一种能隐藏延时特征并提高其带宽的混沌激光产生装置

摘要

一种能隐藏延时特征并提高其带宽的混沌激光产生装置，该装置中主激光器产生的激光经过第一偏振控制器后进入第一光环形器的端口2，从第一光环形器的端口3输出的光经过光纤耦合器分成两束，一束经过相位调制器、第一可调光衰减器以及第二偏振控制器进入第一光环形器的端口1，从第一光环形器的端口2反馈回主激光器中；另一束光经过第二可调光衰减器、光隔离器进入到第二光环行器的端口1，从第二光环行器的端口2输出的光经过第三偏振控制器注入到从激光器，从激光器输出的激光经过第三偏振控制器进入第二光环行器的端口2，从第二光环行器的端口3输出的光经过光电探测器输入到示波器中。该装置可以完成抑制混沌激光的延时特征并提高其带宽。

说明书

技术领域

本实用新型属于混沌激光技术领域，具体涉及一种能隐藏延时特征并提高其带宽的混沌激光产生装置，该装置可以直接应用于信息安全领域。

背景技术

半导体激光器处于混沌的动力学状态时能输出混沌激光。混沌激光具有随机和宽频谱等特性，可以用于混沌保密通信和物理随机数的熵源等信息安全领域。

随着现有分析混沌时间序列技术的提高，窃密者能根据混沌激光中的延时特征(time delay signature，TDS)对混沌载波信号进行重构，这就降低了混沌保密通信的安全性；在物理随机数发生器中，TDS呈现的弱周期性将导致随机码也具有弱周期性，从而降低了随机码的统计性能。另外，混沌载波信号的带宽对信息信号的传输速率起决定作用。因此，对TDS的有效抑制和提高带宽相结合的混沌激光的产生装置能够增强基于混沌保密通信的安全性和传输能力，成为混沌激光领域的研究热点。

近年来，研究隐藏混沌激光的延时特征的方案较多，但同时研究混沌激光的带宽和延时特征的很少，实验研究几乎没有。如：西南大学潘炜等人发表了《一种能隐藏反馈时延特征的激光混沌信号产生装置》的专利(申请号：201110236847.6；授权公告号：CN102347590 B)，该专利通过在反馈腔内加可调偏振片隐藏混沌激光的延时特征，但没有研究其带宽。又如：四川科技大学江宁等人发表了《一种混沌激光光源》的专利(申请号：201710009936.4；授权公告号：CN 106785816 B),该专利也是隐藏混沌激光的延时特征，但没有研究其带宽。长春理工大学冯玉玲(本申请发明人)等人发表了《半导体激光器输出混沌光的延时特性和带宽》的文章，虽然同时研究了延时特征的抑制和带宽的提高，但带宽的结果没有达到10GHz,并且只是仿真研究。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种能隐藏延时特征并提高其带宽的混沌激光产生装置，该装置对混沌激光可以完成抑制延时特征并提高其带宽，同时混沌激光的3dB带宽可以超过10GHz，产生的混沌激光在保密通信和物理随机数的产生等领域有重要的应用价值。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种能隐藏延时特征并提高其带宽的混沌激光产生装置，包括主激光器、第一偏振控制器、第一光环形器、光纤耦合器、第二偏振控制器、第一可调光衰减器、相位调制器、第二可调光衰减器、光隔离器、第二光环形器、第三偏振控制器、从激光器、光电探测器、示波器；

其中，所述主激光器及从激光器内部不含隔离器，使反馈光和注入光能分别进入主激光器和从激光器；所述主激光器与第一偏振控制器连接，所述第一偏振控制器与第一光环形器的端口2连接；所述第一光环形器的端口1与第二偏振控制器连接，第一光环形器的端口3与光纤耦合器连接；所述第二偏振控制器与第一可调光衰减器连接；所述第一可调光衰减器与相位调制器连接；所述光纤耦合器用于将输入的光分成两束，光纤耦合器的两个端口分别与相位调制器、第二可调光衰减器连接；所述第二可调光衰减器与光隔离器连接；所述光隔离器与第二光环形器的端口1连接；所述第二光环形器的端口2与第三偏振控制器连接，第二光环形器的端口3与光电探测器连接；所述第三偏振控制器与从激光器连接；所述光电探测器与示波器连接；主激光器产生的激光经过第一偏振控制器后进入第一光环形器的端口2，从第一光环形器的端口3输出的光经过光纤耦合器分成两束，其中一束经过相位调制器、第一可调光衰减器以及第二偏振控制器进入第一光环形器的端口1，再从第一光环形器的端口2反馈回主激光器中；另一束光经过第二可调光衰减器、光隔离器进入到第二光环行器的端口1，从第二光环行器的端口2输出的光经过第三偏振控制器注入到从激光器，从激光器输出的激光经过第三偏振控制器进入第二光环行器的端口2，从第二光环行器的端口3输出的光经过光电探测器，再经过射频电缆输入到示波器中。

