无时延特征的混沌激光产生装置的制作方法

本发明涉及光反馈混沌激光产生领域，具体为一种无时延特征混沌激光的产生装置。

背景技术：

混沌激光具有随机、频谱宽和类噪声的特点。因此，混沌激光被广泛应用于信息安全、随机数产生、混沌激光测距等领域。传统的混沌激光的产生方式有多种，如镜面光反馈混沌、光注入混沌和光电反馈混沌等。镜面光反馈混沌由于其装置简单和易操作被广泛用作混沌激光产生装置。然而，镜面光反馈混沌中固定的外腔反馈延时使其所产生的混沌激光在时序上带有弱周期性，相应的在相关曲线上出现反馈延时峰，称之为混沌信号的时延特征。这种时延特征不仅泄露了外腔长度信息、降低了混沌保密通信的安全性，还降低了混沌波形的随机性。

目前，已经有一些方案被提出来抑制时延特征。美国佐治亚理工学院d.rontani将外腔的谐振频率调整与激光器的弛豫振荡频率相同，实现了对外腔反馈周期性的隐藏（opticsletters,vol.32,pp.2960-2962,2007）。英国威尔士大学shore教授（opticscommunications,vol.282,pp.3568-3572,2009）、西班牙巴利阿里大学i.fischer教授（opticsletters,vol.36,pp.4632-4634,2011）以及我国西南大学夏光琼课题组（opticsexpress,vol.17,pp.20124-20133,2009）均提出了通过增加或调整反馈腔的复杂程度来消除外腔反馈的周期性。此外，香港城市大学陈仕俊使用布拉格光纤光栅分布式反馈来消除混沌激光外腔的周期性（ieeephotonicsjournal,vol.4,pp.1930-1935,2012）。然而，上述方案中由于没有改变镜面光反馈的本质，反馈光的各个频率成分有着相同的时间延迟，容易形成固有的外腔模式，因此无法完全消除时延特征。

发明人提出使用啁啾光纤光栅色散反馈的方案（中国专利cn103401130b、opticsexpress,vol.25,pp.10911-10924,2017），啁啾光纤光栅反馈中不同频率的光的有着不同的反馈延迟，由此来消除混沌半导体激光器中外腔反馈的时延特征。然而，该方案中由于所需啁啾光纤光栅参数以目前工艺很难制备，难以推广到实际应用中。

因此，本发明方案提出了一种便于实际应用的无时延特征混沌激光的产生装置。

技术实现要素：

为了解决镜面光反馈混沌激光中时延特征的问题，本发明提出一种消除混沌激光时延特征的混沌激光产生装置。

本发明采用的一种技术方案如下：

一种无时延特征的混沌激光产生装置，包括半导体激光器，所述半导体激光器的输出端与偏振控制器的输入端连接；所述偏振控制器的输出端与第一1×2光纤耦合器的输入端连接；所述第一1×2光纤耦合器的一个输出端与2×2光纤耦合器的g输入端连接、其另一个输出端与光隔离器连接；所述2×2光纤耦合器的a输出端与光环行器的红色输入连接；所述光环行器的蓝色端口与啁啾光纤光栅连接，所述光环行器的白色输出端与第二1×2光纤耦合器的输入端连接；所述第二1×2光纤耦合器的d输出端与2×2光纤耦合器的e输出端连接，所述第二1×2光纤耦合器的c输出端与2×2光纤耦合器的f输入端连接。

无时延特征混沌的具体产生过程：半导体激光器输出的连续光依次通过偏振控制器和1×2光纤耦合器。一路光通过由光纤耦合器、光环行器和啁啾光纤光栅组成的环后回到半导体激光器扰动激光器产生混沌激光。最后通过光隔离器后得到无时延特征的混沌激光。使用环行器、光纤耦合器和啁啾光纤光栅构成的环作为非线性反馈的装置，用来消除传统混沌激光中由外腔振荡引起的时延特征。由此提高了混沌通信的保密性、混沌随机数的随机性以及混沌测距的精度。

