基于电吸收调制器的部分单片集成混沌激光加密解密系统

本发明涉及激光通信，具体涉及一种基于电吸收调制器的部分单片集成混沌激光加密解密系统。

背景技术：

1、空间激光通信技术的载波形式为激光，它具有抗干扰能力强、通信速率高、波段选择方便、系统体积小、重量轻、功耗低的优点，因此，激光通信具有优秀的前景，已经成为了当今世界各个国家的主要研究目标之一。

2、由于在星地激光通信中使用的激光不可能是完全准直的，即使其发射孔径和光束发散角均很小，在经过数万公里的传播后，也会在接收端平面处形成一个数公里大小的光斑，在整个光斑范围内，都是可以接收到来自发射端的信息的。为防止信息泄露，需对信息进行加密，然而，传统的加密技术一直存在加密时间长、效率低的问题。

3、混沌是非线性动力学中的一种运动方式，它是指确定性动力学系统因对初值极其敏感而表现出不可预测性、随机性的运动。利用混沌载波掩盖或调制需要传输的信号时，可使信号具有更强的抵抗窃听的能力，保证系统的通信安全；另一方面，由于混沌信号是由确定性动力学系统产生的确定性信号，它是可再生的，所以也是可同步的。基于光电延迟反馈的混沌载波产生系统产生的混沌激光具有高带宽，可以实现高数据率。现有的基于光电延迟反馈的混沌载波产生系统一般使用马赫曾德尔调制器(mzm)进行电光调制，马赫曾德尔调制器是一种用于调控光波幅度的干涉结构，由磷化铟、砷化镓、铌酸锂等具有强光电效应的材料制成，而混沌激光加密系统中的常用的dfb激光器通常以inp为基底，无法与马赫曾德尔调制器实现单片集成，只能采用外调制的方式，因此使用马赫曾德尔调制器搭建的光电延迟反馈系统成本较高，体积较大，这对于混沌激光加密解密系统的小型化以及完成星地激光混沌加密通信是不利的。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了提供一种基于电吸收调制器的部分单片集成混沌激光加密解密系统，使用两个静态工作点不同的电吸收调制器并联来拟合马赫曾德尔调制器的传输曲线，激光器、电吸收调制器均可集成在inp基底上，可以满足部分单片集成的需求，有利于降低混沌激光加密解密系统的成本，实现小型化。

2、为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种基于电吸收调制器的部分单片集成混沌激光加密解密系统，所述混沌激光加密解密系统包括依次连接的发射端和接收端；

4、所述发射端包括发射端集成芯片、掺铒光纤放大器、第一光纤延迟线、第一光电探测器和第一射频放大器；

5、所述发射端集成芯片包括第一光电延迟反馈系统和信号源；

6、所述第一光电延迟反馈系统包括第一脉冲型激光器、1×2耦合器、第一电吸收调制器、第二电吸收调制器、2×1耦合器和2*2耦合器；第一电吸收调制器、第二电吸收调制器相互并联，两者的静态工作点分别为1/2v和1/4v，第一脉冲型激光器发出的激光信号经1×2耦合器分光后由并联电吸收调制器进行调制，调制信号经2×1耦合器耦合后进入2×2耦合器分为两路，由发射端集成芯片发出，其中一路经过第一光纤延迟线的延时处理后，被第一光电探测器接收并转化为电信号，经过第一射频放大器的放大，作为两个并联的电吸收调制器的偏置电压v，加载到发射端集成芯片中，对光信号产生扰动，使光电延迟反馈系统起振，产生混沌载波信号；

7、所述发射端集成芯片中的信号源产生信号光以后，经过2×2耦合器与光电延迟反馈系统产生的混沌载波信号叠加，产生混沌掩盖的信号，在2×2耦合器的输出端进入自由空间信道中传输，接着传输至接收端。

8、进一步地，所述信号源包括第二脉冲型激光器、第三电吸收调制器和信号发生器；所述第三电吸收调制器将信号发生器生成的信号调制在第二脉冲型激光器发出的激光束上，以生成信号光。

9、进一步地，所述接收端包括接收端集成芯片、1×2耦合器、第二光纤延迟线、第二射频放大器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器和解调器；

10、所述发射端发出的混沌掩盖的信号经1×2耦合器分光后，其中一路经第四光电探测器转换成电信号发送至解调器，另一路经过第二光纤延迟线的延时处理后，被第二光电探测器接收并转化为电信号，经过第二射频放大器的放大后发送至接收端集成芯片；

