本发明涉及混沌激光器技术领域，特别是涉及一种联合扰动式混沌激光信号发生器及其使用方法。
背景技术：
近年来，混沌激光在混沌保密光通信、混沌激光雷达、混沌光时域反射仪、高速真随机数产生、混沌超宽带信号发生器和分布式光纤传感等方面得到了广泛应用，成为了国内外学者的研究热点。通过给半导体激光器提供扰动可以产生混沌激光，其中光反馈方式结构简单、易于调节和控制成为主要的混沌激光产生方式。
但是目前光反馈方式产生的混沌激光，其输出信号会携带与反馈腔长有关的信息，即存在时延特征(Wu Y,et al.IEEE Journal of Quantum Electronics,2012,48(11):1371-1379.)。时延特征的存在对混沌激光在许多领域的应用是有害的，例如：在利用混沌激光作为物理熵源产生高速物理真随机数时，会降低随机数的随机特性；在混沌保密光通信中，混沌激光具有时延特征信息会导致安全漏洞；在混沌雷达和光时域反射仪的应用中，会引入虚警和误判，因此必须消除时延特征。再者因为半导体激光器弛豫振荡频率占据了混沌激光的主要能量，导致输出的混沌信号带宽仅维持在10GHz以下，且混沌频谱不平坦。窄带宽会限制混沌通信中信息的传输速率、数据加密速率、随机序列的生成速率，混沌频谱不平坦会限制低频成分能量，为实际应用中后续电路采集和处理带来困难。因此，针对于光反馈方式产生混沌激光存在的这些问题，许多研究者提出了不同的解决方案。
2008年王安帮等人针对于混沌激光带宽的增强进行了研究(Wang A,et al.IEEE Photonics Technology Letters,2008,20(19):1633-1635.)，具体为从激光器输出的连续光经过光纤环形器将一部分光反馈回从激光器产生扰动，使其输出混沌激光，与此同时一注入激光器将其输出的连续光注入到从激光器中，发现从激光器输出的混沌激光的带宽大约为无连续光注入时的三倍，实现了混沌激光的带宽的增强。
2011年太原理工大学发明了一种光反馈混沌激光器(见专利：一种光反馈混沌激光器，专利号：ZL201110198943.6)，其选择合适的单一连续后向散射体、或提供连续后向散射并放大的散射体作为半导体激光器的连续反馈腔，利用连续反馈腔对单个半导体激光器的随机反馈扰动，使半导体激光器产生混沌激光，以此实现消除光反馈半导体激光器的时延特征的目的。
2012年大连理工大学公开了一种光注入型混沌光子集成器件及其制备方法(见专利：一种光注入型混沌光子集成器件，专利号：ZL201210349951.0)，该单片集成混沌激光器包括两个分布式反馈半导体激光器DFB、一个半导体光放大器和一段无源光波导，采用单向光注入法产生了宽带的混沌激光。具体工作过程为：主分布反馈半导体激光器产生连续光，连续光经过半导体光放大器单向放大，放大后的连续光经无源光波导注入到从分布反馈半导体激光器，此处无源光波导仅仅起一个传输光的作用。通过调节主从分布反馈半导体激光器的注入电流使其中心波长失谐，同时调节半导体光放大器的放大倍数实现注入强度调节，进而主从分布反馈半导体激光器产生拍现象，此时从分布反馈半导体激光器可以产生出宽带的混沌激光。
值得注意的是，王安帮等人研究发现(Wang A B,et al.Optics Letters,2009,34(8):1144-1146.)，单注入型结构易产生注入锁定，且单注入存在混沌激光频谱不平坦、输出不稳定的缺点，而且往往包含两个激光器的拍频信息，会使混沌激光的频谱出现典型的拍频振荡成份，同样会影响混沌光时域反射仪和混沌激光雷达的分辨率、限制混沌光通信的传输速率以及产生随机数的码率。
