一种远程星型激光网络的光混沌同步系统的制作方法

本实用新型涉及半导体激光领域，具体涉及一种远程星型激光网络的光混沌同步系统。

背景技术：

时代发展伴随而来的信息安全问题络绎不绝，近二十多年来，人们对混沌保密通信进行了大量的研究。由于混沌信号的非周期性、类噪声、连续宽带频谱以及对初始条件敏感性等独特属性，构成了混沌信号天然的隐蔽性，其成为良好的通信载体，据此混沌信号所携带的信息将很难被截获，从而保证信息的安全保密传输。半导体激光器产生的光混沌由于其高带宽、高复杂性以及容易获得等优良特性，近年来成为一个热门的话题。它的应用非常广泛，在保密通信、雷达、物理随机数产生、时域反射技术，甚至于信息处理等等领域都有涉及。特别要提的是在保密通信领域，半导体激光器产生的光混沌具有天然高调制带宽以及光纤的长距离低损耗传输特性，使得激光混沌保密通信具有了良好的高速信息承载能力和可远距离传输特性，具有重要的研究和应用价值。混沌半导体激光器之间的同步是实现保密通信和安全密钥分配的必要条件。

近年来，星型激光器网络吸引了不少的关注，在此网络中，多个边沿节点激光器与一个中心节点激光器链接，中心节点激光器通过光反馈产生光混沌信号并输入到各个边沿节点激光器中。星型激光器网络节点之间的混沌同步启发了多注入通信方案和先进的安全密钥分配网络的提出。Zamora-Munt等人研究了星型激光器网络中多个边沿节点激光器之间的零延时同步。Bourmpos等人研究了具有不对称耦合的边沿节点激光器和中心节点激光器的星型网络的同步参数敏感性。而最近，有人从理论上研究了具有不等时间延迟的星型激光网络的同步机制。希腊Argyris等人通过实验实现了星型半导体激光器网络中边沿节点之间的高质量混沌同步。这些研究都可归类为对于单注入星型半导体激光器网络的研究，所谓单注入是中心节点激光器产生的光混沌通过耦合直接注入相应的边沿节点激光器。上述所有成果对于星型半导体激光器网络在现实中的应用都有重大意义。但 如果考虑到现实情况，边沿节点激光器之间的高质量同步是需要的，同时边沿节点激光器和中心节点激光器之间的低关联系数也是需要的。前者为边沿节点激光器之间的以安全为导向的应用提供了安全保证，后者能确保系统的安全性。对于远距离半导体激光器网络，当中心节点的输出与边沿节点激光器的输出高度相似时，它们之间的长距离的光纤链路为窃听者提供了一个可行的攻击途径。

然而，在大多数单路光注入星型网络中，边沿节点激光器和中心节点激光器之间的关联系数都非常高，通常在0.7左右。因此，基于上述考虑，探索一个新方式来减小边沿节点激光器和中心节点激光器之间的关联系数是非常有必要的。

技术实现要素：

为解决现有单路光注入星型网络中的边沿节点激光器和中心节点激光器之间的关联系数非常高的问题，本实用新型提出了一种远程星型激光网络的光混沌同步系统。

本实用新型提出的一种远程星型激光网络的光混沌同步系统，其特征在于，包括：

中心节点激光器，其中，所述中心节点激光器包括第一半导体激光器、光环形器、第一光耦合器、第一偏振控制器、第一可变衰减器、第一光隔离器、多注入模块、第四光耦合器、掺铒光纤放大器及第五光耦合器；

若干边沿节点激光器；

其中，所述第一半导体激光器发出的光信号依次经过所述环形器、第一光耦合器、第一偏振控制器、第一光隔离器后注入到所述多注入模块；所述第一可变衰减器连接于所述第一偏振控制器和所述光环形器之间以调节所述光信号的强度；所述多注入模块将所述光信号等分成若干份，每一部分光信号流入不等长的光纤分支后合成为一个重组光信号；所述重组光信号经过所述第四光耦合器、掺铒光纤放大器、第五光耦合器后注入到所述多个边沿节点激光器中。

