一種混沌雷射信號頻譜展寬裝置及其方法

2023-04-27 05:40:51 1

專利名稱：一種混沌雷射信號頻譜展寬裝置及其方法
技術領域：
本發明與混沌雷射信號產生裝置及其產生方法有關，更詳而言，是在混沌雷射信號產生裝置後增設一環形振蕩器，對混沌雷射信號進行頻譜展寬的裝置及其方法，適用於光通信、雷達探測和加密等領域。
背景技術：
寬帶混沌信號被廣泛關注，進而相繼提出混沌保密通信、混沌雷射雷達、混沌光時域反射儀及隨機數發生器等眾多應用。其中，混沌信號的帶寬決定了該混沌信號在各個領域應用的質量，如混沌保密通信中所能隱藏的信號的速率、測距系統中的測量精度和隨機數發生器產生的隨機數的速率等關鍵技術指標。現有產生混沛信號的方法有很多，Gytis Mykolaitis等人利用colpitts電路產生了混沌電信號，但是帶寬僅為IGHz左右(Electronics Letters, 2004, 40(2): 91-92),雖然後來有了改進,但仍然是幾個GHz的量級；Nicolas Gastaud等人通過電光調製器形成光電振蕩，從而產生了帶寬達到20GHz的混沛雷射信號(Electronics Letters, 2004，40(14) : 898-899)，但是使用的高速電學裝置造價相當昂貴。相比之下，半導體雷射器利用很簡單的裝置就可以產生帶寬高於IOGHz的混沌雷射信號，王安幫等人利用光反饋與外光注入結合的方式，使產生的混沌雷射信號帶寬達到了 16. 7GHz，同時通過注入光光頻的調節還可改變混沌信號的帶寬(IEEE Photonics Technology Letters, 2008, 20 (19) : 1633-1635) ；Hiroyuki Someya 等人發現將混沛光注入比其光頻率略低的半導體雷射器中能產生12GHz的寬帶混沌雷射信號(Optics Express, 2009, 17(11): 9053-9061) ；Kristine E. Callan 等人利用超快脈衝半導體雷射器和光電振蕩環相結合產生了 8GHz以上的寬帶平坦混沌雷射信號(Physical Review Letters, 2010，104(11) : 113901);王雲才等人利用3個雷射器構成半導體雷射器環， 中間配合摻雜光纖放大器和光衰減器產生了帶寬超過40GHz的平坦寬帶混沌信號(CN 101977065 A)。雖然利用雷射的非線性特性產生的混沌雷射信號帶寬很寬，但是頻譜僅僅在雷射器馳豫振蕩附近有很大的能量，兩側都有陡降，從而低頻和高頻成分能量都很弱。若能將其他的頻率成分放大到與馳豫振蕩頻率的能量相近，即可得到寬帶平坦的混沌雷射信號。因此發明人提出利用環形振蕩器將各振蕩的頻率成分不斷循環放大，從而將混沌雷射信號達到飽和輸出。

發明內容
本發明的問題在於設計注入環形振蕩器的混沌雷射信號的強度和放大，使混沌光在環形振蕩器的循環作用下產生寬帶平坦的混沌雷射信號，並提供一種混沌雷射信號頻譜展寬裝置及其方法。本發明所提供的一種混沌雷射信號頻譜展寬裝置，包括一混沌雷射信號由分光器將第一混沛雷射信號輸出；將第二混沛雷射信號輸入一環形振蕩器後再由分光器輸出；
