一種基于光電反饋環形激光器的保密通信系統的制作方法
【專利摘要】一種基于光電反饋環形激光器的保密通信系統包括：光電反饋結構和光電注入結構；D?SRL中的CW模式輸出的光和信息發射端發射的信息經過BS分為第一光束和第二光束，第一光束通過第一PD轉換為電信號后，經過第一放大器放大，再經過第一網絡偏置器結合第一直流輸入端的直流電反饋回D?SRL中；第二光束通過第二PD轉換為電信號后，經過第二放大器放大，再經過第二網絡偏置器結合第二直流輸入端的直流電注入到R?SRL中形成混沌載波，然后經過第三PD轉換為電信號輸入到解調器，通過將R?SRL的輸入與輸出相減后把信息發射端發射的信息解調出來從信息接收端輸出。本發明具有光傳輸和光電反饋的結構，因而對光和電都具有很好的兼容性，可實現高速混沌保密通信。
【專利說明】
一種基于光電反饋環形激光器的保密通信系統
技術領域
[0001] 本發明涉及混沌同步通信領域，具體涉及一種基于光電反饋環形激光器的保密通 信系統。
【背景技術】
[0002] 人類對混純同步通信的探索從未間斷過，1990年Pecora和Carroll提出并驗證了 混沌同步方案，緊接著，1994年Colet和Roy就提出了光混沌同步通信的思想。隨著研究的深 入，半導體激光器(Semiconductor Lasers，SLs)因其具有高調制帶寬以及與光纖系統的良 好兼容性等優點而逐漸進入人們視野。隨著時代的發展，更多種類的SLs相繼問世。而基于 SLs的混沌同步通信系統也被相繼提出，從簡單的單向混沌同步通信到單向雙信道混沌通 信，再到復雜的雙向雙信道混純通信。
[0003] 近年來，基于一種新型的半導體環形激光器(Semiconductor Ring Lasers，SRLs) 的混沌保密通信備受人們的關注。與其他類型的SLs相比，SRLs它具有低閥值、小尺寸、高集 成度、低功耗等獨特的優勢，并且SRLs內部是一個環形的諧振腔，腔內激光就不需要反射鏡 或者端面來提供反饋。因此，SRLs存在兩個相反方向的輸出模式，按順時針方向旋轉的稱為 順時針（C 1 〇 c k w i s e，C W )模式，另一模式按逆時針方向旋轉，稱為逆時針 (Counterclockwise，CCW)模式。但是由于SRLs響應帶寬的限制，使得基于SRLs的混純同步 通信傳輸的信息速率很低，安全性也極低，以及延伸導致用戶體驗不佳。

【發明內容】

[0004] 為解決現有半導體環形激光器的混沌同步通信傳輸的信息速率很低，安全性也極 低，以及延伸導致的用戶體驗不佳等問題，本發明提出了一種基于光電反饋環形激光器的 保密通信系統。
[0005] 本發明提出的一種基于光電反饋環形激光器的保密通信系統，其特征在于，所述 系統包括:光電反饋結構和光電注入結構；
[0006] 所述光電反饋結構包括驅動半導體環形激光器(Driving Semiconductor Ring Laser，D-SRL)、信息發射端、光分束器（Beam Splitter，BS)、第一光電探測器 (Photodetector，PD)、第一放大器、第一網絡偏置器及第一直流輸入端;所述D-SRL包括兩 個相反方向的輸出模式:順時針(Clockwise，CW)模式和逆時針(Counterclockwi se，CCW)模 式;其中，所述D-SRL中的CW模式輸出的光和所述信息發射端發射的信息經過所述BS分為第 一光束和第二光束，所述第一光束通過所述第一 PD轉換為電信號后，經過所述第一放大器 放大，再經過第一網絡偏置器結合所述第一直流輸入端的直流電反饋回所述D-SRL中，從而 構成所述光電反饋結構；