进一步的，还包括第二光隔离器，与所述第四光耦合器连接，以将所述重组光信号导出进行混沌信号的测量。

进一步的，所述第二光隔离器通过连接光功率计、光谱分析仪、电子频谱分析仪及宽带数字示波器来进行混沌信号的测量。

进一步的，所述多注入模块包括第二光耦合器、若干第二偏振控制器及第三 光耦合器；所述光信号经过所述第二光耦合器后等分成若干份，每一部分光信号流入不等长的光纤分支后，分别经过所述多个第二偏振控制器，经过所述第三光耦合器合成为一个重组光信号。

进一步的，所述多个第二偏振控制器的个数为3。

进一步的，所述边沿节点激光器包括第三偏振控制器、第二可变衰减器、第六光耦合器及第二半导体激光器；所述重组光信号经过所述第三偏振控制器、第二可变衰减器、第六光耦合器注入到所述第二半导体激光器中。

进一步的，所述第六光耦合器为10:90的光耦合器。

进一步的，所述第一半导体激光器为低噪声半导体激光器。

进一步的，所述多个边沿节点激光器的个数为2。

进一步的，所述第一光耦合器为50:50的光耦合器。

本实用新型的有益效果为远程星型激光网络的光混沌同步系统中，通过新的多注入模块实现从中心节点激光器到边沿节点激光器的多路光混合注入，在长距离情况下，不仅实现了边沿节点激光器之间的高同步，同时还使中心节点激光器和边沿节点激光器之间的关联系数降低至0.18，在距离上有很好的延展性。并且可以广泛应用于其他的拓扑型网络中，比如网格型、环型以及其他混合型的拓扑结构中，还可以有效支持各种要求高安全的应用，如多用户混沌通信网络和安全密钥分发网络等。

附图说明

图1为本实用新型远程星型激光网络的光混沌同步系统一实施方式的系统结构图。

图2为10千米的光纤传输距离下各边沿节点激光器的光混沌时域波形和频谱图。

图3为远程星型激光网络的光混沌同步系统的任意边沿节点激光器之间的CC_max在不同的注入功率和不同频率失谐下的演化曲线。

图4为本实用新型远程星型激光网络的光混沌同步系统在传输距离为80千米的光混沌同步通信的效果图。

具体实施方式

本实用新型通过新的多注入模块实现从中心节点激光器到边沿节点激光器 的多路光混合注入，在长距离情况下，不仅实现了边沿节点激光器之间的高同步，同时还使中心节点激光器和边沿节点激光器之间的关联系数降低至0.18，在距离上有很好的延展性。

图1为本实用新型远程星型激光网络的光混沌同步系统1一实施方式的系统结构图。图中，1为远程星型激光网络的光混沌同步系统，2为中心节点激光器，3为边沿节点激光器，12为第一半导体激光器，14为光环形器，16为第一光耦合器，18为第一偏振控制器，20为第一可变衰减器，22为第一光隔离器，24为多注入模块，26为第四光耦合器，28为第二光隔离器，30为掺铒光纤放大器，32为第五光耦合器，34为第三谐振控制器，36为第二可变衰减器，38为第六光耦合器，40为第二半导体激光器。

请参阅图1，为本实用新型远程星型激光网络的光混沌同步系统一实施方式的系统结构图。在本实施方式中，远程星型激光网络的光混沌同步系统1包括：中心节点激光器2和若干边沿节点激光器3。中心节点激光器2包括第一半导体激光器12、光环形器14、第一光耦合器16、第一偏振控制器18、第一可变衰减器20、第一光隔离器22、多注入模块24、第四光耦合器26、掺铒光纤放大器30及第五光耦合器32。

第一半导体激光器12发出的光信号依次经过环形器14、第一光耦合器16、第一偏振控制器18、第一光隔离器22后注入到多注入模块24。第一可变衰减器20连接于第一偏振控制器18和光环形器14之间以调节光信号的强度。多注入模块24将光信号等分成若干份，每一部分光信号流入不等长的光纤分支后合成为一个重组光信号。重组光信号经过第四光耦合器26、掺铒光纤放大器30、第五光耦合器32后注入到多个边沿节点激光器3中。

