基於全光纖的長距離雷射混沌同步裝置的製作方法

2023-05-15 19:02:01 2

本發明「一種基於全光纖的長距離雷射混沌同步裝置」屬於信息技術領域，具體涉及一種基於光纖環境利用Fiber環鏡實現長距離雷射混沌同步的技術。

背景技術：

信息產業已成為國民經濟的重要支柱。信息技術支撐著經濟、國防、文化、科學研究等各個領域。信息技術為我們帶來高效和便利，同時，也存在著以計算機病毒、黑客技術為主的數據篡改、系統入侵、網絡攻擊等威脅。如若沒有信息安全，民眾的信息、國家的機密將得不到有效保障。因此，探索和發展先進的信息安全技術是現代社會有序發展的前提與重要保障。

自上世紀九十年代以來，混沌保密通信作為保密通信的一個新發展方向受到研究者的關注。與傳統保密技術相比，混沌信號具有非周期性、類噪聲、連續寬帶頻譜等獨特屬性；同時具有對初始條件極為敏感的顯著特徵，混沌動力系統的初始狀態有微小差距，其相鄰相軌跡將呈指數發散；還具有拓撲傳遞性，即任一點的鄰域在混沌映射的作用下將擴散到整個度量空間。混沌的複雜運動軌跡和不可預測性，使它具有天然的隱蔽性。以混沌參數作為密鑰的物理層信息加密手段 使得混沌保密通信有抗幹擾、低觀察性等優勢，很適合作為保密通信的載體。

近年來，混沌保密通信的研究主要分為基於電路的電學混沌系統和基於光學原理的光混沌系統。其中，有限的帶寬和高傳輸損耗限制了電學混沌在遠程高速保密通信中的應用。光學系統特別是新型的半導體雷射器在合適情況下可以產生數10GHz帶寬的雷射混沌。另外，半導體雷射器與光纖具有很好的兼容性。通過與光纖鏈路結合，基於半導體雷射器的雷射混沌保密通信系統就具有了光纖傳輸通信容量大，傳輸距離遠等突出優勢。另外，雷射混沌通信還克服了電學混沌通信易受電磁幹擾的問題，因而非常適合高速遠程保密通信領域。雷射混沌通信兼具了混沌的物理保密性和光纖通信的高速遠程特性，很好地克服了電學混沌在通信領域中的一些缺陷，具有誘人的應用前景。如2005年，希臘Argyris等人已在120Km的商用城域光纖通信網絡中實現了的單向1Gbit/s的高速低誤碼率的雷射混沌保密通信，初步揭示了雷射混沌保密通信方案的良好商用可行性。然而，到目前為止,對於面向遠程的，雙向雷射混沌保密通信方案還很少。

要實現長距離的雙向雷射混沌通信，穩定的雷射混沌同步是前提和核心基礎。目前，相關研究者提出了多種面向雙向雷射混沌保密通信的混沌同步方案。然而這些方案大多在自由空間裡實現，且傳輸距離很短(米量級)，難以走出實驗室，不具有推廣到長距離通信的價值。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明提供一種實現穩定的長距離混沌同步的基於全光纖的長距離雷射混沌同步裝置。

本發明基於全光纖的長距離雷射混沌同步裝置，包括Fiber環鏡模塊、外部傳輸模塊，其中，所述外部傳輸模塊包括與Fiber環鏡模塊通過第一長距離光纖鏈路通信連接的第一半導體雷射器、與Fiber環鏡模塊通過第二長距離光纖鏈路通信連接的第二半導體雷射器，以及在第一半導體雷射器與Fiber環鏡模塊之間的第一偏振控制器、第一衰減器，在第二半導體雷射器與Fiber環鏡模塊之間的第二偏振控制器、第二衰減器，還包括第一半導體雷射器通過第一光隔離器通信連接的測試模塊、第二半導體雷射器通過第二光隔離器通信連接的測試模塊；

將光注入Fiber環鏡，通過調節注入光相位將光混沌輸出分成相同的兩部分,一部分經光纖鏈路LDFL1注入到一個響應SL1,另一部分經光纖鏈路LDFL1注入到另一個響應SL2，當光纖鏈路LDFL1與光纖鏈路LDFL1保持對稱且SL1和SL2具有相似的內部參數時,工作條件合適時,即可產生雷射混沌，光注入使SL1和SL2各對應偏振模式之間能達到高質量的混沌同步，於SL1和SL2間對應的混沌同步,可實現信息的雙向長距離混沌保密傳輸。

具體地，所述Fiber環鏡模塊包括定向耦合器，所述定向耦合器通過單模光纖連接的第三偏振控制器、第三可變衰減器。

有益效果

本發明與現有技術具備如下有益效果：

1.採用全光纖方案，突破了雷射混沌同步由短距離到長距離演化過程的困難，具有在現實環境中的穩定性.

2.本發明大大降低傳輸鏈路損耗，適合長距離高容量通信.