2014年太原理工大学发明了一种无时延、频谱平坦、宽带光子集成混沌半导体激光器(见专利：无时延、频谱平坦、宽带光子集成混沌半导体激光器，专利号：ZL201410435033.9)，该发明精确控制倒装贴片工艺精度和掺铒的无源光波导的长度、左分布式反馈半导体激光芯片的长度、右分布式反馈半导体激光器芯片的长度、无隔离双向放大的半导体光放大芯片的长度，将掺铒的无源光波导作为连续散射体构成连续分布式反馈腔，并采用半导体光放大芯片控制左、右分布式反馈半导体激光芯片相互注入的光功率大小和掺铒的无源光波导对左分布式反馈半导体激光芯片的反馈强度，目的是产生无时延特征、频谱平坦、宽带的混沌激光。光在掺铒光纤中传播时产生的后向散射光较弱，后向散射光原路反馈的过程中，由于光纤长度、光纤材料及光波导中的结构缺陷等原因产生损耗，部分反馈光可能还未进入半导体光放大芯片就已经完全损耗。因此，掺铒光纤中部分位置对半导体激光器产生反馈，且仅左反馈光对左分布式反馈半导体激光器的扰动进行放大。
2015年，中国科学院半导体所发明了一种基于集成外腔半导体激光器的宽带混沌光发生器(见专利：基于集成外腔半导体激光器的宽带混沌光发生器，专利号：201510028646.5)，该发明利用一个集成外腔半导体激光器芯片和一个外部的光反馈回路实现了宽带稳定大范围的混沌光信号产生，具体工作过程为集成外腔半导体激光器芯片输出光通过光纤环形器、耦合器，通过耦合器将集成外腔半导体激光器输出光经由光环形器的光信号按照预设的功率比一部分送入反馈回路构成光反馈，从而产生宽带稳定大范围的混沌光信号。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是设计一种结构简单、易于操作和实现的基于随机分布式光反馈结合光互注入联合扰动的，产生具有弱时延特征、频谱宽且平坦的混沌激光的混沌半导体激光器
进一步解决的技术问题是，如何设计结构使得激光器的不同的两个端口产生不同模式的混沌信号。
本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种联合扰动式混沌激光信号发生器，包括：左分布式反馈半导体激光器1、光纤耦合器2、双向光放大器3、掺铒光纤4、光纤耦合器5和右分布式反馈半导体激光器6,其中,
左分布式半导体激光器1的输出端口与光纤耦合器2的端口a连接，光纤耦合器2的端口b与双向光放大器3的端口c连接，光纤耦合器2的端口g作为信号发生器的第一输出端口；双向光放大器3的端口d与掺铒光纤4的端口e连接，掺铒光纤或高后向散射纤的端口f与光纤耦合器5的端口i连接，光纤耦合器5的端h可作为信号发生器的第二输出端口，光纤耦合器5的端口j与右分布式反馈半导体激光器6的输出端口连接。
优选的，所述分布式反馈半导体激光器1和分布式反馈半导体激光器6采用1550nm±20nm波长，两激光器的阈值电流相差范围在±1mA之间。
优选的，光纤耦合器2的分光比中，主光路分光比为70％-90％，其中，从左分布式半导体激光器1输出的光信号中70％-90％的光信号从光纤耦合器2的端口b输入双向光放大器3的端口c，相应的30％-10％的信号从光纤耦合器2的端口g输出。
优选的，掺铒光纤长度大于等于10-200m。
优选的，所述左分布式反馈半导体激光器1和右分布式反馈半导体激光器6是带温控器的，两激光器在温控器件调节下，使激光器工作在同一温度附近，保持两激光器输出激光的中心波长基本相等，差值在±0.1nm。
第二方面，本发明还提供了一种联合扰动式混沌激光信号发生器的使用方法，通过温控器调节左分布反馈半导体激光器1和右分布反馈半导体激光器6之间的中心波长失谐；
调节左分布反馈半导体激光器1和右分布反馈半导体激光器6的驱动电流，实现光功率设置；
左半导体激光器发出连续光经光纤耦合器2，双向光放大器3和掺铒光纤4，形成随机前向强散射光，所述随机前向强散射光经过掺铒光纤4端口f和光耦合器5到达右半导体激光器，对右半导体激光器产生随机光注入作用；右半导体激光器6发出连续光经光耦合器5，掺铒光纤4形成随机前向弱散射，所述随机前向弱散射光经双向光放大器3放大后，通过光纤耦合器2，对左半导体激光器产生随机光注入作用。