[0007] 所述光電注入結構包括第二PD、第二放大器、第二網絡偏置器、第二直流輸入端、 響應半導體環形激光器(Responding Semiconductor Ring Laser，R_SRL)、第三]解調器 及信息接收端;所述第二光束通過所述第二ro轉換為電信號后，經過所述第二放大器放大， 再經過第二網絡偏置器結合所述第二直流輸入端的直流電注入到所述R-SRL中形成混沌載 波，然后經過所述第三ro轉換為電信號輸入到所述解調器，所述解調器還接收所述第二光 束，通過將所述R-SRL的輸入與輸出相減后把所述信息發射端發射的信息解調出來從所述 信息接收端輸出，從而構成所述光電注入結構。
[0008] 進一步的，通過設置所述第一和第二放大器的放大率和注入所述R-SRL的延遲時 間量，調整所述D-SRL和R-SRL之間的光混沌輸出實現混沌同步，以建立基于所述D-SRL和R-SRL的光電反饋型光混沌通信。
[0009] 進一步的，所述信息發射端發射的信息的加載方式采用混沌調制方式，所述信息 與所述D-SRL的輸出相加后，所述發射的信息的一部分反饋回所述D-SRL中，所述信息的另 一部分注入到所述R-SRL中，基于所述D-SRL與所述R-SRL之間的混沌同步，所述混沌載波在 所述R-SRL中被再生，通過將所述R-SRL的輸入與輸出相減，從而解調出來從所述信息接收 端輸出。
[0010] 進一步的，所述D-SRL和R-SRL為對稱結構時可達到高質量的混沌同步;所述對稱 結構為反饋強度n〇E與注入強度S相等、所述D-SRL的反饋延遲時間τ〇Ε和所述R-SRL的注入延 遲時間τ。相等;所述反饋強度η〇Ε為反饋回所述D-SRL的光場與輸出光場之間的比值;所述注 入強度S為注入所述R-SRL光場與輸出光場之間比值。
[0011] 進一步的，所述反饋強度n〇E與注入強度S相等且均介于1.045與1.155之間；所述D-3此的反饋延遲時間1〇￡和所述1?-5此的注入延遲時間、相等且均介于2.11^與2.31^之間。
[0012] 進一步的，所述反饋強度η〇Ε與注入強度S均為1.1;所述D-SRL的反饋延遲時間τ0Ε 和所述R-SRL的注入延遲時間τ。均為2.2ns。
[0013] 進一步的，所述R-SRL的個數為兩個，通過所述D-SRL驅動所述兩個R-SRL，使所述 兩個R-SRL達到高質量的等時同步，從而完成高速雙向雙信道混沌保密通信。
[0014] 本發明的有益效果為具有光傳輸和光電反饋的結構，因而對光和電都具有很好的 兼容性，結合電子控制方式的簡便性和光器件的高性能優點，還可以實現一個驅動激光器 驅動兩個響應激光器，使兩個響應激光器達到高質量的等時同步，兩個響應激光器完成高 速雙向雙信道混沌保密通信，增加用戶體驗。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發明基于光電反饋環形激光器的保密通信系統一實施方式的系統結構 圖。
[0016] 圖2為本發明基于光電反饋環形激光器的保密通信系統中的D-SRL的光電反饋特 性圖。
[0017] 圖3為本發明基于光電反饋環形激光器的保密通信系統中的D-SRL和R-SRL的第一 混沌同步特性圖。
[0018] 圖4為本發明基于光電反饋環形激光器的保密通信系統中的D-SRL和R-SRL的第二 混沌同步特性圖。
[0019] 圖5為本發明基于光電反饋環形激光器的保密通信系統中的D-SRL與R-SRL互相關 系數隨A ri(a)、AT(b)在-5%~5%變化的演化圖。
[0020] 圖6為本發明基于光電反饋環形激光器的保密通信系統中的D-SRL與R-SRL之間的 高速、雙信道混沌保密通信圖。
【具體實施方式】
[0021 ]本發明光傳輸和光電反饋的結構，因而對光和電都具有很好的兼容性，結合電子 控制方式的簡便性和光器件的高性能優點，還可以實現一個驅動激光器驅動兩個響應激光 器，使兩個響應激光器達到高質量的等時同步，兩個響應激光器完成高速雙向雙信道混沌 保密通信。
