一种高带宽与时延标签隐藏的混沌激光产生方法和系统与流程

本发明涉及一种宽带混沌激光的产生方案，具体涉及一种高带宽与时延标签隐藏的混沌激光产生方法和系统。

背景技术：

混沌激光在保密通信、高速物理随机数产生以及高分辨率抗干扰雷达探测等领域具有重要的应用。将宽带大幅度的混沌激光作为掩藏信息的载波，再利用混沌同步进行信息解调，可以实现高速信息的加密通信；混沌激光因其高带宽、大幅度的类噪声特性，被用作新一代物理熵源以解决物理随机数实时生成速率不足的问题；利用宽带混沌激光作为信号源构建雷达系统，可有效提高目标探测的距离分辨率。

外腔半导体激光器由于结构简单、操作方便、易于集成等优点，成为混沌激光产生与应用最常见的光源。然而,经过深入研究后，学者们发现外腔半导体激光器产生的混沌激光存在一些缺陷:(1)外腔半导体激光器具有明显的弛豫振荡,从功率谱上观察,混沌激光的主要能量集中于弛豫振荡频率附近,因此限制了功率谱的有效带宽和平坦度；(2)由于外腔谐振的存在，导致产生的混沌信号自相关曲线在外腔周期处出现明显的相关峰,这种特征被称为时延标签；(3)外腔半导体激光器产生的混沌激光幅度振荡不均衡,幅值分布呈现明显的不对称。这些缺陷的存在限制了实际的应用。在保密通信中，弛豫振荡导致混沌激光带宽仅为数ghz，这种有限的带宽将限制混沌光通信的传输速率；同时时延特征泄露了外腔长度,导致截获方能利用这一关键结构信息重构混沌载波信号,进而破解传输的信息,削弱了通信系统的安全性。在物理随机数产生中,有限的熵源带宽限制了产生的物理随机数的速率；时延特征与非对称幅值分布分别恶化了0、1比特的随机性与均衡比,需要利用复杂的后续处理进行优化。在雷达探测方面,有限的带宽限制了混沌激光探测距离分辨率的提升；时延特征也降低了雷达系统的安全性与抗干扰能力。

技术实现要素：

针对上述问题,本发明提出一种宽带混沌激光的产生方法。该方法产生的混沌信号具有高宽带的功率谱与对称的幅值分布,并且能有效抑制时延标签。

为实现上述发明目的，本发明提出一种高带宽与时延标签隐藏的混沌激光产生方法，具体的，在传统外腔半导体激光器(ecsl)的反馈回路中，依次加入相位调制模块和延时干涉仪；所述延时干涉仪的输出光被分为两路：一路作为反馈光经过衰减器后注入回激光器；另一路进一步被分为两子路：一子路经过光电探测器转换为电域混沌信号，所述电域混沌信号经过放大器放大后作为所述相位调制模块的射频输入，形成自混沌相位调制；另一子路作为最终产生的宽带混沌激光。

优选的，dfb激光器的输出光经过一个光环形器后输入到相位调制模块中进行电光相位调制，相位调制模块的输出光输入至一个由两段不同长度光纤组成的延时干涉仪。

优选的，延时干涉仪的输出经光耦合器分成两部分。

优选的，延时干涉仪的输出一路经过衰减器和光环形器然后注入回激光器，作为反馈光信号。

优选的，相位调制模块为普通电光相位调制器。

优选的，相位调制模块可以采用马赫-曾德尔调制器(mzm)或电光相位调制器。

优选的，所述延时干涉仪可以采用马赫-曾德尔干涉仪(mzi)、偏振干涉仪、sagnac干涉仪、迈克尔逊(michelson)干涉仪或法布里-珀罗(fabry-perot)干涉仪。

同时，本发明还提出一种高带宽与时延标签隐藏的混沌激光产生系统，所述系统包括第一信号回路和第二信号回路：第一信号回路包括dfb激光器、光环形器、相位调制器、延时干涉仪和光衰减器；第二信号回路是由光电探测器和电子放大器构成的射频信号回路；

dfb激光器的输出光经过一个光环形器后输入到相位调制器中进行电光相位调制，相位调制器的输出光输入至一个由两段不同长度光纤组成的延时干涉仪，该延时干涉仪的输出经光耦合器分成两部分；其中一部分依次经过衰减器和光环形器然后注入回激光器，作为反馈光信号；另一部分再次经过光耦合器分为两子路光信号：其中一子路作为最终产生的宽带混沌激光，另一子路经过光电探测器转换为电信号，然后经过电子放大器放大后作为相位调制器的射频输入。