优选的，调整左分布反馈半导体激光器1和右分布反馈半导体激光器6，使得激光器工作电流调节到激光器阈值电流的1.1～2倍，输出光波长的失谐为0GHz-30GHz，输出功率偏差低于70％。
优选的，左半导体激光器发出连续光，经过光纤耦合器2分光后，90％的连续光从b端输入双向光放大器3的端口c，10％的光作为信号发生器的第一输出混沌光信号；右半导体激光器发出连续光,经过光耦合器5分光后，90％连续光到达掺铒光纤端口j，10％光作为信号发生器的第二输出混沌光信号。
优选的，根据光纤耦合器2的端口g和光纤耦合器5的端h输出的功率确定偏置电流调整量；
根据光纤耦合器2的端口g和光纤耦合器5的端h输出的光谱确定两激光器的频率失谐量；
其中，光纤耦合器2和光纤耦合器5为2进2出的耦合器，则从另一输入端检测功率变换来确定反馈强度和注入强度的大小。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明中双向光放大器用来实现主链路中互注入光及散射光放大，SOA的增益控制在系统中起到直接且重要作用。相对左半导体激光器而言，SOA放大掺铒光纤散射作用下返回的强散射光，即放大反馈强度，和右半导体激光器受链路中反馈和注入作用下的产生的混沌光(或定性理解为右半导体激光器受链路影响产生的前向弱散射)，即放大注入强度，两者经放大后对左半导体激光器产生反馈和注入作用，由g端口输出混沌激光器信号。相对右半导体激光器，SOA无放大作用，所以右半导体激光器经掺铒光纤散射作用产生后向弱散射，即反馈强度，在左半导体激光器受链路中反馈和注入作用下产生的混沌光(或定性理解是左半导体激光器受链路影响产生的前向强散射，下同)，在该光注入的联合作用下，由h端口输出混沌激光信号。SOA在链路中的不对称性使SOA只放大左侧光路，从而保证g端口与h端口产生不同模式的混沌信号。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的一种联合扰动式混沌激光信号发生器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种联合扰动式混沌激光信号发生器的使用方法流程图；
图3是本发明实施例提供的另一种联合扰动式混沌激光信号发生器的结构示意图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”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，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
在本发明各实施例中，符号“/”表示同时具有两种功能的含义，例如“第二进/出光口”表明该端口既可以进光也可以出光。而对于符号“A和/或B”则表明由该符号连接的前后对象之间的组合包括“A”、“B”、“A和B”三种情况，例如“背向散射光和/或反射光”，则表明其可以表达单独的“背向散射光”，单独的“反射光”，以及“背向散射光和反射光”三种含义中的任意之一。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明链路中SOA用于控制反馈和注入光功率的大小，同时保证链路中的散射光不会被完全损耗，增大注入光功率有利于混沌光互注入，在双端光信号注入下，主从激光器的互注入式实现混沌信号的整形和带宽增强，从激光器通过功率控制产生的混沌激光频谱的带宽和平坦度。掺铒光纤或高后向散射纤作为连续后向散射体形成反馈腔，提供双向的随机后向散射光，使主激光器产生无时延特征的随机扰动，增加了左右激光器的随机扰动，从而使随机反馈光对半导体激光器产生足够大的光扰动作用以达到产生混沌光的目的，使从分布反馈半导体激光器产生出混沌激光信号。
实施例1:
本发明实施例1提供了一种联合扰动式混沌激光信号发生器，其特征在于，包括：左分布式反馈半导体激光器1、光纤耦合器2、双向光放大器3、掺铒光纤4、光纤耦合器5和右分布式反馈半导体激光器6,其中,