所述環形振蕩器是位於混沌雷射信號產生裝置之後，將第二混沌雷射信號經過光放大器，輸入偏振控制裝置，再由偏振控制裝置輸入到分光器並輸出。在上述技術方案中，所述第一混沌雷射信號是由混沌雷射信號產生裝置產生的混沌雷射信號和經環形振蕩器的第二混沌雷射信號構成的混沌雷射信號；所述第一混沌雷射信號是在光纖或自由空間中傳播；所述第一混沌雷射信號在光纖中傳播時，所述分光器為光纖耦合器，所述偏振控制裝置為偏振控制器；所述第一混沌雷射信號在自由空間中傳播時，其分光器為分束鏡，其偏振控制裝置為偏振片；所述環形振蕩器中設置有光纖準直鏡； 所述光纖準直鏡是位於分光器、光放大器或偏振控制裝置的前或者後設置；所述設置有光纖準直鏡的混沌雷射信號可在光纖或自由空間中傳播；所述設置有光纖準直鏡的混沌雷射信號在光纖或自由空間中傳播，其分光器是光纖耦合器和分束鏡中的一種；所述設置有光纖準直鏡的混沌雷射信號在光纖或自由空間中傳播，其偏振控制裝置是偏振控制器和偏振片中的一種；所述光放大器是半導體光放大器(S0A)、光纖拉曼放大器(FRA)和摻雜光纖放大器(DFA)中的一種；所述光纖為光導纖維、薄膜波導和帶狀波導中的一種；所述光導纖維為單模光纖、多模光纖和光子晶體光纖中的一種；所述薄膜波導為BaTi03薄膜光波導、 LiNb03薄膜光波導、LiTa03薄膜光波導中的一種；所述帶狀波導為光子晶體、液晶、長周期光柵中的一種。本發明一種實施上述混沌雷射信號頻譜展寬裝置的頻譜展寬方法，其所述方法是混沌光信號產生裝置產生的混沌雷射信號通過分光器分為第一混沌雷射信號和第二混沌雷射信號，第一混沛雷射信號經分光器輸出；第二混沛雷射信號入射到光放大器進行循環放大，再通過偏振控制裝置控制光的偏振特性，構成具有循環、振蕩、放大功能的環形振蕩器，第二混沌雷射信號達到飽和形成頻譜寬且平坦的混沌雷射信號，後與第一混沌雷射信號混合一併經分光器輸出。在上述技術方案中，所述第一混沌雷射信號在光纖中傳播，通過光纖耦合器將混沌雷射信號產生裝置產生的光纖中傳播的混沌雷射信號分為第一混沌雷射信號和第二混沌雷射信號；第二混沌雷射信號入射到光放大器進行放大，經放大的光再通過偏振控制器控制光的偏振特性，後進入光纖耦合器，構成光纖環形振蕩器，對混沌雷射信號進行循環振蕩，這樣混沌雷射信號中已振蕩的頻率成分就會在該環中不斷疊加增強達到飽和，形成寬帶平坦的混沌雷射信號，後與第一混沌雷射信號混合一併經光纖耦合器輸出。所述第一混沌雷射信號在自由空間中傳播，通過分束鏡將混沌雷射信號產生裝置產生的自由空間中傳播的混沌雷射信號分為第一混沌雷射信號和第二混沌雷射信號；第二混沌雷射信號通過光纖準直鏡耦合進光纖，通過光纖輸入光放大器進行放大，再通過偏振控制器控制光的偏振特性，再通過光纖準直鏡轉換為自由空間傳播返回分束鏡，構成環形振蕩器；或者通過光纖準直鏡轉換成自由空間輸出併入射到偏振片，之後混沌雷射信號輸入分束鏡的輸入端，構成環形振蕩器，對混沌雷射信號進行循環振蕩，這樣混沌雷射信號中已振蕩的頻率成分就會在該環中不斷疊加增強達到飽和，形成寬帶平坦的混沌雷射信號， 後與第一混沛雷射信號混合一併經分束鏡輸出。本發明所提出的一種混沌雷射信號頻譜展寬裝置及其頻譜展寬方法，是利用環形振蕩器，將各振蕩的頻率成分不斷循環放大，從而將信號達到飽和輸出，相似的環形結構還有光電振蕩環，其將光信號通過光電探測器轉換為電信號，再將電信號作用於雷射器，改變雷射器的輸出特性，與本環形振蕩器的方法完全不一樣；還有光纖微型諧振腔結構，但其尺寸為微米量級，且無放大功能，一般用於濾波器或調製器等功能(Lightwave Technology, 1997，15(6) : 998-1005; Optics Express, 2007，15(21) : 14275-14282)，與本發明的寬帶混沌頻譜完全不是同一個應用領域。另外光纖雷射器產生混沌雷射的一些方法也採用了環形結構，但產生的混沌雷射多為脈衝形式，與本方法最大區別在於本方法是作用於混沌雷射並將混沌雷射的頻譜展寬的一種簡單裝置，而光纖雷射器直接產生混沌雷射，無法對混沛雷射的頻譜進行再次展寬和平滑處理(如Journal of the Optical Society of America B, 1998，15(3) : 972-978; Physical Review A, 1999，60(3): 2360-2374)。