混沌光电振荡器及其混沌信号产生方法与流程

本发明涉及微波光子学技术领域，尤其涉及一种混沌光电振荡器及其混沌信号产生方法。

背景技术：

混沌是普遍存在于自然社会中的一种现象，描述了在一个确定系统中出现的不确定的类随机行为，是确定性与随机性的统一体。混沌的确定性表现在其由确定的系统产生，并且可以用确定的微分或差分方程进行描述；混沌的随机性表现在其运动轨迹不可预测，具有类噪声性。

常见的混沌激光产生方式有很多，最为典型的是基于半导体激光器进而产生混沌激光。主要的指导思想是增加一个自由度，进而产生混沌激光。主要的常见方法包括有：外光注入半导体激光器，光反馈半导体激光器以及光电振荡器的方法。关于光电振荡器的方案，在相关研究人员对延迟反馈系统的分叉特征研究之后，多种延迟模型被实验和数值模拟研究，其中最为典型的即光电振荡器。关于采用光电振荡器方案目前研究的方向主要分为两类：1、运用光电振荡器产生高频率和低相位噪声的微波信号，2、是产生混沌等非线性动态行为。很多相关的研究人员对于采用光电振荡器产生混沌的方案进行了相关的研究。2004年有人采用马赫曾德尔调制器作为光电振荡器的非线性器件，05年发表于“nature”报道了将光电振荡器作为混沌激光发生装置应用在了超长距离的混沌光保密网络通信中；2013年网络中四个光电振荡器做到了同步输出等等。

但是，现有的光电振荡器所产生的混沌激光一般都是固定的单频信号的激光，随着科技的进步，现有的光电振荡器产生的固定单频信号与已经不能满足现实的应用，因此，为了满足实际应用，需要制造一种多频率的，宽带的光电振荡器。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明开提供了一种混沌光电振荡器及其混沌信号产生方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种混沌光电振荡器，其特征在于，包括：扫频激光器(1)、相位调制器(2)、环形器(4)、线性啁啾光纤布拉格光栅(5)、光电探测器(7)、电放大器(8)以及分束器(9)；

所述扫频激光器(1)、相位调制器(2)、环形器(4)以及光电探测器(7)之间相互依次连接，所述线性啁啾光纤布拉格光栅(5)连接于所述环行器(4)上；，所述光电探测器(7)、电放大器(8)、分束器(9)以及相位调制器(2)之间相互依次并首尾连接形成环路。

在一些实施例中，所述扫频激光器(1)、相位调制器(2)、环形器(4)、光电探测器(7)之间以及所述线性啁啾光纤布拉格光栅(5)与环行器(4)之间均通过光纤连接；，其中所述环形器(4)与所述光电探测器(7)之间连接的光纤为延时光纤，长度为数米或者数千米。

在一些实施例中，所述光电探测器(7)、电放大器(8)、分束器(9)以及相位调制器(2)之间通过电缆连接。

在一些实施例中，所述扫频激光器(1)为电流驱动的扫频半导体激光器或者基于单边带调制的扫频激光器；所述扫频激光器(1)的发光波长呈周期性变化。

在一些实施例中，所述扫频激光器(1)、相位调制器(2)、线性啁啾光纤布拉格光栅(5)、环形器(4)以及光电探测器(7)共同组成一个微波光子滤波器；所述微波光子滤波器的通频带由所述扫频激光器(1)与线性啁啾光纤布拉格光栅(5)反射谱的差决定。

在一些实施例中，所述微波光子滤波器的变化周期与信号在所述光电探测器(7)、电放大器(8)、分束器(9)以及相位调制器(2)形成的环路中传输一周的延时相匹配，满足傅里叶域锁模条件：

nt＝tr

其中n为正整数，t为所述微波光子滤波器的变化周期，tr为信号在所述光电探测器(7)、电放大器(8)、分束器(9)以及相位调制器(2)形成的环路中传输一周的延时。

在一些实施例中，所述光电探测器(7)、电放大器(8)、分束器(9)以及相位调制器(2)形成的环路的色散控制到零，以使不同频率的信号在所述环路中具有相同的延时。

在一些实施例中，所述混沌光电振荡器还包括光隔离器；所述光隔离器连接于所述相位调节器(2)与所述环形器(4)之间，用于防止光信号从所述环形器向所述相位调节器方向传输。

在一些实施例中，所述混沌光电振荡器还包括偏振控制器；所述偏振控制器连接于所述相位调节器(2)与所述光隔离器之间或者连接于所述光隔离器与所述环形器(4)之间，用于调节所述混沌光电振荡器的偏振态。