左分布式半导体激光器1的输出端口与光纤耦合器2的端口a连接，光纤耦合器2的端口b与双向光放大器3的端口c连接，光纤耦合器2的端口g作为信号发生器的第一输出端口；双向光放大器3的端口d与掺铒光纤4的端口e连接，掺铒光纤或高后向散射纤的端口f与光纤耦合器5的端口i连接，光纤耦合器5的端h可作为信号发生器的第二输出端口，光纤耦合器5的端口j与右分布式反馈半导体激光器6的输出端口连接。
其中，掺铒光纤4还可以是由高后向散射光纤实现的。
在本发明实施例中，双向光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，简写为：SOA)在光纤的一侧，左激光器的接收的自身的散射光和对向注入的激光都是经过SOA放大的，右激光器接收的散射未经放大，且来自左激光器的注入光虽被放大，但经过光纤后大幅衰减；这样就造成左侧激光器受到的影响强烈，相应的混沌光效果更好，进而注入右侧的光的混沌状态较好，相反，右侧效果稍差，对左侧影响相应较小。本发明实施例适用于需要两个不同混沌激光时，例如：保密通信中，可以分别作为公共信道和私密信道的传输信号；双端间隔很短时间可以在混沌激光测距基础上实现目标测速功能。
设计目的为产生更好(幅度大、宽频谱、频谱平坦等)的混沌激光，解决的问题就是可以更好的用于混沌应用领域；其中，幅度大可以更好的用于测距中的大功率激光输出；宽谱及平坦可以产生更高速的随机数(随机码)，同时可以保证在高速(10Gbps)保密通信中更好的加载、隐藏信息。
结合本分发明实施例，还提供了适用于本发明的优选的分布式反馈半导体激光器波长的选配，例如：所述分布式反馈半导体激光器1和分布式反馈半导体激光器6采用1550nm±20nm波长，两激光器的阈值电流相差范围在±1mA之间。所述波长除了1550nm±20nm范围外，通常还可以是从一个区间中选取的，例如1490-1600nm。
在本发明实施例中，光纤耦合器2的分光比中，主光路分光比为70％-90％，其中，从左分布式半导体激光器1输出的光信号中70％-90％的光信号从光纤耦合器2的端口b输入双向光放大器3的端口c，相应的30％-10％的信号从光纤耦合器2的端口g输出。
在本发明实施例中，掺铒光纤长度大于等于10-200m。其中，10-50m散射光强小，频谱上的效果不是太好，可以用于传感测距，50-200m散射强度大、混沌效果更好，更适于信息加密、保密通信等。
在本发明实施例中，所述左分布式反馈半导体激光器1和右分布式反馈半导体激光器6是带温控器的，两激光器在温控器件调节下，使激光器工作在同一温度附近，保持两激光器输出激光的中心波长基本相等，差值在±0.1nm。混沌状态很敏感，外界的微小扰动都会对其造成影响，温度的稳定可以使激光器更好的保持在已经调整好的工作状态，使其他相应的产生混沌的条件(SOA放大倍数、相互的注入强度、激光器工作电流等)不发生改变。
实施例2：
本发明实施例还提供了一种联合扰动式混沌激光信号发生器的使用方法，如图2所示，包括以下步骤：
在步骤201中，通过温控器调节左分布反馈半导体激光器1和右分布反馈半导体激光器6之间的中心波长失谐。
其中，优选的双向光放大器3也给予配置温控组件，从而达到更精准的控制。
在步骤202中，调节左分布反馈半导体激光器1和右分布反馈半导体激光器6的驱动电流，实现光功率设置。
在步骤203中，左半导体激光器发出连续光经光纤耦合器2，双向光放大器3和掺铒光纤4，形成随机前向强散射光，所述随机前向强散射光经过掺铒光纤4端口f和光耦合器5到达右半导体激光器，对右半导体激光器产生随机光注入作用；右半导体激光器6发出连续光经光耦合器5，掺铒光纤4形成随机前向弱散射，所述随机前向弱散射光经双向光放大器3放大后，通过光纤耦合器2，对左半导体激光器产生随机光注入作用。