作为本实用新型的优选，所述相位调制器的驱动端口与微波放大器连接，所述微波放大器与任意波信号发生器连接，相位调制器的驱动信号由任意波信号发生器产生，任意波信号发生器产生的伪随机信号经过射频电缆输入到微波放大器，经过微波放大器的放大使信号Vpp达到驱动相位调制器的条件，被放大后的信号再经过射频电缆输入到相位调制器的驱动端口，作为其驱动信号。

作为本实用新型的优选，所述主激光器、从激光器为不带光隔离器的分布反馈半导体激光器。

作为本实用新型的优选，所述第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器采用的是光纤环形偏振控制器，含3个光纤环，通过调节三个光纤环的角度实现对输出光的偏振态的调节。

作为本实用新型的优选，所述第一光环形器、第二光环形器为3端口的具有非互易特性的无源光器件，光信号由任一端口输入时，都能按数字从小到大的顺序从下一端口以很小的损耗输出，而该端口通向其他端口的损耗都很大，称为不相通端口。

作为本实用新型的优选，所述第一可调光衰减器，用于调节主激光器外腔反馈光强的大小；所述第二可调光衰减器，用于调节主激光器对从激光器注入光强的大小；所述光隔离器，只允许光单向通过，用于隔离通过光纤回波反射的光，防止光的反向传输；所述相位调制器，用于使光波发生相位移动，实现相位调制；所述光电探测器，用于将输入的光信号转变成电信号。

作为本实用新型的优选，所述光耦合器为单模光纤耦合器，所述相位调制器为电光相位调制器。

作为本实用新型的优选，所述任意波信号发生器，用于输出任意波信号；所述微波放大器，用于提高任意波发生器产生的伪随机信号序列的幅值，使其幅值达到达到±4V。

本实用新型的优点和有益效果：本实用新型提供混沌激光产生装置的结构简单，该装置对混沌激光可以同时完成抑制延时特征并提高其带宽，同时混沌激光的3dB带宽可以超过10GHz，产生的混沌激光在保密通信和物理随机数的产生等领域有重要的应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型混沌激光产生装置的结构示意图；

图2为注入光强等于90μW时对应的自相关函数曲线；

图3为注入光强等于120μW时对应的自相关函数曲线；

图4为注入光强等于90μW时对应的功率谱；

图5为注入光强等于120μW时对应的功率谱；

图6为延时特征值β随注入光强的变化曲线；

图7为3dB带宽随注入光强的变化曲线。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“下”等指示的方位或位置关系为：基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

参阅图1，本实用新型提供的一种能隐藏延时特征并提高其带宽的混沌激光产生装置，包括主激光器M-DFB-SL、第一偏振控制器PC1、第一光环形器OC1、光纤耦合器FC、第二偏振控制器PC2、第一可调光衰减器VA1、相位调制器PM、微波放大器Amplifier、任意波信号发生器AWG、第二可调光衰减器VA2、光隔离器ISO、第二光环形器OC2、第三偏振控制器PC3、从激光器S-DFB-SL、光电探测器PD、示波器OSC；

其中，所述主激光器M-DFB-SL和从激光器S-DFB-SL为不带光隔离器的分布反馈半导体激光器，该激光器在外界偏置电流作用下能输出激光，且反馈光和注入光能分别进入主激光器和从激光器；

所述第一偏振控制器PC1、第二偏振控制器PC2、第三偏振控制器PC3采用的是光纤环形偏振控制器，含3个光纤环，通过调节三个光纤环的角度实现对输出光的偏振态的调节；

所述第一光环形器OC1、第二光环形器OC2为3端口的具有非互易特性的光器件，光信号由任一端口输入时，都能按数字从小到大的顺序从下一端口以很小的损耗输出，而该端口通向其他端口的损耗都很大，成为不相通端口，要求光环形器相通端口间的插入损耗小(例如1至2dB)，不相通端口间的隔离度大(例如30dB)；