11、所述接收端集成芯片包括第二光电延迟反馈系统，第二光电延迟反馈系统与第一光电延迟反馈系统结构相同；第二光电延迟反馈系统产生的混沌载波信号与第一光电延迟反馈系统的混沌载波信号反相，经第三光电探测器转换成电信号后发送至解调器以消除发射信号中的混沌载波，得到信号发生器生成的信号。

12、进一步地，所述混沌激光加密解密系统包括误码率检测装置，用于测量传输信号的误码率。

13、进一步地，所述第一电吸收调制器、第二电吸收调制器的输出信号功率为：

14、

15、

16、式中，v(t)是t时刻的电吸收调制器的偏置电压，v1和v2分别为第一电吸收调制器、第二电吸收调制器的静态工作点，分别为1/2v和1/4v；pin是第一脉冲型激光器发出的激光信号的输出功率；pout1和pout2分别为第一电吸收调制器、第二电吸收调制器的输出信号功率；

17、所述第一脉冲型激光器发出的激光信号由并联电吸收调制器调制得到的输出信号功率为：

18、

19、进一步地，所述第一射频放大器的输出电压v(t)表示为：

20、

21、式中，γ为衡量综合损耗的损耗系数，g为射频放大器的增益，r为光电探测器的响应度，t为光纤延迟线的延迟时间；

22、电压v(t)作为电吸收调制器的偏置电压，第一光电延迟反馈系统的动态微分方程为：

23、

24、式中，τ＝τ1τ2/(τ1+τ2)，θ＝τ1+τ2，β＝τ2/(τ1+τ2)πγgrp/(2vπrf)，τ1＝1/(2πf1)，τ2＝1/(2πf2)，τ1表示系统的高截止特性响应时间，f1表示系统的高截止频率，τ2表示系统的低截止特性响应时间，f2表示系统的低截止频率，β为系统的整体光电增益系数；

25、令τ＝τ1，θ＝τ2，β＝πygrp/(2vπrf)，其中τ为系统的高截止特性响应时间，θ为系统的低截止特性响应时间，第一光电延迟反馈系统产生的混沌信号表示为：

26、

27、进一步地，发射端发出的信号s0(t)为：

28、

29、进一步地，所述第二光电延迟反馈系统的微分方程为：

30、

31、其中x′(t)表示接收端输出的混沌信号，τ’为系统接收端的高截止特性响应时间，θ′为系统接收端的低截止特性响应时间，β′为系统接收端的整体光电增益系数，t′为接收端光纤延迟线的延迟时间，v1′和v2′分别为接收端第一电吸收调制器、接收端第二电吸收调制器的静态工作点。

32、第三光电探测器的输出信号为：

33、s2(t)＝k′f′[x′(t)]；

34、假设该信号到达接收端加法器时所有损耗以及增益的总系数为k，第四光电探测器的输出信号为：

35、s1(t)＝k{f[x(t)]+dm(t)}。

36、进一步地，所述解调器包括加法器和直流滤波器；

37、所述加法器将第三光电探测器和第四光电探测器相加，相互反相的混沌载波被消掉，得到信号s(t)：

38、

39、在发射端和接收端的器件完全匹配的情况下，有β＝β’，θ＝θ’，τ＝τ’，t＝t’，则有：v(t)＝v’(t)，k＝k’；再调整电吸收调制器的静态工作点，使得：

40、

41、有：

42、s(t)＝k[1+dm(t)]；

43、所述直流滤波器将信号s(t)中的直流信号过滤掉，得到待传输信号，完成解密。

44、进一步地，所述混沌激光加密解密系统包括的各器件均集成在inp基底上

45、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

46、第一，本发明的基于电吸收调制器的部分单片集成混沌激光加密解密系统，在原有的以马赫曾德尔调制器替代马赫曾德尔调制器的混沌加密解密系统的基础上，利用两个静态工作点不同的并联电吸收调制器，来拟合出与马赫曾德尔调制器相似的传输曲线，从而实现用电吸收调制器代替光电延迟反馈系统中马赫曾德尔调制器的作用，在本技术搭建的部分单片集成的混沌激光加密解密系统中，激光器、调制器、耦合器等都以inp为基底，可以实现单片集成，满足系统小型化的需求，对于混沌激光加密系统的性能改善和成本降低具有重要意义。

47、第二，本发明的基于电吸收调制器的部分单片集成混沌激光加密解密系统，利用并联的电吸收调制器代替马赫曾德尔调制器，可以实现部分单片集成，不需要进行外调制，符合空间混沌激光通信中轻小型的要求，实现成本也比较低廉。