二端口出射的光并产生一混沌光，将混沌光输出至第二端口，从光环行器9的第三端口输出包含两个正交偏振态的混沌激光；第二偏振分束器11与光环行器9的第三端口相连，用于将从激光器10由光环行器9的第三端口输出的混沌光分成x偏振混沌光和y偏振混沌光，并分别对应到两个支路中输出。
第一马赫曾德尔调制器和第二马赫曾德尔调制器分别对所述主激光器发射出的x偏振模式激光和y偏振模式激光进行强度调制以获得光强度可调节的双路光载波信号。调制参数为调制深度和信号源输出信号的调制频率。首先通过设计信号源的频率实现调制频率的调节，这里的信号源采用正弦或余弦信号；随后调节马赫曾德尔调制器的电压实现调制深度的调节。调制深度指经过调制之后的信号的最大振幅与最小振幅之差与调制之前的最大振幅与最小振幅之和的比值。
光衰减器为可变光衰减器，用来控制主激光器注入到从激光器的激光强度大小，通过调节注入强度，从激光器可以实现不同的动力学输出，可以实现大带宽、高复杂度的混沌信号输出。
光环行器为透射式准环行器，具有三个端口，光由第一端口输入时，光几乎毫无损失地由第二端口输出，其它端口处几乎没有光输出，由第二端口输入的光几乎毫无损失地由第三端口输出，由第三端口输入的光不能从第一端口输出。
从激光器是垂直腔面激光器(VCSEL)，是二极管激光器的一种，二极管激光器的构成是将某种增益介质置于一个光学谐振腔中，通过光泵浦或者电泵浦对增益介质进行激励，发出的光在谐振腔中振荡，最终出射激光；主激光器的输出在无强度调制时注入到从激光器中，能够使从激光器产生单周期振荡信号，主激光器的输出外加强度调制时，从激光器的单周期振荡状态能够演变为宽带混沌信号。
一种宽带双路偏振混沌激光产生方法，包括如下步骤：
S1)所述主激光器输出光信号，所述光信号包括x偏振模式和y偏振模式的两个偏振态正交模式；
S2)将所述光信号分束，形成x偏振模式和y偏振模式的两束光，分别对应到两个支路上输出，并分别对x偏振模式和y偏振模式进行强度调制，从而获得光强度可调节的双路光载波信号；
S3)将经过调制后的双路光载波信号合束后注入到从激光器中，对调制参数进行调节，可以使从激光器工作在具有30-40GHz带宽的混沌状态，且包含两个偏振态正交的混沌激光，分别为x偏振混沌激光和y偏振混沌激光；
S4)将从激光器输出的两个正交的偏振模式分离开，得到双路偏振混沌激光。
上述步骤S3中对调制参数进行调节主要是通过可变光衰减器调节注入强度，通过设置从激光器的工作温度调节注入失谐，使得从激光器的动力学状态为单周期振荡；随后将正弦或余弦信号经马赫曾德尔调制器调制在主激光器的光信号上，注入至从激光器，通过设置调制器的电压调节调制深度，通过设计正弦/余弦信号的频率调节调制频率，使得从激光器的动力学从单周期振荡失稳，进入混沌状态。
通过数值仿真模拟了所述的VCSEL产生双路偏振混沌信号，建立主激光器以及从激光器的速率方程如下：
Figure GDA0004189927340000071
Figure GDA0004189927340000072
Figure GDA0004189927340000073
Figure GDA0004189927340000074
Figure GDA0004189927340000075
Figure GDA0004189927340000076
其中，下标1，2分别表示主激光器与从激光器，Ex,y分别为x偏振/y偏振的复电场，N为载流子总数，n为自旋载流子差值，κ为光场衰减率，α为线宽增强因子，γa为线性二色性，γp为线性双折射，γe是载流子衰变率，γs为自旋反转速率，μ对应于归一化注入电流，νM为主激光器的中心频率；τ为注入延迟时间；kinj为注入强度；Δν为频率失谐；m为调制深度；fm为调制频率。仿真中各参数取值为：κ＝300ns-1；α＝3；γa＝0.5ns-1；γp＝30ns-1；γs＝50ns-1；μ＝2.8；νM＝3.5294THz；τ＝3ns；kinj＝40GHz；Δν＝30GHz；m＝0.385；fm＝29.5GHz。
从图2中能够看出从激光器的x偏振和y偏振都能够产生混沌振荡波形。图3为基于本发明方法及装置产生的x偏振(左图)以及y偏振(右图)的光学光谱，为光信号，可以看到x偏振以及y偏振的光谱分布是连续以及高度不对称的，这充分显示了混沌信号所对应的光谱特性；图4为基于本发明方法及装置产生的x偏振(左图)以及y偏振(右图)的功率谱，为电信号，是由光信号的拍频得到的，显示了高达50GHz的微波频谱分布，从图中可以看出x偏振模式以及y偏振模式的带宽都可以高达30-40GHz。由此可见，强度调制光注入可以使VCSEL同时产生两路带宽得到提升的混沌信号。