所述第一可调光衰减器VA1，用于调节主激光器外腔反馈光强的大小，所述第二可调光衰减器VA2，用于调节主激光器对从激光器注入光强的大小；

所述光耦合器FC为单模光纤耦合器，用于实现光信号功率在不同光纤间的分配；

所述光隔离器ISO，只允许光单向通过，用于隔离通过光纤回波反射的光，防止光的反向传输；

所述相位调制器PM为电光相位调制器，用于使光波发生相位移动，实现相位调制；

所述微波放大器Amplifier，用于提高任意波发生器产生的伪随机序列信号的幅值，使其幅值达到达到±4V；

所述任意波信号发生器AWG，用于输出任意波信号；

所述主激光器M-DFB-SL与第一偏振控制器PC1连接，所述第一偏振控制器PC1与第一光环形器OC1的端口2连接；所述第一光环形器OC1的端口1与第二偏振控制器PC2连接，第一光环形器OC1的端口3与光纤耦合器FC连接；所述第二偏振控制器PC2与第一可调光衰减器VA1连接；所述第一可调光衰减器VA1与相位调制器PM连接；所述相位调制器PM的驱动端口与微波放大器Amplifier连接，所述微波放大器Amplifier与任意波信号发生器AWG连接；所述光纤耦合器FC用于将输入的光分成两束，光纤耦合器FC的两个端口分别与相位调制器PM、第二可调光衰减器VA2连接；所述第二可调光衰减器VA2与光隔离器ISO连接；所述光隔离器ISO与第二光环形器OC2的端口1连接；所述第二光环形器OC2的端口2与第三偏振控制器PC3连接，第二光环形器OC2的端口3与光电探测器PD连接；所述第三偏振控制器PC3与从激光器S-DFB-SL连接；所述光电探测器PD与示波器OSC连接；

所述主激光器M-DFB-SL产生的激光经过第一偏振控制器PC1后进入第一光环形器OC1的端口2，从第一光环形器OC1的端口3输出的光经过光纤耦合器FC分成两束，其中一束经过相位调制器PM、第一可调光衰减器VA1以及第二偏振控制器PC2进入第一光环形器OC1的端口1，再从第一光环形器OC1的端口2反馈回主激光器M-DFB-SL中，这部分光路为主激光器的反馈腔；其中，所述相位调制器PM的驱动信号是由任意波信号发生器AWG产生的，AWG产生的伪随机信号，经过射频电缆输入到微波放大器Amplifier，经过微波放大器Amplifier的放大使信号Vpp达到驱动相位调制器PM的条件，被放大后的信号再经过射频电缆输入到相位调制器PM的驱动端口，作为其驱动信号；另一束光经过第二可调光衰减器VA2、光隔离器ISO进入到第二光环行器OC2的端口1，从第二光环行器OC2的端口2输出的光经过第三偏振控制器PC3注入到从激光器S-DFB-SL，这部分光路实现了主激光器对从激光器的外光注入，从激光器S-DFB-SL输出的激光经过第三偏振控制器PC3进入第二光环行器OC2的端口2，从第二光环行器OC2的端口3输出的光经过光电探测器PD把光信号转化为电信号，再经过射频电缆输入到示波器OSC中。

本实施例中所述主激光器M-DFB-SL和从激光器S-DFB-SL具体采用的为北京科扬光电技术有限公司生产的型号为KY-DFB-1550-10-FA的分布反馈半导体激光器模块，激光器的线宽为5MHz；

所述第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器采用的是天津峻烽科技有限公司生产的偏振控制器；

所述第一光环形器OC1、第二光环形器OC2采用的是天津峻烽科技有限公司生产的光环形器，该光环形器是一种三端口的具有非互易特性的无源光器件，光信号由任一端口输入时，都能按图1所示的数字顺序从下一端口以很小的损耗输出，而该端口通向所有其他端口的损耗都很大，称为不相通端口；

所述光电探测器PD采用的是美国Newport公司生产的型号为1554-A的光电探测器，带宽为10kHz-12GHz；

所述第一可调光衰减器VA1、第二可调光衰减器VA2采用的是天津峻烽科技有限公司生产的可调光衰减器；可调光衰减器可以实现对光信号功率的衰减，本申请中利用第一可调光衰减器VA1和第二可调光衰减器VA2来分别调节反馈光和注入光的光强；