根据本发明的另一个方面，提供了一种采用上述实施例所提供的混沌光电振荡器产生混沌信号的方法，所述方法包括：

扫频激光器(1)发出光信号传输至相位调制器(2)；

所述相位调制器(2)对所述光信号进行相位调制后，经过偏振控制器调整线路的偏振态，再经光隔离器传输至线性啁啾光纤布拉格光栅(5)；

所述线性啁啾光纤布拉格光栅(5)将所述相位调制的光信号转化为强度调制的光信号，通过环形器(4)经延时光纤传输至光电探测器(7)；

所述光电探测器(7)将所述强度调制的光信号转换为电信号，传输至电放大器(8)；

所述电放大器(8)将所述电信号放大，经分束器(9)输出，并反馈回相位调制器(2)；

当反馈回相位调制器(2)的电信号的强度达到预设阈值时，光电探测器(7)、电放大器(8)、分束器(9)以及相位调制器(2)之间形成的环路中产生混沌信号。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本发明提供的混沌光电振荡器及其混沌信号产生方法，使用相位调制器和线性啁啾光线布拉格光栅可以在光域控制宽带微波光子滤波器，从而无需进一步改变混沌光电振荡器线路中的其他组件，便可调整宽带混沌动力学状态，有效扩展了混沌激光的带宽；

(2)本发明提供的混沌光电振荡器及其混沌信号产生方法，通过控制扫频激光器的激光功率以及偏正态控制器控制该混沌光电振荡器的偏振态来控制混沌光电振荡器线路反馈信号的强度，结合扫频激光器发出的周期性变化的发光波长，从而产生高速变化的，不同频率的混沌激光信号；

(3)本发明提供的混沌光电振荡器及其混沌信号产生方法，通过产生高速变化的，不同频率的混沌激光信号，使得每个频率的混沌信号均可携带信息，进而增加了混沌光电振荡器线路的信息容纳量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的混沌光电振荡器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于线性啁啾光纤布拉格光栅的微波光子滤波器的原理图；

图3为本发明实施例提供的混沌光电振荡器的混沌信号产生方法的流程图。

上述附图中，附图标记含义具体如下：

1-激光器；2-相位调制器；3-光隔离器；4-环行器；5-线性啁啾光纤布拉格光栅；6-延时光纤；7-光电探测器；8-电放大器；9-分束器。

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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

根据本发明的一个方面，提供了一种混沌光电振荡器，如图1所示，图1为本发明实施例提供的混沌光电振荡器的结构示意图，该混沌光电振荡器包括：扫频激光器1、相位调制器2、环形器4、线性啁啾光纤布拉格光栅5、光电探测器7、电放大器8以及分束器9。其中：

扫频激光器1、相位调制器2、环形器4以及光电探测器7依次连接，线性啁啾光纤布拉格光栅5连接于环行器4上，光电探测器7、电放大器8、分束器9以及相位调制器2依次并首尾连接形成环路。

在本实施例中，扫频激光器1、相位调制器2、环形器4、光电探测器7之间以及所述线性啁啾光纤布拉格光栅5与环行器4之间均通过光纤连接；其中所述环形器4与所述光电探测器7之间的光纤为延时光纤，长度为数米或者数千米；光电探测器7、电放大器8、分束器9以及相位调制器2之间通过电缆连接。

在本实施例中，扫频激光器1、相位调制器2、线性啁啾光纤布拉格光栅5、环形器4以及光电探测器7共同组成一个微波光子滤波器；微波光子滤波器的通频带由所述扫频激光器1与线性啁啾光纤布拉格光栅5反射谱的差决定。

如图2所示，图2为本发明实施例提供的基于线性啁啾光纤布拉格光栅的微波光子滤波器的原理图。当扫频激光器1的信号光的光波长处于线性啁啾光线布拉格光栅5滤波范围内时，若此时信号光的正(或负)阶边带处于线性啁啾布拉格光栅5滤波范围之外，则此时处于线性啁啾布拉格光栅5滤波范围之外的边带被滤除，从而被相位调制的多边带的信号光实现了由相位调制到强度调制的转化。被强度调制后的光信号通入到光电探测器7中后既得到了所需要得到的电信号，实现了微波光子滤波器的功能。

在本实施例中，微波光子滤波器的变化周期与信号在所述光电探测器7、电放大器、8分束器9以及相位调制器2形成的环路中传输一周的延时相匹配，满足傅里叶域锁模条件：

nt＝tr

其中n为正整数，t为所述微波光子滤波器的变化周期，tr为信号在所述光电探测器7、电放大器8、分束器9以及相位调制器2形成的环路中传输一周的延时。当以锯齿波驱动微波光子滤波器时，傅里叶域锁模光电振荡器输出的是周期性的宽带线性调频信号，信号的频率和时间存在周期性的对应关系。