[0022] 圖1為本發明基于光電反饋環形激光器的保密通信系統10-實施方式的系統結構 圖。圖中，10為基于光電反饋環形激光器的保密通信系統，12為第一直流輸入端，14為第一 網絡偏置器，16為第一放大器，18為第一光電探測器，20為驅動半導體環形激光器(Driving Semiconductor Ring Laser，D-SRL)，22為信息發射端，24光分束器，26為第二光電探測器， 28為第二放大器，30為第二網絡偏置器，32為第二直流輸入端，34為響應半導體環形激光器 (Responding Semiconductor Ring Laser，R_SRL)，36為第三光電探測器，38為解調器，40 為信息接收端。
[0023] 請參閱圖1，為本發明基于光電反饋環形激光器的保密通信系統一實施方式的系 統結構圖。在本實施方式中，基于光電反饋環形激光器的保密通信系統10包括:光電反饋結 構(未標注)和光電注入結構(未標注）。
[0024] 光電反饋結構包括D-SRL 20、信息發射端22、BS 24、第一光電探測器 (Photodetector，PD)18、第一放大器16、第一網絡偏置器14及第一直流輸入端12A-SRL 20 包括兩個相反方向的輸出模式:順時針(Clockwise，CW)模式和逆時針(Counterclockwise， CCW)模式。其中，D-SRL 20中的CW模式輸出的光和信息發射端22發射的信息經過BS 24分為 第一光束和第二光束。第一光束通過第一 ro 18轉換為電信號后，經過第一放大器16放大， 再經過第一網絡偏置器14結合第一直流輸入端12的直流電反饋回D-SRL 20中，從而構成光 電反饋結構。
[0025] 光電注入結構包括第二PD 26、第二放大器28、第二網絡偏置器30、第二直流輸入 端32、響應半導體環形激光器(Responding Semiconductor Ring Laser，R_SRL)34、第三]^ 36、解調器38及信息接收端40。第二光束通過第二PD 26轉換為電信號后，經過第二放大器 28放大，再經過第二網絡偏置器30結合第二直流輸入端32的直流電注入到R-SRL 34中形成 混沌載波，然后經過第三36轉換為電信號輸入到解調器38,解調器38還接收第二光束， 通過將R-SRL 34的輸入與輸出相減后把信息發射端40發射的信息解調出來從信息接收端 40輸出，從而構成光電注入結構。
[0026]在本實施例中，通過設置第一和第二放大器的放大率和注入R-SRL 34的延遲時間 量，調整D-SRL 20和R-SRL 34之間的光混沌輸出實現混沌同步，以建立基于D-SRL 20和R-SRL 34的光電反饋型光混沌通信。
[0027]信息發射端22發射的信息的加載方式采用混沌調制方式，發射的信息與D-SRL 20 的輸出相加后，信息的一部分反饋回D-SRL 20中，信息的另一部分注入到R-SRL 34中，基于 D-SRL 20與R-SRL 34之間的混沌同步，混沌載波在R-SRL 34中被再生，通過將R-SRL 34的 輸入與輸出相減，從而解調出來從信息接收端40輸出。
[0028] 在本實施例中，D-SRL 20和R-SRL 34為對稱結構時可達到高質量的混沌同步，對 稱結構為反饋強度η〇Ε與注入強度δ相等、D-SRL 20的反饋延遲時間τ〇Ε和R-SRL 34的注入延 遲時間τ。相等，反饋強度n〇E為反饋回D-SRL 20的光場與輸出光場之間的比值，注入強度δ為 注入R-SRL 34光場與輸出光場之間比值。反饋強度％Ε與注入強度δ相等且均介于1.045與 1.155之間，D-SRL 20的反饋延遲時間τ〇Ε和R-SRL 34的注入延遲時間、相等且均介于2. Ins 與2.3ns之間。
