一种基于异构时延耦合环形网络的多路无时延特征激光混沌信号产生装置的制作方法

一种基于异构时延耦合环形网络的多路无时延特征激光混沌信号产生装置属于通信技术领域，具体涉及一种无时延特征激光混沌信号的产生方法。

背景技术：

半导体激光器是激光混沌通信系统领域极具竞争力的混沌光源之一。目前，有多种混沌时间序列分析方法，诸如自相关分析方法、互相关分析方法以及排列熵函数分析方法等，均能通过分析激光混沌时间序列获取激光混沌系统的时延特征，从而降低了混沌通信系统的安全性，因此，产生无时延特征的激光混沌信号成为一个极有吸引力的研究热点。

就目前的研究进展而言，主要是通过单个混沌激光器或互注入激光器系统实现无时延混沌激光器输出。需要指出的是：现有混沌光源系统实现无时延混沌激光输出的参数空间受限，严重影响了激光混沌保密通信系统的密钥空间，威胁了混沌同步通信系统的安全性。

技术实现要素：

鉴于以上陈述的已有技术的不足，本发明旨在提供一种能在大参数空间范围内连续可调的无时延混沌激光产生装置。

本发明的目的是通过如下手段来实现的。

一种基于异构时延耦合环形网络的多路无时延特征激光混沌信号产生装置，其特征在于，是一种采用三个半导体激光器，通过使用不等长度的光纤跳线作为耦合链路实现三个激光器间的两两互耦合，形成双向注入异构时延环形网络，产生三路无时延特征的激光混沌信号；该装置包括：三台半导体激光器及其对应的电流源与高精度温度控制器，偏振控制器、光纤耦合器、可调光衰减器，以及长度不等的单模光纤跳线；处理步骤包括：通过调节三台激光器对应的温度控制器，使得三台激光器的工作频率尽量接近以增加耦合效率，激光器L1的输出通过偏振控制器PC1后进入光纤耦合器C1的1端口并一分为二，其中一路经由C1的2端口及跳线J1进入到光纤耦合器C2的2端口，经由C2的1端口，再通过偏振控制器PC2最终注入到激光器L2，另外一路经由C1的3端口及跳线J2进入到光纤耦合器C3的2端口，再通过偏振控制器PC3最终注入到激光器L3；类似地，L2激光器的输出经过不同的链路注入到L1和L3激光器；L3激光器的输出也分别注入到L1和L2激光器。通过调节三个可调光衰减器控制两两激光器之间的耦合光功率，使得各台激光器均产生混沌信号。

经过以上设计后，通过合理设置三台半导体激光器之间的三条耦合链路长度，形成异构时延双向注入环形网络，只需调节可调光衰减器，控制两两激光器间的耦合光功率，或者调节激光器的电流源，控制三台激光器的工作电流，或者通过调节温度控制器调谐三台激光器的工作频率失谐，就能并行输出三路无时延特征的激光混沌信号。

本发明基于异构时延耦合环形网络的多路无时延特征激光混沌信号产生装置和已见报道的无时延特征激光混沌信号产生装置相比有如下优点：可同时实现三路无时延特征的激光混沌信号输出，无时延特征的混沌激光信号可在大参数空间范围内连续可调，无时延特征的混沌激光信号对频率失谐不敏感，对温度等要求不高，利于实现。

附图说明如下：

图1.本发明装置的系统框图。

图2.三台激光器输出混沌信号的时序图。

图3.三台激光器输出混沌信号的自相关函数图。

图4.不同频率失谐条件下，时延邻域内自相关函数的最大值ρ_m随着耦合强度的演化规律图。

图5.时延邻域内自相关函数的最大值ρ_m在耦合强度及频率失谐二维参数空间的演化规律图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述。