本发明提供的混沌光电振荡器，使用相位调制器和线性啁啾光线布拉格光栅可以在光域控制宽带微波光子滤波器，从而无需进一步改变线路中的其他组件，便可调整宽带混沌动力学状态，有效扩展了混沌激光的带宽。

在本实施例中，光电探测器7、电放大器8、分束器9以及相位调制器2形成的环路的色散控制到零，以使不同频率的信号在环路中具有相同的延时。

在本实施例中，该混沌光电振荡器还包括光隔离器3；光隔离器3连接于所述相位调节器2与所述环形器4之间，用于防止光信号从环形器向所述相位调节器方向传输，进而对混沌光电振荡器线路提供进一步的保护。

在本实施例中，混沌光电振荡器还包括偏振控制器；偏振控制器连接于所述相位调节器2与所述光隔离器之间或者连接于所述光隔离器与所述环形器4之间，用于调节混沌光电振荡器线路的偏振态。

本发明提供的混沌光电振荡器，通过控制扫频激光器的激光功率以及偏正态控制器控制该混沌光电振荡器线路的偏振态来控制混沌光电振荡器线路反馈信号的强度，结合扫频激光器发出的周期性变化的发光波长，从而产生高速变化的，不同频率的混沌激光信号；通过产生高速变化的，不同频率的混沌激光信号，使得每个频率的混沌信号均可携带信息，进而增加了该混沌光电振荡器线路的信息容纳量。

根据本发明的另一个方面，提供了一种混沌光电振荡器的混沌信号产生方法，如图3所示，图3为本发明实施例提供的混沌光电振荡器的混沌信号产生方法，该方法包括：

步骤s101，扫频激光器发出光信号传输至相位调制器。

其中，扫频激光器为电流驱动的扫频半导体激光器或者基于单边带调制的扫频激光器，并且该扫频激光器的发光波长呈周期性变化。

步骤s102，相位调制器对光信号进行相位调制后，经过偏振控制器调整线路的偏振态，再经光隔离器传输至线性啁啾光纤布拉格光栅。

其中，光隔离器用于防止光信号从环形器向所述相位调节器方向传输，进而对线路提供进一步的保护。

本发明提供的混沌光电振荡器的混沌信号产生方法，通过控制扫频激光器的激光功率以及偏正态控制器控制该光电振荡器的偏振态来控制混沌光电振荡器线路反馈信号的强度，结合扫频激光器发出的周期性变化的发光波长，从而产生高速变化的，不同频率的混沌激光信号。

步骤s103，线性啁啾光纤布拉格光栅将相位调制的光信号转化为强度调制的光信号，通过环形器经延时光纤传输至光电探测器。

如图2所示，图2为本发明实施例提供的基于线性啁啾光纤布拉格光栅的微波光子滤波器的原理图。当扫频激光器的信号光的光波长处于线性啁啾光线布拉格光栅滤波范围内时，若此时信号光的正(或负)阶边带处于线性啁啾布拉格光栅滤波范围之外，则此时处于线性啁啾布拉格光栅滤波范围之外的边带被滤除，从而被相位调制的多边带的信号光实现了由相位调制到强度调制的转化。被强度调制后的光信号通入到光电探测器中后既得到了所需要得到的电信号，实现了微波光子滤波器的功能。

本发明提供的混沌光电振荡器的混沌信号产生方法，使用相位调制器和线性啁啾光线布拉格光栅可以在光域控制宽带微波光子滤波器，从而无需进一步改混沌光电振荡器变线路中的其他组件，便可调整宽带混沌动力学状态，有效扩展了混沌激光的带宽。

步骤s104，光电探测器将强度调制的光信号转换为电信号，传输至电放大器。

步骤s105，电放大器将电信号放大，经分束器输出，并反馈回相位调制器。

其中，分束器用于将电放大器发出的电信号分成两束相同的电信号，一束用于输出，一束用于反馈回相位调制器。

步骤s106，当反馈回相位调制器的电信号的强度达到预设阈值时，光电探测器、电放大器、分束器以及相位调制器之间形成的环路中产生混沌信号。

本发明提供的混沌光电振荡器的混沌信号产生方法，通过产生高速变化的，不同频率的混沌激光信号，使得每个频率的混沌信号均可携带信息，进而增加了混沌光电振荡器线路的信息容纳量。

需要说明的是，说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意含及代表该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能作出清楚区分。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。