現有技術利用半導體雷射器可以產生最高大於40GHz的混沌信號(CN 101977065 A)，但是其佔用了 3臺雷射器及兩臺摻雜光纖放大器等裝置，價格高且系統搭建繁瑣。隨著科學技術的發展，簡單、便宜的寬帶平坦混沌信號產生裝置或混沌雷射信號頻譜展寬裝置是混沌信號的各個應用領域的迫切要求。本發明將混沌雷射注入環形振蕩器從而產生寬帶平坦的混沌雷射信號的裝置，其帶寬可達26. 5GHz以上，現有一般方法產生的混沌雷射通過該裝置均可實現帶寬展寬，而且結構簡單，調試方便，便於實驗室的實驗及在各個領域的集成應用。


圖I是本發明的混沌雷射信號頻譜展寬裝置的結構示意圖2是本發明的混沌雷射信號頻譜展寬裝置在光纖中應用的結構示意圖3是本發明的混沌雷射信號頻譜展寬裝置在自由空間中應用的典型結構示意圖4是頻譜儀自身的基底噪聲信號頻譜；
圖5是實施方式一中混沌雷射信號產生裝置產生的混沌雷射信號頻譜；
圖6是實施方式一中通過混沌雷射信號頻譜展寬裝置後的寬帶平坦混沌雷射信號的頻譜。圖中1 :分光器；la :光纖稱合器；lb :分束鏡；2 :光放大器；3 :偏振控制裝置； 3a :偏振控制器；3b :偏振片；4 :光纖準直鏡。
具體實施例方式下面對本發明的具體實施方式
做出進一步的詳細說明
如圖I所示，本發明主要包括一環形振蕩器，該環形振蕩器由分光器I、光放大器2和偏振控制裝置3構成。此處混沌雷射信號依次通過分光器I、光放大器2和偏振控制裝置3， 最終返回分光器I構成了環形結構，即本發明中所述環形振蕩器。混沌光信號產生裝置產生的混沌雷射信號通過分光器I分為第一混沌雷射信號和第二混沌雷射信號，第一混沌雷射信號經分光器I輸出；第二混沌雷射信號入射到光放大器2進行循環放大，再通過偏振控制裝置3控制光的偏振特性，構成具有循環、振蕩、放大功能的環形振蕩器，第二混沌雷射信號達到飽和形成頻譜寬且平坦的混沌雷射信號，後與第一混沌雷射信號混合一併經分光器I輸出。本發明所述的混沌雷射信號可以在光纖或自由空間中傳播，當混沌雷射信號在光纖中傳播時，環形振蕩器中的分光器和偏振控制裝置可分別為光纖耦合器Ia和偏振控制器3a ;當混沌雷射信號在自由空間中傳播時，環形振蕩器中的分光器和偏振控制裝置可分別為分束鏡Ib和偏振片3b。混沌雷射信號傳輸過程中設置光纖準直鏡4後則可以另混沌雷射信號的傳播形式在光纖或自由空間中相互轉換。光纖準直鏡4可設置在分光器I、光放大器2或偏振控制裝置3的前或者後的任意位置，且可設置多個，即在分光器I、光放大器2或偏振控制裝置3 的前或者後將混沌雷射信號的傳播形式轉換為光纖或自由空間中，經過光纖準直鏡4轉換後的混沌雷射信號入射到下一個器件中(分光器I或偏振控制裝置3)，此器件則為混沌雷射信號在光纖中傳播或自由空間中傳播時對應的器件。如若自由空間中傳播的混沌雷射信號通過光纖準直鏡4後轉換為光纖中傳播後入射到分光器I，則此時的分光器I應為光纖耦合器Ia ;若光纖中傳播的混沌雷射信號通過光纖準直鏡4後轉換為自由空間中傳播後入射到分光器1，則此時的分光器I應為分束鏡Ib ;若自由空間中傳播的混沌雷射信號通過光纖準直鏡4後轉換為光纖中傳播後入射到偏振控制裝置3，則此時的偏振控制裝置3應為偏振控制器3a ;若光纖中傳播的混沌雷射信號通過光纖準直鏡4後轉換為自由空間中傳播後入射到偏振控制裝置3，則此時的偏振控制裝置3應為偏振控制器3b。由此可看出，環形振蕩器中設置光纖準直鏡4後，由分光器I、光放大器2和偏振控制裝置3組成的環形振蕩器可以有多種組合方式，且都可實現本發明的功能。所以在此僅詳細描述混沛雷射信號全程以光纖傳播形式時的實施方式一和混沛雷射信號以自由空間傳播形式經過分束鏡Ib和偏振片3b的實施方式二。實施方式一