在本发明实施例中，SOA在光纤的一侧，左激光器的接收的自身的散射光和对向注入的激光都是经过SOA放大的，右激光器接收的散射未经放大，且来自左激光器的注入光虽被放大，但经过光纤后大幅衰减；这样就造成左侧激光器受到的影响强烈，相应的混沌光效果更好，进而注入右侧的光的混沌状态较好，相反，右侧效果稍差，对左侧影响相应较小。
在本发明实施例中，存在一种优选的实现方案，其中，调整左分布反馈半导体激光器1和右分布反馈半导体激光器6，使得激光器工作电流调节到激光器阈值电流的1.1～2倍，输出光波长的失谐为0GHz-30GHz，输出功率偏差低于70％。
在某实验用例中，激光器1的初始工作电流取阈值电流的1.27倍，输出功率-1.5dBm，激光器6对激光器1的注入强度-4dB，激光器1收到的反馈强度-6.1dB，当激光器1和激光器6的光波长失谐量约9GHz时，输出混沌激光的频谱带宽大约能到16.9GHz，此时两激光器的输出功率偏差大概40％。实验结果为：反馈强度为-9dB，注入强度为0.2(即-7dB)，两激光器的波长失谐量11GHz，输出的混沌信号谱宽大概20GHz。
在本发明实施例中，存在一种优选的实现方案，其中，左半导体激光器发出连续光，经过光纤耦合器2分光后，90％的连续光从b端输入双向光放大器3的端口c，10％的光作为信号发生器的第一输出混沌光信号；其中，输出功率可以由放大器解决，因此，第一输出混沌光信号的占比可以比10％还要低，均可在本发明实施例所提出的激光器结构中实现；右半导体激光器发出连续光,经过光耦合器5分光后，90％连续光到达掺铒光纤端口j，10％光作为信号发生器的第二输出混沌光信号。
在本发明实施例中，根据光纤耦合器2的端口g和光纤耦合器5的端h输出的功率确定偏置电流调整量；
根据光纤耦合器2的端口g和光纤耦合器5的端h输出的光谱确定两激光器的频率失谐量；
其中，光纤耦合器2和光纤耦合器5为2进2出的耦合器，则从另一输入端检测功率变换来确定反馈强度和注入强度的大小。每次调剂都要通过观察g、h端的输出信号的时序、频谱、光谱以确定当时的混沌状态。如图3所示，在本发明实施例中耦合器是可以做成2*2的，原来1*2的耦合器无法在系统正常工作的情况下监测a端口注入左激光器的强度，使用2*2的耦合器，则可以在a端口下面的端口，通过监测功率等比例换算出a端口进入左激光器的功率，这样即可实现系统调试过程中的监控与调整作用。
SOA用来实现主链路中互注入光及散射光放大，SOA的增益控制在系统中起到直接且重要作用。相对左半导体激光器而言，SOA放大掺铒光纤散射作用下返回的强散射光，即反馈强度被放大，和右半导体激光器受链路中反馈和注入作用下的产生的混沌光(或定性理解为右半导体激光器受链路影响产生的前向弱散射)，即注入强度被放大，两个被放大的强度对左半导体激光器产生反馈和注入作用，由g端口输出混沌激光器信号。相对右半导体激光器，SOA无放大作用，所以右半导体激光器经掺铒光纤散射作用产生后向弱散射，即反馈强度未放大，结合左半导体激光器受链路中反馈和注入作用下产生的混沌光(或定性理解是左半导体激光器受链路影响产生的前向强散射，下同)的注入联合作用下，由h端口输出混沌激光信号。SOA在链路中的不对称性使SOA只放大左侧光路，从而保证g端口与h端口产生不同模式的混沌信号。本发明实施例适用于需要两个不同混沌激光时，例如：保密通信中，可以分别作为公共信道和私密信道的传输信号；双端间隔很短时间可以在混沌激光测距基础上实现目标测速功能。
值得注意的，本发明中g端口和h端口均作为混沌激光的输出口，但两端口的输出模式不同。左分布式反馈半导体激光器发出连续光经过光放大器和掺铒光纤，在强散射和弱散射光混沌注入作用下，混沌激光由g端口输出；右分布式反馈半导体激光器发出连续光经过掺铒光纤，在弱散射和被强散射光的混沌注入下，混沌激光由h端口输出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。