本发明采用的另一种技术方案如下：

一种无时延特征的混沌激光产生装置，包括半导体激光器，所述半导体激光器的输出端与偏振控制器的输入端连接；所述偏振控制器的输出端与第一1×2光纤耦合器的输入端连接；所述第一1×2光纤耦合器的一个输出端与2×2光纤耦合器的g输入端连接、其另一个输出端与光隔离器的输入端连接；所述2×2光纤耦合器的a输出端与色散补偿光纤一端连接、其e输出端与第二1×2光纤耦合器的d输出端连接；所述色散补偿光纤的另一端与第二1×2光纤耦合器的b输入端连接；所述第二1×2光纤耦合器的c输出端与2×2光纤耦合器的f输入端连接。

无时延特征混沌的具体产生过程如下：半导体激光器输出的连续光依次通过偏振控制器和1×2光纤耦合器。一路光通过光纤耦合器后进入色散补偿光纤，经过色散补偿光纤的非线性作用后，一部分光从光纤耦合器输出端沿着原光路返回激光器，扰动激光器产生混沌激光。另一部分从2×2光纤耦合器的输入端进入光纤环中。最后通过光隔离器后得到无时延特征的混沌激光。由于色散补偿光纤和光纤环的非线性作用，反馈光与输出光相关性极低，因此，混沌激光中由外腔振荡引起的时延特征被消除。

附图说明

图1表示本发明一种无时延特征的混沌激光产生装置的结构示意图。

图2表示本发明另一种无时延特征的混沌激光产生装置的结构示意图。

图3表示镜面光反馈混沌激光输出时序的自相关图。

图4表示本发明无时延特征混沌激光输出时序的自相关图。

图中：1-半导体激光器，2-偏振控制器，3-第一1×2光纤耦合器，4-2×2光纤耦合器，5-光环行器，6-啁啾光纤光栅，7-第二1×2光纤耦合器，8-光隔离器，9-色散补偿光纤。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

实施例1

一种无时延特征混沌激光产生装置，如图1所示，包括半导体激光器1、偏振控制器2、第一1×2光纤耦合器3、2×2光纤耦合器4、光环行器5、啁啾光纤光栅6、第二1×2光纤耦合器7、光隔离器8。其中，半导体激光器1的输出端与偏振控制器2的输入端连接；偏振控制器2的输出端与第一1×2光纤耦合器3的输入端连接；第一1×2光纤耦合器3的一个输出端与2×2光纤耦合器4的输入端g连接；2×2光纤耦合器4的一个输出端a与光环行器5的红色输入端连接；光环行器5的蓝色端口与啁啾光纤光栅6连接；光环行器5的白色输出端口与第二1×2光纤耦合器7的输入端b连接；第二1×2光纤耦合器7的一个输出端d与2×2光纤耦合器4的输出端e连接，另一个输出端c与2×2光纤耦合器4的输入端f连接；第一1×2光纤耦合器3的另一个输出端与光隔离器8连接；无时延特征的混沌激光由光隔离器8的输出端得到。

所述啁啾光纤光栅色散量为833ps/nm；3db带宽为0.03-0.8nm；中心波长为1550nm；边模抑制比大于20db；啁啾光纤光栅的带宽（-3db）和边模抑制比是光纤光栅的关键参数。其中带宽（-3db）代表着光纤光栅的反射谱以及中心波长的设置，方案中应大于激光器所产生的混沌激光的光谱。边模抑制比是光纤光栅主模与边模强度的比值，反映了该光纤光栅在反射区域与旁瓣部分的隔离度，方案中需要较高的边模抑制比。因此，这两个参数也是必须说明的。

所述半导体激光器1是中心波长为1550nm的dfb激光器；2×2光纤耦合器4的分光比为50：50；第二1×2光纤耦合器7的分光比为50：50。

该方案中无时延特征混沌的具体产生过程如下：半导体激光器输出的连续光依次通过偏振控制器和1×2光纤耦合器，一路光通过2×2光纤耦合器、光环行器、啁啾光纤光栅和1×2光纤耦合器后，一部分通过1×2光纤耦合器沿原光路返回半导体激光器，扰动激光器产生混沌激光，另一部分通过2×2光纤耦合器回到光纤环中。最后通过光隔离器后得到无时延特征的混沌激光。由于环中混沌激光经过多次啁啾光纤光栅非线性反射，因此反馈回激光器的光与激光器输出相关性极低，从而消除时延特征。

