CN202663408U - 一种简单拓扑结构的多信道混沌同步通信系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种简单拓扑结构的多信道混沌同步通信系统。一工作在混沌状态的半导体激光器的输出被均匀分为两部分，分别由两条相同的单向光纤支路注入到两个由n条不同延时的双向光纤支路连接的互注入激光器中；在单向注入的注入-锁定效应作用下，所述的两多延时互注入激光器之间可实现稳定高品质的混沌同步；基于此，每个互注入激光器可同时发送n个并接收n个信息，从而实现多信道混沌同步通信。本实用新型在简单结构的多延时互注入系统中很容易地实现了混沌同步，解决了传统多延时互注入系统中实现同步需要注入和反馈满足严格的数学关系的疑难；而且本实用新型支持两个激光器之间的多信息同时双向传输，对实现混沌网络通信具有指导意义。

Description

一种简单拓扑结构的多信道混沌同步通信系统

技术领域

本实用新型涉及混沌、光纤通信和半导体激光器领域，尤其是一种简单拓扑结构的多信道混沌同步通信系统，适用于多信息的同时双向并行保密传输。 

背景技术

基于互注入半导体激光器的混沌同步通信具有同时双向传输特性、高保密性，而多延时互注入半导体激光器系统则是实现多信道混沌同步通信的优选系统之一，其中关键问题在于多延时互注入条件下稳定高品质的混沌同步的实现。关于多延时互注入系统的同步近期始有报道(A.Englert，W.Kinzel，et a1.Zero lag synchronization of chaotic systems with time delayed couplings，Physic Review Letters 104，114102，2010；M.Zigzag，M.Butkovshi，A.Englert，etal.Zero-lag synchronization and multiple time delays in two coupled chaotic systems，Physics Review E 81，036215，2010)，但其混沌同步要求反馈参量和互注入参量满足严格数学关系，且产生的混沌信号是低频振荡混沌信号，同步品质在混沌信号强度下降的时间内会降低，很难应用于信息的传输，这些因素严重限制了基于多延时互注入系统的混沌同步通信的实现和现实应用。 

实用新型内容

鉴于以上陈述的已有系统的不足和拟采用系统技术的固有优点，本实用新型的目的是提供一种原理简单，容易实现的多信道混沌同步通信系统，为更复杂的混沌网络通信提供一种雏形系统。 

本实用新型的目的是通过如下手段来实现的。 

一种简单拓扑结构的多信道混沌同步通信系统，其特征在于：由一个工作在混沌状态的外腔半导体激光器、两个通过n条双向光纤支路连接的互注入半导体激光器、n条不同长度的光纤、光耦合器、光隔离器、光环形器、光电检测器以及调制解调器组成；在两个半导体激光器之间实现稳定高品质的实时混沌同步和双向多信道混沌通信；使用相同的外部混沌光信号对两多延时互注入激光器实施单向注入，在两多延时互注入激光器之间实现稳定高品质的实时混沌同步；每条互注入光纤支路上均可实现同时双向的信息传送，通过n条双向支路连接的半导体激光器之间可同时进行2n个信息的传送。 

一种简单拓扑结构的多信道混沌同步通信系统，由一个工作在混沌状态的外腔半导体激光器、两个通过n条双向光纤支路连接的互注入半导体激光器、光纤、耦合器、光隔离器、光环形器、光电检测器以及调制解调器组成；包含如下的处理步骤：外腔激光器被视为驱动激光器DSL，其输出的混沌光被均匀地分成两部分，分别通过两条相同单向光纤支路注入到激光器SL1和SL2中；所述的激光器SL1和SL2之间由n条不同延时的双向链路连接；调节单向支路的注入强度，使其注入-锁定效应足够强，驱使SL1和SL2的输出之间达到实时混沌同步；基于此，在所述的每条双向支路两端对SL1和SL2产生的混沌载波进行外部调制，可将2n个信息加载到混沌载波中；相应地，在每条双向支路两端利用SL1和SL2产生的混沌载波对接收的已调混沌载波进行相应的解调，可同时解调出2n个信息；从而实现简单SL结构中的多信道混沌通信。 