在本实施方式中，远程星型激光网络的光混沌同步系统1还包括第二光隔离器28，与第四光耦合器26连接，以将重组光信号导出进行混沌信号的测量。在本实施例中，第二光隔离器28通过连接光功率计、光谱分析仪、电子频谱分析仪及宽带数字示波器来进行混沌信号的测量。

多注入模块24包括第二光耦合器240、若干第二偏振控制器242及第三光耦合器244，光信号经过第二光耦合器240后等分成若干份，每一部分光信号流入不等长的光纤分支后，分别经过多个第二偏振控制器242，经过第三光耦合器 244合成为一个重组光信号。

每一边沿节点激光器3包括第三偏振控制器34、第二可变衰减器36、第六光耦合器38及第二半导体激光器40，重组光信号经过第三偏振控制器34、第二可变衰减器36、第六光耦合器注入38到第二半导体激光器40中。第六光耦合器38为10:90的光耦合器，第一光耦合器为50:50的光耦合器。

在本实施例中，第一半导体激光器12为低噪声半导体激光器。进一步的，边沿节点激光器3的个数为2。进一步的，第二偏振控制器242的个数为3。

在一具体实施例中，每个边沿节点激光器3通过几十千米的单模光纤与中心节点激光器2相连。在中心节点激光器2部分，第一半导体激光器12通过一个光信号反馈初步生成混沌种子信号，经过多注入模块24被等分成m份，其中每一部分信号流入不等长的光纤分支，最后在多注入模块的出口处合成为一个新的重组光信号。作为中心节点激光器2部分输出的重组光信号经过掺铒光纤放大器30的放大后在1:n的第五光耦合器32作用下分成n份同时注入n个边沿节点激光器3。多注入模块24是实现边沿节点激光器3之间高质量同步以及中心节点激光器2和边沿节点激光器3之间显著低关联的关键所在。第一可变衰减器20和第一偏振控制器18用来调节来自中心节点激光器2的光的注入强度和偏振水平。第一与第二光隔离器是为了防止不必要的反射干扰。中心节点激光器2、边沿节点激光器3的偏置电流分别被固定为22mA，11.38mA。从中心节点激光器2到每个边沿节点激光器3的注入功率κ初步设置为170μW，中心节点激光器2、边沿节点激光器3的激光器温度分别稳定在21.02℃，24.68℃。因此，中心节点激光器和边沿节点激光器之间的产生有用的频率失谐Δf_H-S＝4GHz。

请参阅图2，为10千米的光纤传输距离下各边沿节点激光器3的光混沌时域波形和频谱图。图2中包括a1-a3、b1-b3及c1-c3。图2的a1、b1和c1分别为一边沿节点激光器3的时域波形、光谱和射频谱；图2的a2、b2和c2分别为另一边沿节点激光器3的时域波形、光谱和射频谱；图2的a3、b3和c3分别为中心节点激光器2的时域波形、光谱和射频谱。首先，从图2的a1，a2，a3可以看出，边沿节点激光器3与边沿节点激光器2的时域波形十分相似而它们与中心节点激光器2的时域波形都有很大的差异。观察边沿节点激光器3与另一边沿节点激光器3的频谱(见图2的(b1-b3,c1-c3))，可发现它们的频谱也极其相 似，而与中心节点激光器的频谱相比却有很大的不同，特别是在低频部分，中心节点激光器2的功率(图2的c3)显著增强。考虑到时间域和频率域的关系，图2的c3低频段的功率增强对应了图2的a3中时域波形的大幅度波动。因此，中心节点激光器2时域波形与边沿节点激光器3时域波形差异很大。这表明多注入星型网络中，同时实现了边沿节点激光器3之间的高质量同步以及中心节点激光器2与边沿节点激光器3之间的低关联。