[0029] 在一具體實施例中，反饋強度η〇Ε與注入強度δ均為1.1，D_SRL 20的反饋延遲時間 τ0Ε和R-SRL 34的注入延遲時間τ。均為2.2ns，可達到高質量高速混沌保密通信。
[0030] 在其他實施例中，R-SRL 34的個數為兩個，通過D-SRL 20驅動兩個R-SRL34,使兩 個R-SRL 34達到高質量的等時同步，從而完成高速雙向雙信道混沌保密通信。
[0031] 在一具體實施例中，基于光電反饋環形激光器的保密通信系統10動力學特性的速 率方程：
[0034] 方程中上標D、R分別表示D-SRL、R-SRL，下標cw和ccw分別表示SRLs中的CW和CCW兩 個模式。κ為光場衰減率，α為線寬增強因子，E為激光器的慢變場振幅，N為載流子數。γ為載 流子衰減率，k和<i>k分別為反向散射振幅和相位，k= (kd2+kc2)1/2, {HitarT^kc/kd)，其中kd 和kc分別表示耗散和保守耦合系數。μ為歸一化注入電流，閾值時y=：Lnc)E為反饋強度，而τ 0Ε 為反饋延遲時間。S為注入強度，1。為注入延遲時間。微分增益gcw= 1-s | Ecw 12_c | Eccw |2，gccw = 1-8|Εαν|2-(3|Ε?|2,其中 8和(3為自飽和系數和交叉飽和系數。方程（1)最后一項表示自發 輻射噪聲項，ξ為平均值為〇，方差為1的高斯白噪聲，D表征噪聲強度：
[0035] D = Dm(N+GoNo/K) (3)
[0036] 這里的Dm為自發輻射因子，Go為增益系數，No為透明的載流子密度。
[0037] D-SRL 20、R-SRL 34的各模式之間的同步質量用關聯函數C來描述，其定義為：
[0039] 式中上標丨，」=0，以0，1?分別表示0-5此20、1?-5此34)，下標〇￥和(^￥表示0-5此 20、1?-3乩34的兩個模式，強度1=^|2，&丨為時移，丨為時間平均值。這里的&七￡(-5〇118， 50ns)，步長為2ps，|C|的取值范圍為[0，1]，兩個模式間的同步性能越好| C|值就越大，當|C =1時，達到完全同步。為簡便起見，兩個D-SRL20、R_SRL 34參數都設置相同κ = lOOnsT1，α =3 · 5。γ = 0· 2ns-1，kd = 0 ·0327ns-1，kc = 0·44ns-1，s = 0 ·005，c = 2s，μ = 1 · 7，G〇 = 10-12m-3s -1，No = 1.4 X 1024nf3。在下面的模擬過程中，我們忽略自發輻射噪聲的影響，Dm=0。
[0040] 請參閱圖2,為本發明基于光電反饋環形激光器的保密通信系統10中的D-SRL 20 的光電反饋特性圖。圖2給出了基于光電反饋D-SRL 20的時間序列(a)和功率譜(b)，從圖2 (a) 可以看出，當_=1.1，咖=2.21^時，0-3此的01模式和(：01模式的時間序列相同。圖2 (b) 是D-SRL的CW模和CCW模對應的功率譜，然后將此CW模式的混沌信號通過第二26和第 一放大器28注入到R-SRL 34中，驅動R-SRL 34的CW模和CCW模也進入混沌狀態，使D-SRL 20 與R-SRL 34的兩個對應模式之間達到混沌同步。
[0041]請參閱圖3,為本發明基于光電反饋環形激光器的保密通信系統10中的D-SRL 20 和R-SRL 34的第一混沌同步特性圖。圖3給出了_ = δ = 1 · 1，tqe = tc = 2·2ns時，D-SRL 20與 R-SRL 20時間序列(a)、自相關函數(b)。由圖3 (a)可以看出，當系統處于對稱結構時，D-SRL 20與R-SRL 34的兩個對應模式之間的時間序列完全相同，說明D-SRL 20與R-SRL 34達到完 全同步。從自相關函數（圖3(b))也可以看出，這時D-SRL 20與R-SRL 34達到完全同步，互相 關系數為1。系統中n〇E與δ、τ〇Ε與τ。不相等時也會影響激光器之間的同步性能。