附图说明

图1本发明的结构示意图。

图2普通ecsl产生混沌信号的功率谱。

图3本发明提出方案产生混沌信号的功率谱。

图4普通ecsl产生混沌信号的幅值分布。

图5本发明提出方案产生混沌信号的幅值分布。

图6普通ecsl产生混沌信号的自相关函数。

图7普通ecsl产生混沌信号的延时互信息。

图8普通ecsl产生混沌信号的排列熵。

图9本发明提出方案产生混沌信号的自相关函数。

图10本发明提出方案产生混沌信号的延时互信息。

图11本发明提出方案产生混沌信号的排列熵。

图中：dfb：dfb激光器；pm：相位调制器；oc：光环形器；pc,偏振控制器；fc：光纤耦合器；pd：光电探测器；amp:电子放大器；dl：光纤延时线；voa：可调光衰减器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图，对本发明的方案作进一步地详细描述。

如图1所示，本发明提出的方案包括第一信号回路和第二信号回路：第一信号回路是由dfb激光器、光环形器、相位调制器和延时干涉仪mzi；第二信号回路是由光电探测器和电子放大器构成的射频信号回路。

dfb激光器的输出光经过一个光环形器后输入到相位调制器中进行电光相位调制，相位调制器的输出光输入至一个由两段不同长度光纤组成的延时干涉仪，该延时干涉仪的输出经光耦合器分成两部分。其中一部分依次经过衰减器和光环形器然后注入回激光器，作为反馈光信号；另一部分再次经过光耦合器分为两路光信号：其中一路作为最终产生的宽带混沌激光，另一路经过光电探测器转换为电信号，然后经过电子放大器放大后作为相位调制器的射频输入。

本发明所提出的宽带混沌激光产生方案有以下益处：(1)拥有高带宽，频谱平坦度高；(2)消除了外腔半导体激光器由外腔反馈引起的时延特征；(3)幅值分布的对称性明显得到改善。因此，将其应用于保密通信中，能提高传输速率和混沌载波的安全性。将该宽带混沌应用于随机数中，作为随机数发生器的物理熵源，能提升产生随机数的速率，并且不需要复杂的后处理方法来消除时延特征的影响。另外采用该宽带混沌信号能提升雷达探测的距离分辨率，同时时延特征的消除提高了雷达系统的安全性与抗干扰能力。

实施例

图2-5展示了混沌激光带宽增强和幅值分布改善的实现。我们采用功率谱能量的80％作为有效带宽。如图2所示，一般ecsl产生的混沌信号，由于主要的频率成分集中在弛豫震荡频率附近，有效带宽通常只有几ghz。如图3所示，通过本发明提出的方案，功率谱明显被展宽，有效带宽提升至26ghz。此外，这里结果中的有效带宽主要受限于实验中电子器件(光电探测器和电缆)的带宽。因此，当使用带宽更高的电子器件，实际混沌信号的带宽会更宽。另外，如图4所示，一般ecsl输出的混沌信号，其幅值分布函数呈现明显的不对称性，这种不对称具体体现在振荡幅度并不关于均值对称。如图5所示，由发明提出的方案产生的混沌信号，幅值分布得到明显改善，呈现出类高斯分布的对称分布。

图6-11展示了时延标签消除的实现，我们采用自相关函数(acf)、延时互信息(dmi)和排列熵(pe)来对比消除的结果。如图6-8所示，对于一般ecsl产生的混沌信号，在反馈延时处出现了明显的相关峰。如图9-11所示，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。

综上所述，本发明所提出的宽带混沌激光产生方案有以下益处：(1)拥有高带宽，频谱平坦度高；(2)消除了外腔半导体激光器由外腔反馈引起的时延特征；(3)幅值分布的对称性明显得到改善。因此，将其应用于保密通信中，能提高传输速率和混沌载波的安全性。将该宽带混沌应用于随机数中，作为随机数发生器的物理熵源，能提升产生随机数的速率，并且不需要复杂的后处理方法来消除时延特征的影响。另外采用该宽带混沌信号能提升雷达探测的距离分辨率，同时时延特征的消除提高了雷达系统的安全性与抗干扰能力。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/和”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出多个变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。