请参阅图3，为远程星型激光网络的光混沌同步系统的任意边沿节点激光器3之间的CC_max在不同的注入功率和不同频率失谐下的演化曲线。从这些曲线可以看出，为了解实现多注入星型网络的高质量混沌同步所需的特定条件，图3给出了在不同的注入功率κ(左列)和不同频率失谐Δf_H-S下网络中任意节点之间的相关系数最大值(CC_max)的演化图(右列)。第一行是多注入下的演化曲线，第二行是单注入下的演化曲线。方块表示边沿节点激光器3和另一边沿节点激光器3之间的CC_max值。菱形表示中心节点激光器2与边沿节点激光器3之间的CC_max；三角形表示中心节点激光器2与另一边沿节点激光器2之间的CC_max。首先，对于多光注入的情况，图3的a1表明了CC_max伴随着注入功率的增长而增长。图3的a1中的I’区域中，边沿节点激光器3与另一边沿节点激光器3之间的同步性能大幅提高(20μw<κ<150μw)，而中心节点激光器2与边沿节点激光器3之间的CC_max只是缓慢增长，II’区域中，边沿节点激光器3之间的同步性能超过0.9而中心节点激光器2与边沿节点激光器3之间的CC_max却小于0.2。此外从图3的b1中还可以看出，当频率失谐处在-20GHz到20GHz的范围内，中心节点激光器2与边沿节点激光器3之间的CC_max一直处于一个比较低的水平(低于0.2)，而边沿节点激光器3之间的同步性能维持在一个大于0.9的高水平(-12GHz<ΔfH-S<5GHz)。相比之下，图3的a2，b2给出了在与多注入星型网络相似的工作条件下，单光注入星型网络中节点之间的CC_max演化。从图3的a2，b2可以看出，中心节点激光器与边沿节点激光器之间的CC_max随着注入功率或频率失谐的增加迅速增长到0.6，这说明了单光注入星型半导体激光器网络中中心节点激光器2与边沿节点激光器3之间的强相关性。总之，在很宽的注入功率和频率失谐范围内，多注入星型网络能够保持良好的混沌同步，同时实现中心节点激光器2与边沿节点激光器3间的低关联。

请参阅图4，为本实用新型远程星型激光网络的光混沌同步系统1在传输距离为80千米的光混沌同步通信的效果图。为了证明多注入星型网络长距离传输下的稳定性进行测试。图4的a1-a3:分别为边沿节点激光器3，另一边沿节点激光器3与中心节点激光器2的时域波形，图4的b1-b3分别为与边沿节点激光器3之间，边沿节点激光器3与中心节点激光器2之间，另一边沿节点激光器3与中心节点激光器2之间的相关图。图4的a1，a2展现了边沿节点激光器3与另边沿节点激光器3时域波形上的高度一致性。由图4的b1可以证明CC_max≈0.81，并且中心节点激光器2的时域波形图(图4的a3)与边沿节点激光器3的时域波形图有很大的区别。相应地，中心节点激光器2与边沿节点激光器3之间的CC_max值明显很低(分别为0.16,0.18)如果考虑到超过100千米的长距离传输，光纤非线性和色散等因素的累积会扭曲信号，对混沌通信的同步性能造成一定程度的影响。因此引入各种先进的色散补偿装置，例如：色散补偿光纤(DCF)，光纤光栅(FBG)等，使实现传输距离大于100千米的多注入星型网络成为了可能。

本实用新型的远程星型激光网络的光混沌同步系统1的具体实施，可能涉及到使用软件，但所使用的软件均是本领域技术人员最常用的软件，并且，并非本专利申请权利要求所要保护的范围。

本实用新型的有益效果为远程星型激光网络的光混沌同步系统1中，通过新的多注入模块24实现从中心节点激光器2到边沿节点激光器3的多路光混合注入，在长距离情况下，不仅实现了边沿节点激光器3之间的高同步，同时还使中心节点激光器2和边沿节点激光器3之间的关联系数降低至0.18，在距离上有很好的延展性。并且可以广泛应用于其他的拓扑型网络中，比如网格型、环型以及其他混合型的拓扑结构中，还可以有效支持各种要求高安全的应用，如多用户混沌通信网络和安全密钥分发网络等。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。