以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种激光产生装置，其特征在于：用于产生宽带双路偏振混沌激光，包括
主激光器，用于输出具有x偏振和y偏振两个正交偏振态的偏振光；
第一偏振分束器，设置于所述主激光器后端，用于将所述主激光器输出的光分成x偏振光和y偏振光，并分别对应到两个支路中；
第一马赫曾德尔调制器，设置在所述第一偏振分束器的两条支路的其中一条支路上，该第一马赫曾德尔调制器连接在一第一信号源上，用于对对应支路中的偏振光进行强度调制；
第二马赫曾德尔调制器，设置在所述第一偏振分束器的两条支路的另一条支路上，该第二马赫曾德尔调制器连接在一第二信号源上，用于对对应支路中的偏振光进行强度调制；
合束器，设置于所述第一马赫曾德尔调制器和所述第二马赫曾德尔调制器的后端，用于将所述第一马赫曾德尔调制器和所述第二马赫曾德尔调制器调制后的光进行合束；
光衰减器，用于控制经过所述合束器合束之后的光的强度大小；
光环行器，设置于所述光衰减器后端，所述光环行器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述光衰减器处理之后的光从所述第一端口入射至所述光环行器中并从所述第二端口出射；
从激光器，该从激光器的连接在所述光环行器的第二端口上，接收该第二端口出射的光并产生一混沌光，将所述混沌光输出至所述第二端口，并由所述光环行器的所述第三端口出射；
第二偏振分束器，该第二偏振分束器与所述光环行器的第三端口相连，用于将所述从激光器由所述光环行器的第三端口输出的混沌光分成x偏振混沌光和y偏振混沌光，并分别对应到两个支路中输出。
2.根据权利要求1所述的激光产生装置，其特征在于：所述主激光器为窄线宽激光器，用于实现x偏振和y偏振的两个正交的偏振光输出。
3.根据权利要求1所述的激光产生装置，其特征在于：所述第一信号源和所述第二信号源输出信号为正弦或余弦信号。
4.根据权利要求1所述的激光产生装置，其特征在于：所述光衰减器为可变光衰减器。
5.根据权利要求1所述的激光产生装置，其特征在于：所述光环行器为透射式准环行器。
6.根据权利要求1所述的激光产生装置，其特征在于：所述从激光器为VCSEL。
7.根据权利要求1-5任意一项所述的激光产生装置，其特征在于：所述激光产生装置具有两种输出模式，该激光产生装置还包括一模式切换开关，所述模式切换开关用于控制所述第一信号源和所述第二信号源的工作，当所述模式切换开光使得所述第一信号源和所述第二信号源非工作时，所述激光产生装置处于单周期振荡态输出模式；当所述模式切换开光使得所述第一信号源和所述第二信号源工作时，所述激光产生装置处于宽带混沌状态输出模式。
8.一种混沌激光产生方法，其特征在于：使用如权利要求1-6任意一项所述的激光产生装置产生，包括如下步骤：
S1)所述主激光器输出光信号，所述光信号包括x偏振模式和y偏振模式的两个偏振态正交模式；
S2)将所述光信号分束，形成x偏振模式和y偏振模式的两束光，分别对应到两个支路上输出，并分别对x偏振模式和y偏振模式进行强度调制，从而获得光强度可调节的双路光载波信号；
S3)将经过调制后的双路光载波信号合束后注入到从激光器中，对调制参数进行调节，可以使从激光器工作在具有30-40GHz带宽的混沌状态，且包含两个偏振态正交的混沌激光，分别为x偏振混沌激光和y偏振混沌激光；
S4)将从激光器输出的两个正交的偏振模式分离开，得到双路偏振混沌激光。
9.根据权利要求8所述的混沌激光产生方法，其特征在于：步骤S2中对x偏振模激光和y偏振模激光的强度调制主要为调制深度和信号源输出信号的调制频率的调制，所述调制深度为经过调制之后的信号的最大振幅与最小振幅之差与调制之前的信号的最大振幅与最小振幅之和的比值。
10.根据权利要求8所述的混沌激光产生方法，其特征在于：步骤S3中对调制参数进行调节的具体步骤为:
S31)通过所述光衰减器调节注入强度，调节所述从激光器的工作温度注入失谐，使得所述从激光器的动力学状态为单周期振荡；
S32)将正弦或余弦信号经所述第一马赫曾德尔调制器和所述第二马赫曾德尔调制器调制在所述主激光器的两路偏振光信号上，并将调制后的光信号注入至所述从激光器；
S33)通过设置所述马赫曾德尔调制器的电压调节调制深度，设计正弦或余弦信号的频率调节调制频率，使得从激光器的动力学从单周期振荡失稳，进入混沌状态。
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