[0042]請參閱圖4,為本發明基于光電反饋環形激光器的保密通信系統10中的D-SRL 20 和尺-5此34的第二混沌同步特性圖。圖4給出了&11=1%(￡1)、&1 = 1%(13)時，0-31^20與 R-SRL 34自相關函數。由圖4(a)可以看出，當Διι=1%時，D-SRL 20與R-SRL 34兩個對應模 式之間互相關性很低，互相關系數分別為0.5371與0.5581。由圖4(b)同樣可以看出，當Δ τ =1 %時，D-SRL 20與R-SRL 34兩個對應模式之間互相關性也很低，互相關系數分別為 0.5563與0.5729。
[0043]請參閱圖5,為本發明基于光電反饋環形激光器的保密通信系統10中的D-SRL20與 R-SRL 34互相關系數隨Aq(a)、AT(b)在-5%~5%變化的演化圖。從圖5(a)中可以看到， 當系統處于Διι = 0%、Δτ = 〇%時，D-SRL 20與R-SRL 34的互相關系數為1，隨著Δη由-5% 向5 %變化，而Δ τ = 〇 %時，互相關系數下降到〇. 5左右。同樣，從圖5(b)中也可以看到，當系 統處于Δτ = 〇%、Διι = 〇%時，D-SRL 20與R-SRL 34的互相關系數為1。隨著Δτ由-5%向 5%變化，而Δη = 〇%時，互相關系數也下降至I」0.5左右。從中可以看出，基于光電反饋D-SRL 與R-SRL的同步性能對Δ η、Δ τ有很高要求。
[0044]請參閱圖6,為本發明基于光電反饋環形激光器的保密通信系統10中的D-SRL 20 與R-SRL 34之間的高速、雙信道混沌保密通信圖。圖6給出了當η〇Ε = δ = 1.1，tqe= tc = 2.2ns 時，兩個1 〇Gbi t/s隨機方波信息（圖6 (a))以5 %的調制深度分別加載到D-SRL 20的CW模和 CCW模混沌載波上，通過傳輸解調，圖6(b)為解調信息的時間序列，從圖6(a)、圖6(b)可看 出，信息經過傳輸得到了很好的恢復。對應的眼圖（圖6(c))清晰可見，其Q值分別為11.12和 11.06,結果顯示該系統在對稱結構下具有良好的通信質量。這為基于光電反饋D-SRL20與 R-SRL 34的系統雙信道混沌保密通信的實現提供參考，而當Δη=1%、Δ τ = 〇%時，加載到 D-SRL 20上的lOGbit/s隨機方波信息經過傳輸不能得到很好的恢復，其對應的Q值分別為 0.26和0.21，基于D-SRL 20與R-SRL 34各模式之間的混沌同步，來實現D-SRL 20與R-SRL 34之間的高速、雙信道混沌保密通信。
[0045]本發明的有益效果為基于光電反饋環形激光器的保密通信系統10具有光傳輸和 光電反饋的結構，因而對光和電都具有很好的兼容性，結合電子控制方式的簡便性和光器 件的高性能優點，還可以實現一個驅動激光器驅動兩個響應激光器，使兩個響應激光器達 到高質量的等時同步，兩個響應激光器完成高速雙向雙信道混沌保密通信，增加用戶體驗。 [0046]以上僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人 員來說，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本 發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種基于光電反饋環形激光器的保密通信系統，其特征在于，所述系統包括:光電反 饋結構和光電注入結構； 所述光電反饋結構包括驅動半導體環形激光器（Driving Semiconductor Ring Laser，D-SRL)、信息發射端、光分束器（Beam Splitter, BS)、第一光電探測器 (Photodetector，PD)、第一放大器、第一網絡偏置器及第一直流輸入端;所述D-SRL包括兩 個相反方向的輸出模式:順時針(Clockwise，CW)模式和逆時針(Counterclockwi se，CCW)模 式;其中，所述D-SRL中的CW模式輸出的光和所述信息發射端發射的信息經過所述BS分為第 一光束和第二光束，所述第一光束通過所述第一 PD轉換為電信號后，經過所述第一放大器 放大，再經過第一網絡偏置器結合所述第一直流輸入端的直流電反饋回所述D-SRL中，從而 構成所述光電反饋結構； 所述光電注入結構包括第二PD、第二放大器、第二網絡偏置器、第二直流輸入端、響應 半導體環形激光器(Responding Semiconductor Ring Laser，R_SRL)、第三H)、解調器及信 息接收端;所述第二光束通過所述第二ro轉換為電信號后，經過所述第二放大器放大，再經 過第二網絡偏置器結合所述第二直流輸入端的直流電注入到所述R-SRL中形成混沌載波， 然后經過所述第三ro轉換為電信號輸入到所述解調器，所述解調器還接收所述第二光束， 通過將所述R-SRL的輸入與輸出相減后把所述信息發射端發射的信息解調出來從所述信息 接收端輸出，從而構成所述光電注入結構。2. 如權利要求1所述的基于光電反饋環形激光器的保密通信系統，其特征在于，通過設 置所述第一和第二放大器的放大率和注入所述R-SRL的延遲時間量，調整所述D-SRL和R-SRL之間的光混沌輸出實現混沌同步，以建立基于所述D-SRL和R-SRL的光電反饋型光混沌 通信。3. 如權利要求2所述的基于光電反饋環形激光器的保密通信系統，其特征在于，所述信 息發射端發射的信息的加載方式采用混沌調制方式，所述發射的信息與所述D-SRL的輸出 相加后，所述信息的一部分反饋回所述D-SRL中，所述信息的另一部分注入到所述R-SRL中， 基于所述D-SRL與所述R-SRL之間的混沌同步，所述混沌載波在所述R-SRL中被再生，通過將 所述R-SRL的輸入與輸出相減，從而解調出來從所述信息接收端輸出。4. 如權利要求1所述的基于光電反饋環形激光器的保密通信系統，其特征在于，所述D-SRL和R-SRL為對稱結構時可達到高質量的混沌同步;所述對稱結構為反饋強度c他與注入 強度相等、所述D-SRL的反饋延遲時間r他和所述R-SRL的注入延遲時間r c相等;所述反 饋強度Cm為反饋回所述D-SRL的光場與輸出光場之間的比值;所述注入強度為注入所述 R-SRL光場與輸出光場之間比值。5. 如權利要求4所述的基于光電反饋環形激光器的保密通信系統，其特征在于，所述反 饋強度仙￡與注入強度相等且均介于1.045與1.155之間；所述D-SRL的反饋延遲時間 和所述R-SRL的注入延遲時間r c相等且均介于2.1 ns與2.3ns之間。6. 如權利要求5所述的基于光電反饋環形激光器的保密通信系統，其特征在于，所述反 饋強度C肥與注入強度5均為1.1;所述D-SRL的反饋延遲時間r 和所述R-SRL的注入延遲 時間h均為2.2 ns。7. 如權利要求1所述的基于光電反饋環形激光器的保密通信系統，其特征在于，所述R_ SRL的個數為兩個，通過所述D-SRL驅動所述兩個R-SRL，使所述兩個R-SRL達到高質量的等
【文檔編號】H04L9/00GK106027224SQ201610620099
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年8月1日
【發明人】吳加貴
【申請人】西南大學