如圖2所示，混沌雷射信號產生裝置產生的混沌光在光纖中傳播，通過光纖耦合器Ia 將混沛雷射信號分為第一混沛雷射信號和第二混沛雷射信號，第二混沛雷射信號入射到光放大器2進行放大，經過放大的光再通過偏振控制器3a控制光的偏振特性，之後再次返回光纖耦合器la，構成光纖環形振蕩器，對混沌雷射信號進行循環振蕩，這樣混沌雷射信號中已振蕩的頻率成分就會在該環中不斷疊加增強達到飽和，形成寬帶平坦的混沌雷射信號， 後與第一混沌雷射信號混合一併經光纖耦合器Ia輸出。若要將其轉換成電信號，只需在輸出端連接一個高速的光電探測器即可。實施方式二
如圖3所示，混沌雷射信號產生裝置產生的混沌光在自由空間中傳播，通過分束鏡Ib 將混沛雷射信號分為第一混沛雷射信號和第二混沛雷射信號，第二混沛雷射信號通過光纖準直鏡(4)將混沌雷射信號準直進光纖中，轉換為光纖中傳播，入射到光放大器2進行放大，經過放大的光再通過光纖準直鏡4轉換為自由空間中傳播，之後通過偏振片3b控制光的偏振特性，並再次返回分束鏡lb，構成環形振蕩器，對混沌雷射信號進行循環振蕩，這樣混沌雷射信號中已振蕩的頻率成分就會在該環中不斷疊加增強達到飽和，形成寬帶平坦的混沌雷射信號，後與第一混沌雷射信號混合一併經分束鏡Ib輸出。若要將其轉換成電信號，只需在輸出端連接一個高速的光電探測器即可。圖4-圖6為實施方式一的混沌雷射信號經過該混沌雷射信號頻譜展寬裝置前後的結果圖，圖4所示為無信號輸入時頻譜儀的基底噪聲信號的頻譜，注入環形振蕩器的混沌雷射信號的頻譜如圖5所示，可以觀察到混沌雷射信號的能量主要集中在4GHz附近，高
7。實施方式一中注入環形振蕩器中的混沌雷射信號強度為-O. 8dBm，光放大器的放大倍數為25dB，此時經過環形振蕩器後的混沌雷射信號的頻譜如圖6所示，從圖中可以明顯觀察到，由于振蕩環的循環振蕩作用，使混沌信號的高頻振蕩成分得到放大，頻譜圖中的高頻部分明顯抬高，最終達到飽和輸出，產生帶寬大於26. 5GHz、頻譜波動起伏小於6dBm的寬帶平坦混沌信號。需要指明的是，任何形式產生的混沌雷射信號均適用於該裝置，如光注入半導體雷射器、光電反饋半導體雷射器、光反饋光纖雷射器等，而且該環形振蕩器也不僅僅局限於此一種裝置，只要是有放大效果的環形結構均可以實現該頻譜展寬功能。
權利要求
1.一種混沌雷射信號頻譜展寬裝置，包括一混沌雷射信號由分光器(1)將第一混沌雷射信號輸出；將第二混沌雷射信號輸入一環形振蕩器後再由分光器(1)輸出；所述環形振蕩器是位於混沌雷射信號產生裝置後，將第二混沌雷射信號經過光放大器 (2),輸入偏振控制裝置(3)，再由偏振控制裝置(3)輸入到分光器(1)並輸出。
2.如權利要求1所述的裝置，所述第一混沌雷射信號是由混沌雷射信號產生裝置產生的混沌雷射信號和經環形振蕩器的第二混沌雷射信號構成。
3.如權利要求1所述的裝置，所述第一混沌雷射信號是在光纖或自由空間傳播。
4.如權利要求3所述的裝置，所述第一混沌雷射信號在光纖中傳播時，所述分光器(1) 為光纖耦合器；所述偏振控制裝置(3)為偏振控制器。
5.如權利要求3所述的裝置，所述第一混沌雷射信號在自由空間傳播時，所述分光器 (1)為分束鏡；所述偏振控制裝置(3)為偏振片。
6.如權利要求1所述的裝置，所述環形振蕩器中設置有光纖準直鏡(4)。
7.如權利要求6所述的裝置，所述光纖準直鏡(4)是位於分光器(1)、光放大器(2)或偏振控制裝置(3)的前或者後。