经过如上的设计后，用相同的外部混沌光对多延时互注入半导体激光器实施单向注入，利用该注入的注入-锁定效应，可获得稳定高品质的实时混沌同步； 在每条双向支路两端将信息加载至多延时互注入激光器产生的混沌载波中，可实现多信息的同时双向传输，即在简单SL结构中实现多信道混沌同步通信。 

在实际使用上本实用新型具有如下优点：(1)操作简单，只需要适当地调节单向支路的注入强度，即可方便地实现多延时互注入激光器系统的实时混沌同步；(2)由于引入了额外的注入-锁定效应，本实用新型中的混沌同步具有优越的噪声鲁棒性，参数失配鲁棒性以及频率失谐容忍性；(3)具有多信息同时双向传输的功能，为多信道混沌同步通信开辟了一种新的方式，也为实现混沌通信网络提供了一种可行的系统方案。 

附图说明 

图1本实用新型系统的系统示意图。 

图2SL1(第一行)和SL2(第二行)的输出强度。 

图3SL1端通过双向支路1传输的信息m₁₁(第一行)和通过双向支路2传输的信息m₁₂(第二行)。 

图4SL2端通过双向支路1传输的信息m₂₁(第一行)和通过双向支路2传输的信息m₂₂(第二行)。 

图5SL1端双向支路1和2上的已调混沌载波P_11m(t）(第一行)和P_12m(t）(第二行)。 

图6SL2端双向支路1和2上的已调混沌载波P_21m(t）(第一行)和P_22m(t）(第二行)。 

图7SL1从双向支路1和2解调出的信息m′₂₁(第一行)和m′₂₂(第二行)。 

图8SL2从双向支路1和2解调出的信息m′₁₁(第一行)和m′₁₂(第二行)。 

其中，单向支路注入强度取值为60ns^-1，双向支路1和双向支路2的互注入强度都 为8ns^-1，对应的互注入延时分别为5ns和10ns。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施作进一步的描述。 

如图1所示，本实用新型系统由驱动激光器DSL，多延时互注入激光器SL1和SL2，外部光调制器M，光电检测器PD，解调器D，光纤链路，光耦合器OC，光隔离器OI以及光环形器组成。 

在图1中，适当调节驱动激光器DSL的外部反射镜R的反射率和位置，可使DSL工作在混沌状态。两多延时互注入激光器SL1和SL2通过n条双向光纤支路连接，在DSL输出的单向驱动下，SL1和SL2能很容易地工作在混沌状态，同时在该单向驱动的注入-锁定效应作用下，对称注入的SL1和SL2之间可以很容易地实现实时混沌同步。在所述的每条双向支路的两端，采用一个调制/解调模块将待传送的信息调制到混沌载波中，同时从接收到的混沌载波中解调出对面激光器通过该支路传送的信息。所有信息的调制都采用混沌调制方式，双向支路X上的信息调制的数学描述为 

SL1端信息m_1X的调制：SL1通过双向支路X传向SL2的已调混沌载波为 

P_1Xm(t)＝P₁(t)[1+δ_1Xm_1X(t)]    (1) 

SL2端信息m_2X的调制：SL2通过双向支路X传向SL1的已调混沌载波为 

P_2Xm(t)＝P₂(t)[1+δ_2Xm_2X(t)]    (2) 

SL1端信息m_2X的解调：SL1从双向支路X解调出的信息为 

${m^{\′}}_{2X}\left(t\right)=\mathrm{LPF}\left\{\frac{1}{{\mathrm{\δ}}_{2X}}\right[\frac{P_{2\mathrm{Xm}}\left(t\right)}{P_1\left(t\right)}-1\left]\right\}---\left(3\right)$

SL2端信息m_1X的解调：SL2从双向支路X解调出的信息为 

${m^{\′}}_{1X}\left(t\right)=\mathrm{LPF}\left\{\frac{1}{{\mathrm{\δ}}_{1X}}\right[\frac{P_{1\mathrm{Xm}}\left(t\right)}{P_2\left(t\right)}-1\left]\right\}---\left(4\right)$