所述光隔离器ISO采用的是天津峻烽科技有限公司生产的光隔离器，ISO利用磁致旋光效应使光路中的光单向传输，防止光的反向传输；

所述微波放大器Amplifier采用的是北京科扬光电技术有限公司生产的型号为KY-WDA-10G-D的微波放大器，工作带宽为10GHz，输出幅度Vpp：8V；

所述任意波发生器AWG采用的是美国Tektronix公司生产的型号为AWG70002A的任意波发生器，采样速率为25GS/s；

所述相位调制器PM采用的是THORLABS公司生产的型号为LN53S-FC的电光相位调制器，其工作波长范围为1525nm-1605nm，3dB带宽大于10GHz；

所述示波器OSC采用的是美国Tektronix公司生产的型号为DSA71254C，带宽为12.5GHz的示波器；最大采样率为50GS/s。

本实用新型混沌激光产生装置的使用方法：

首先通过调节两个分布反馈半导体激光器中的温控电阻使两个分布反馈半导体激光器在孤立运行时的波长分别设置为1549.08nm和1549.16nm，同时调节泵浦电流将主激光器和从激光器的输出光功率设置为565μW和2.30mW，然后将两个激光器接入实验系统。通过设置使任意波信号发生器AWG产生：速率为10GS/s，幅值为±250mV,长度为10万的伪随机信号序列，经过微波放大器Amplifier放大后使信号Vpp达到8V,从而达到驱动相位调制器PM的条件，再输入到相位调制器PM的驱动端口，作为其驱动信号；然后通过调节第一偏振控制器PC1和第二偏振控制器PC2中三个光纤环的角度实现对输出光的偏振态的调节，分别使反馈回主激光器和注入到从激光器的光强为最大，通过旋进或旋出第一可调光衰减器VA1的旋钮来调节其对光强衰减的大小，从而实现对主激光器外腔反馈光强大小的调节，用光功率计测量得出主激光器的反馈光强约为85.25μW；再通过旋进或旋出第二可调光衰减器VA2的旋钮来调节其对光强衰减的大小，从而实现主激光器对从激光器注入光强大小的调节；本申请通过合理地调节主激光器反馈光强的大小，使主激光器输出混沌光信号，然后再通过调节对从激光器注入光强的大小，即能获得对TDS的有效抑制和提高带宽相结合的混沌激光。

本实施例中利用示波器OSC观察从激光器在不同的注入光强(取注入光强分别为90μW和120μW)和主激光器的反馈光强为85.25μW下的时间序列，发现时间序列的幅值都呈现无规则的起伏状态，说明该装置输出的是混沌激光。记录与OSC显示的时间序列对应的matlab格式的实验数据，数据长度为25000，然后利用matlab语言编程处理这些实验数据，能给出该装置输出混沌激光信号的自相关函数曲线(见图2、图3)和功率谱(见图4、图5，图中的虚线标示了混沌激光3dB带宽的值)以及延时特征值和3dB带宽随注入光强的变化曲线(见图6、图7)。

根据图2至图5可以看出，ACF曲线中的延时特征值β都远小于0.1，功率谱较平坦，这四个图即能表明此时系统输出的是宽带混沌激光，同时混沌激光的延时特征已经被有效地隐藏，所以实现了对混沌激光抑制延时特征并提高其带宽的目的。根据图6、图7可以看出，在有效抑制延时特征的同时混沌激光的3dB带宽可以超过10GHz。

另外，本申请通过对各部分的光路长度进行测量，计算得到主激光器反馈腔的延迟时间约为60ns，主激光器注入到从激光器的光其延迟时间约为50ns。

需要说明：本申请所采用的自相关函数分析法是分析混沌信号延时特征的常用方法之一，本申请利用从激光器输出光的自相关函数曲线中的局部极大值来定量表示混沌信号的延时特征值β，即TDS，一般认为β小于0.2时，自相关峰值较难辨别，即认为混沌激光的延时特征得到了较好的隐藏。

3dB带宽：指混沌激光信号的功率谱中峰值衰减3dB的带宽。本申请通过对示波器显示混沌激光信号强度时间序列的傅里叶变换，得到对应的功率谱(其横轴为频率，纵轴为强度，纵轴的单位取为dB)，找到功率谱曲线的峰值IP(即功率谱的最高点P对应的纵轴值)，再找到功率谱上纵轴值为IP-3，同时其横轴值比点P的横轴值大的点，该点的横轴值即为混沌激光信号的3dB带宽。

另外，需要特别说明:本实施例得到的混沌激光的最大带宽值受到实验器件，如光电探测器和示波器的技术参数(如带宽)的影响，如果所用仪器的带宽技术指标变大，则获得的混沌激光的最大带宽值会相应变大些。

最后应说明的是，以上各实施例仅用以说明本实用新型实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例方案的范围。