3.本發明有較好的延拓性.

4.本發明實際操作較為簡便，且成本相對較低，易於實現.

附圖說明

圖1本發明基於全光纖的長距離雷射混沌同步裝置的結構圖；

圖2 Fiber環鏡的結構圖；

圖3時域混沌同步實驗結果圖；

圖4頻域混沌同步實驗結果圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步的描述。

如圖1至2所示，本實施例基於全光纖的長距離雷射混沌同步裝置，包括光纖環鏡模塊、外部傳輸模塊，其中，所述外部傳輸模塊包括與Fiber環鏡模塊通過第一長距離光纖鏈路通信連接的第一半導體雷射器、與Fiber環鏡模塊通過第二長距離光纖鏈路通信連接的第二半導體雷射器，以及在第一半導體雷射器與Fiber環鏡模塊之間的 第一偏振控制器、第一衰減器，在第二半導體雷射器與Fiber環鏡模塊之間的第二偏振控制器、第二衰減器，還包括第一半導體雷射器通過第一光隔離器通信連接的測試模塊、第二半導體雷射器通過第二光隔離器通信連接的測試模塊；

本實施例基本原理：雙向長距離光纖混沌通信系統，在合適的反饋條件下,偏振保持光反饋下的雷射驅動SL1、SL2中兩個線偏振模式實現混沌輸出.將光注入Fiber環鏡，通過調節注入光相位將雷射混沌輸出分成相同的兩部分,一部分經光纖鏈路LDFL1注入到一個響應SL1,另一部分經光纖鏈路LDFL1注入到另一個響應SL2.當光纖鏈路LDFL1與光纖鏈路LDFL1保持對稱且SL1和SL2具有相似的內部參數時,工作條件合適時,即可產生混沌。光注入可使SL1和SL2各對應偏振模式之間能達到高質量的混沌同步.基於SL1和SL2間對應的偏振模式的混沌同步,可實現信息的雙向長距離混沌保密傳輸.

圖1基於全光纖的長距離雷射混沌同步裝置的結構圖，圖中：SL1、SL2：第一、第二半導體雷射器，VA1、VA2：第一、第二衰減器，PC1、PC2：第一、第二偏振控制器，LDFL1、LDFL2：第一、第二長距離光纖鏈路，OI1、OI2：第一、第二光隔離器，DL：可調延時器，PD1、PD2：光電探測器，OSA：光譜分析儀，OPM：光功率計，HSDO：高速數字示波器，RFSA：射頻頻譜分析儀

圖2Fiber環鏡的結構圖，圖中：SMF：單模光纖，DC：定向耦 合器，VA3：衰減器，PC3：偏振控制器

如圖3所示，該圖給出了相隔約1.5千米的LD1和LD2在時域上的混沌同步結果，其中圖a是LD1的混沌波形和LD2的混沌波形，可見二者的波形具有領好的一致性，說明二者時間較好的混沌同步。圖b為LD1和LD2的混沌關聯圖，從圖中可見兩雷射器的混沌輸出之間具有很好的關聯性。圖c為LD1和LD2的混沌波形的關聯函數圖，從中可見在時延134ns處取得了關聯函數峰值約為0.9。考慮到LD1和LD2之間長達千米的連結距離，該結果表明系統實現了穩定的長距離混沌同步。

如圖4所示，該圖給出了LD1和LD2在頻域上的混沌同步結果，其中圖a是LD1的混沌頻譜和LD2的混沌頻譜。從圖中可見兩雷射器的頻譜均覆蓋了從0到20GHz的寬廣頻率範圍，同時二者的頻譜能量分布具有高度的一致性，說明兩雷射器的混沌信號的良好同步關係。進一步的，圖b給出了LD1和LD2的混沌頻譜在40MHz範圍的細節曲線。可見二者的頻譜曲線均呈現出3.73MHz的周期峰，這些周期峰對應於圖c中的134ns時間延遲量。圖c進一步給出了LD1和LD2的混沌頻譜在1MHz範圍內的超精細譜曲線。在這個尺度下，兩雷射器的混沌頻譜曲線顯示出了新的結構，即都存在0.1MHz的周期峰。這些0.1MHz的周期峰對應與LD1和LD2之間長達1.5千米的巨大耦合延時。可見，LD1和LD2的混沌頻譜，無論是在0-20GHz的大範圍，還是在MHz的精細尺度上均顯示了高度的一致性，說明了系統實現了良好的混沌同步。

總之，結合時域測量和頻域測量，實驗結果表明了相隔約1.5千米的兩個半導體雷射器的雷射混沌實現了穩定的長距離同步，這為實現的基於兩個半導體雷射器的長距離雷射混沌保密通信奠定了良好基礎。

對本發明應當理解的是，以上所述的實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細的說明，以上僅為本發明的實施例而已，並不用於限定本發明，凡是在本發明的精神原則之內，所作出的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內，本發明的保護範圍應該以權利要求所界定的保護範圍為準。