上述式子中，下标1，2分别表示半导体激光器SL1，SL2；下标m表示调制后的混沌载波；下标X表示双向支路X；P(t)为激光器输出光强度；m_1X(t)，m_2X(t)，分别表示信息SL1和SL2通过支路X传向对方的源信息，δ_1X，δ_2X为它们对应的调制深度，通常取值10％以下；m′_1X(t)，m′_2X(t)表示信息m_1X(t)和m_2X(t)对应的解调信息；LPF表示用一截止频率等于信息比特率的低通滤波器对解调运算以后的结果进行滤波，消除噪声等的影响。 

下面以两条双向支路连接SL1和SL2为例，举例分析本实用新型系统的同步性能，验证其多信道混沌同步通信能力。具体系统参量为：激光器工作波长为1550nm，工作偏置电流为42mA，DSL的反馈强度和反馈延时分别为20ns^-1和5ns，SL1和SL2之间双向支路1的注入延时为5ns，双向支路2的注入延时为10ns，单向支路的注入延时设为0ns，调制深度为δ₁₁＝δ₁₂＝δ₂₁＝δ₂₂＝0.02，信息为二进制随机序列。 

图2至图8给出了本实用新型系统中的多信道同步通信过程，其中SL1通过双向支路1和双向支路2向SL2传送的信息速率分别为1Gbit/s和2Gbit/s，SL2通过双向支路1和双向支路2向SL1传送的信息速率分别为3Gbit/s和4Gbit/s。如图2所示，SL1和SL2均工作在混沌状态，且它们的输出完全相同，实时同步；分别用如图3所示的随机二进制序列m₁₁(1Gbit/s)和m₁₂(2Gbit/s)对SL1输出的混沌载波进行外部调制，得到如图5所示的已调混沌载波；另一方面，用如图4所示的随机二进制序列m₂₁(3Gbit/s)和m₂₂(4Gbit/s)对SL2输出的混沌载波进行外部调制，得到如图6所示的已调混沌载波；可以看出调制以后的混沌载波和初始混沌载波[图2]差别很小，说明信息能被很好地隐藏在混沌载波中；最后， 通过式(3)-(4)描述的解调方法，SL1恢复出的双向支路1和2传输信息m′₂₁和m′₂₂如图7所示；SL2恢复出的双向支路1和2传输信息m′₁₁和m′₁₂如图8所示；结果表明，SL1和SL2之间可成功地实现多信息的同时双向传输，即实现了多信道混沌同步通信。 

综合以上陈述，本实用新型具有如下特征：1)在适当的单向注入条件下，多延时互注入半导体激光器之间可以很容易地实现稳定高品质的实时混沌同步，原理简单，操作方便，且实现的混沌同步具有良好的噪声鲁棒性、参数失配鲁棒性以及频率失谐鲁棒性；2)支持简单拓扑结构条件下的多信道混沌同步通信，可以大大地提高系统的传输容量；3)本实用新型具有较强的可扩展性，其原理可用于实现更复杂的多信道混沌通信系统；4)本实用新型的同步和通信原理不仅仅适用于混沌半导体激光器系统，对其它形式的混沌系统同样适用。 

以上所陈述的仅仅是本实用新型方法的优选实施方式，应当指出，在不脱离本实用新型方法物理原理的前提下，在实际实施中可以做出若干更改和润色(比如采用其它调制/解调方法、将单路信息通过串并转换以后在多条双向支路上传输、采用自由空间链路取代光纤链路完成本系统、以及采用电路或其它形式的混沌系统等)也应包含在本实用新型的保护范围以内。 

Claims (3)

1.一种简单拓扑结构的多信道混沌同步通信系统，其特征在于：由一个工作在混沌状态的外腔半导体激光器、两个通过n条双向光纤支路连接的互注入半导体激光器、n条不同长度的光纤、光耦合器、光隔离器、光环形器、光电检测器以及调制解调器组成；在两个半导体激光器之间实现实时混沌同步和双向多信道混沌通信。

2.根据权利要求1所述的一种简单拓扑结构的多信道混沌同步通信系统，其特征在于，使用相同的外部混沌光信号对两多延时互注入激光器实施单向注入，在两多延时互注入激光器之间实现实时混沌同步。

3.根据权利要求1所述的一种简单拓扑结构的多信道混沌同步通信系统，其特征在于，每条互注入光纤支路上均可实现同时双向的信息传送，通过n条双向支路连接的半导体激光器之间可同时进行2n个信息的传送。 

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