8.如權利要求6所述的裝置，所述設置有光纖準直鏡(4)的混沌雷射信號在光纖或自由空間中傳播。
9.如權利要求8所述的裝置，所述設置有光纖準直鏡(4)的混沌雷射信號在光纖或自由空間中傳播，其分光器(1)是光纖耦合器和分束鏡中的一種。
10.如權利要求8所述的裝置，所述設置有光纖準直鏡(4)的混沌雷射信號在光纖或自由空間中傳播，其偏振控制裝置(3 )是偏振控制器(3a )和偏振片(3b )中的一種。
11.如權利要求1所述的裝置，所述光放大器(2)是半導體光放大器(S0A)、光纖拉曼放大器(FRA)和摻雜光纖放大器(DFA)中的一種。
12.如權利要求1所述的裝置，所述光纖為光導纖維、薄膜波導和帶狀波導中的一種。
13.如權利要求12所述的裝置，所述光導纖維為單模光纖、多模光纖和光子晶體光纖中的一種。
14.如權利要求12所述的裝置，所述薄膜波導為BaTi03薄膜光波導、LiNb03薄膜光波導和LiTa03薄膜光波導中的一種。
15.如權利要求12所述的裝置，所述帶狀波導為光子晶體、液晶、長周期光柵中的一種。
16.一種實施權利要求1所述的混沌雷射信號頻譜展寬裝置的頻譜展寬方法，所述方法是混沌光信號產生裝置產生的混沌雷射信號通過分光器(1)分為第一混沌雷射信號和第二混沌雷射信號，第一混沌雷射信號經分光器(1)輸出；第二混沌雷射信號入射到光放大器(2)中進行循環放大，再通過偏振控制裝置(3)控制光的偏振特性，對混沌雷射信號進行循環振蕩放大，達到飽和，形成寬帶平坦的混沌雷射信號，後與第一混沌雷射信號混合一併經分光器(1)輸出。
17.如權利要求16所述的方法，所述第一混沌雷射信號在光纖中傳播，通過光纖耦合器(Ia)將混沌雷射信號產生裝置產生的光纖中傳播的混沌雷射信號分為第一混沌雷射信號和第二混沌雷射信號，第二混沌雷射信號入射到光放大器(2)進行放大，經放大的光再通過偏振控制器(3a)控制光的偏振特性，後進入光纖耦合器(la)，構成光纖環形振蕩器對混沌雷射信號進行循環振蕩，混沌雷射信號中已振蕩的頻率成分在該環中不斷疊加增強達到飽和，形成寬帶平坦的混沌雷射信號，後與第一混沌雷射信號混合一併經光纖耦合器(Ia) 輸出。
18.如權利要求16所述的方法，所述第一混沌雷射信號在自由空間中傳播，通過分束鏡(Ib)將混沌雷射信號產生裝置產生的自由空間中傳播的混沌雷射信號分為第一混沌雷射信號和第二混沌雷射信號，第二混沌雷射信號通過光纖準直鏡(4)耦合進光纖，通過光纖輸入光放大器(2)進行放大，再通過偏振控制器(3a)控制光的偏振特性，再通過光纖準直鏡轉換為自由空間傳播返回分束鏡，構成環形振蕩器；或者通過光纖準直鏡(4)轉換成自由空間輸出併入射到偏振片(3b),後混沛雷射信號輸入分束鏡(lb)的輸入端,構成環形振蕩器對混沌雷射信號進行循環振蕩，混沌雷射信號中已振蕩的頻率成分在該環中不斷疊加增強達到飽和，形成寬帶平坦的混沌雷射信號，後與第一混沌雷射信號混合一併經分束鏡 (Ib)輸出。
全文摘要
一種混沌雷射信號頻譜展寬裝置及其方法，是由分光器將第一混沌雷射信號輸出；將第二混沌雷射信號經過光放大器，輸入偏振控制裝置，再由偏振控制裝置輸入到分光器並輸出。本裝置增設一環形振蕩器，將注入的光進行循環放大振蕩，偏振控制裝置調節混沌雷射信號的偏振狀態，帶寬達到了26.5GHz以上，而且結構簡單、調試方便，便於應用。
文檔編號G02F1/39GK102594544SQ20121000065
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月4日 優先權日2012年1月4日
發明者張建忠, 張明江, 徐航, 王雲才, 王冰潔, 王安幫, 趙彤 申請人:太原理工大學