根据本方案中光纤耦合器、光环行器和啁啾光纤光栅的环反馈的结构，基于lang-kobayashi速率方程建立模型：

公式中e为半导体激光器在反馈光作用下产生混沌的光场，f为光纤耦合器、光环行器和啁啾光纤光栅的环反馈光复振幅的变化，n为激光器内部载流子的变化。公式中各参数的物理含义和数值设置如下表1所示。

表1激光器参数

其中，公式（2）中h(t)为啁啾光纤光栅的响应函数，n代表循环次数，“*”表示卷积运算。f(t)为由光纤耦合器、光环行器和啁啾光纤光栅组成的光纤环反馈项，反馈光路如图1所示，从2×2光纤耦合器的a端输出后经过光环行器和啁啾光纤光栅，由第二1×2光纤耦合器的d端回到2×2光纤耦合器，之后沿原光路反馈回到半导体激光器。此时，反馈光包含多次经过啁啾光纤光栅的反馈光，获得较大的色散，反馈光与输出光有更低的相关性，由此来消除时延特征。

该方法与发明人提出使用啁啾光纤光栅色散反馈的方案相比，结构上增加了光纤耦合器、光环行器和啁啾光纤光栅组成的光纤环，混沌激光多次经过环中的啁啾光纤光栅，增加了其色散的效果。相比于此前的发明专利（中国专利cn103401130b）中所需色散1650-2100ps/nm，本方案最大的优势是所需色散仅仅为833ps/nm。

图3和图4分别为镜面光反馈混沌激光输出时序的自相关图和本方案无时延特征混沌激光输出时序的自相关图。其中图3中在反馈延时出有明显的时延特征，而图4中的时延特征已经完全消除。

实施例2

一种无时延特征混沌激光产生装置，如图2所示，包括半导体激光器1，偏振控制器2，第一1×2光纤耦合器3，2×2光纤耦合器4，色散补偿光纤9，第二1×2光纤耦合器7，光隔离器8。其中，半导体激光器1的输出端与偏振控制器2的输入端连接；偏振控制器2的输出端与第一1×2光纤耦合器3的输入端连接；第一1×2光纤耦合器3的一个输出端与2×2光纤耦合器4的输入端g连接；2×2光纤耦合器4的一个输出端a与色散补偿光纤5一端连接，另一个输出端e与第二1×2光纤耦合器7的输出端d连接；色散补偿光纤5的另一端与第二1×2光纤耦合器7的输入端b连接；第二1×2光纤耦合器7的另一个输出端c与2×2光纤耦合器4的一个输入端f连接；第一1×2光纤耦合器3的另一个输出端与光隔离器8的输入端连接，混沌激光由光隔离器8的输出端得到。

色散补偿光纤为常见商用色散补偿光纤，其色散为-160~-240ps/nm*km，长度为3~5km；半导体激光器1是中心波长为1550nm的dfb激光器；2×2光纤耦合器4的分光比为50：50；第二1×2光纤耦合器7的分光比为50：50。

该方案中无时延特征混沌的具体产生过程如下：半导体激光器1输出的连续光依次通过偏振控制器2和1×2光纤耦合器3。一路光通过光纤耦合器后进入色散补偿光纤9，经过色散补偿光纤的非线性作用后从一部分光从光纤耦合器输出端沿着原光路返回激光器，扰动激光器产生混沌激光。另一部分从2×2光纤耦合器的输入端进入光纤环中。最后通过光隔离器后得到无时延特征的混沌激光。由于色散补偿光纤和光纤环的非线性作用，反馈光与输出光相关性极低，因此，混沌激光中由外腔振荡引起的时延特征被消除。

最后要说明的是，上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，尽管参照本发明实施例进行了详细的说明，本技术领域的普通技术人员也应当理解，在本发明的实质范围内所做的变化，改性，添加或替换，也应属于本发明的保护范围。