如图1所示，本发明方案由三个半导体激光器，三个偏振控制器，三个光纤耦合器，三个可调光衰减器，和三根不等长度的光纤跳线构成。在图1中，半导体激光器的工作波长为λ＝1550nm，工作电流均设置为25mA，三个激光器输出的混沌信号的强度可表示为I_m＝|E_m(t)|²，其中下标m＝1，2，3分别表示三台激光器L1，L2和L3，E_m(t)为光场的电场强度。f_m为激光器的中心波长对应的工作频率，Δf_mn＝f_m-f_n为两激光器间的频率失谐，可通过温度控制器精确调控。假定激光器L1到L2间的耦合强度为k₁₂＝k₂₁，耦合链路对应的耦合时延为τ₁₂＝τ₂₁，激光器L1到L3间的耦合强度为k₁₃＝k₃₁，耦合链路对应的耦合时延为τ₁₃＝τ₃₁，激光器L2到L3间的耦合强度为k₂₃＝k₃₂，耦合链路对应的耦合时延为τ₂₃＝τ₃₂。为了方便，假定各链路的耦合强度相等即k₁₂＝k₁₃＝k₂₃＝k_r。针对异构时延耦合网络，三个耦合时延值满足τ₁₂≠τ₁₃≠τ₂₃。

自相关函数分析法是用于分析混沌信号时延特征的常用方法之一，对于异构时延耦合互注入环形激光器网络的混沌信号进行自相关分析，数学表达式如下：

其中<·>表示求平均值。如果在自相关函数中，在三个时延值及其时延差值附近存在明显的极值，则说明该系统无法隐藏时延特征。相反，如果在各个时延附近均无显著峰值，那么说明在该系统中时延特征被成功隐藏。

下面以耦合强度选择为k₁₂＝k₁₃＝k₂₃＝k_r＝25ns^-1，且考虑三台激光器的工作频率相等即Δf₁₂＝Δf₁₃＝0，三个耦合时延分别为τ₁₂＝2ns，τ₁₃＝2.2ns，τ₂₃＝1.6ns，举例说明异构时延耦合互注入环形激光器网络的混沌信号的时延特征。如图2所示，三台激光器的输出输出信号均为混沌信号，且可直观看出这三个混沌信号彼此不相同。通过对三个混沌信号分别做自相关分析，从图3可以看出，除了0时刻外，自相关函数中不再存在任何显著峰值，说明三个激光器输出的混沌信号均能有效隐藏时延特征。

为了更好地量化激光混沌信号的时延特征随可控参数的变化规律，定义包含了各个时延值、时延差值及其低阶倍数时延值在内的时延邻域W(T)＝[1ns，10ns]，并提取该时延邻域内自相关函数的最大值为ρ_m。显然，ρ_m越小对应着更好的时延隐藏效果。

图4以ρ₁为例，举例说明了不同的频率失谐条件下时延特征随耦合强度k_r的变化规律。从图中可以看出，异构时延耦合互注入环形激光器网络中，时延特征对频率失谐不敏感，不同频率失谐条件对应的时延特征曲线无明显差异，均能在大范围的耦合强度值条件下实现时延信息的有效隐藏。

假定Δf₁₃＝0，图5进一步给出了ρ_m在耦合强度k_r和频率失谐Δf₁₂构成的二维参数空间内的演化规律，图中不同的颜色表征不同的ρ_m值。为了突出本发明的优势，图5中(a)(b)(c)图为互注入环形网络为等时延耦合且均为2ns的情况，其余参数均与异构时延耦合网络相同。从图5可以看出，等时延耦合网络只在耦合强度较小时可实现无时延特征混沌信号输出。与等时延耦合网络相比，异构时延耦合情况下则可在更大的参数空间范围内得到较小的ρ_m值，即异构时延耦合网络表现出更优异的时延隐藏性能。

综合以上陈述，本发明具有如下特征：1).基于三个半导体激光器构建了互注入环形激光器网络；2).互注入环形激光器网络的三条耦合链路时延不相等；3).可以同时实现三路无时延特征的激光混沌信号输出；4).三路无时延特征的激光混沌信号对频率失谐不敏感，可在大范围参数空间内连续可调实现，有利于提高基于半导体激光器的混沌通信系统的安全性。

以上所陈述的仅仅是本发明方法的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明方法实质的前提下，在实际实施中可以做出若干更改(比如改变注入电流的大小，改变耦合强度，改变耦合时延，改变频率失谐)也应包含在本发明的保护范围以内。