本實用新型涉及半導(dǎo)體激光領(lǐng)域，具體涉及一種可并行消除延時信息的激光混沌系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體激光器(Semiconductor Laser，SL)自問世以來，其非線性動力學行為及應(yīng)用一直受到相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注。特別的，在適當?shù)恼T導(dǎo)條件下SL可以輸出帶寬達數(shù)GHz以上的寬帶激光混沌信號。目前，這類激光混沌已經(jīng)在高速遠程保密光通信、超高速率隨機數(shù)獲取，高精度混沌雷達等多個領(lǐng)域展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。在保密通信領(lǐng)域，2005年《Nature》報道了在120km商用光通信網(wǎng)絡(luò)中的激光混沌通信現(xiàn)場實驗，實現(xiàn)了1Gbs-1信號的有效隱藏，長距離保密傳輸和10-7誤碼率的信號解調(diào)，顯示了激光混沌在保密通信領(lǐng)域的誘人前景。在超高速率隨機數(shù)產(chǎn)生方面，2008年《Nature Photonics》報道了基于兩組外腔延時反饋半導(dǎo)體激光器(External Cavity Feedback Semiconductor Laser,ECF-SL)系統(tǒng)來獲取Gbs-1超高速隨機數(shù)的方案，表明了基于SL的激光混沌可極大地提高隨機數(shù)發(fā)生器的性能。另外，在混沌雷達方面，基于SL的寬帶激光混沌雷達，具有測量精度高、雜波抑制能力強、低截獲概率和高抗干擾等顯著優(yōu)勢。

然而，為了在SL中產(chǎn)生寬帶激光混沌，通常會在SL外引入延時反饋量，目前絕大多數(shù)實驗報道SL激光混沌系統(tǒng)都基于的ECF-SL方案。而ECF-SL系統(tǒng)的混沌輸出通常均包含了明顯的延時信息。這種延時信息在混沌保密通信和隨機數(shù)獲取中都是不希望出現(xiàn)的。首先在混沌保密通信系統(tǒng)中，延時信息給竊密者提供一個可能的破解線索，利用先進的混沌分析技術(shù)，使混沌系統(tǒng)的重構(gòu)成為可能。其次在超快隨機數(shù)應(yīng)用中，激光混沌的延時信息會給隨機數(shù)序列引入周期回歸特征，從而嚴重影響隨機數(shù)的統(tǒng)計性能。因此，為了提高隨機數(shù)序列的統(tǒng)計性能和確?；煦绫Ｃ芡ㄐ畔到y(tǒng)的安全性，延時信息的消除就顯得尤為重要?；诖?，2008年A.Uchida等人構(gòu)建了兩組ECF-SL系統(tǒng)，使用邏輯‘異或’(exclusive-OR,XOR)操作來消除信號的周期回歸特征。2009年，I.Reidler等人提出利用最低有 效位(Least Significant Bits,LSBs)的邏輯運算方法來消除延時信息。2010年I.Kanter等人進一步提出了采用高達15階的LSBs運算來消除延時信息并提升隨機數(shù)碼率。在上述方案中，都是使用了邏輯運算來消除延時信息。然而，由于電子器件的速率瓶頸，實際制造上述方案所需的超高速邏輯運算器件成本昂貴，邏輯運算的使用也導(dǎo)致該隨機數(shù)的來源不是純粹的物理過程，在真隨機性方面值得商榷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有邏輯運算來消除延時信息方法的所需超高速邏輯運算器件成本昂貴，邏輯運算的使用也導(dǎo)致該隨機數(shù)的來源不是純粹的物理過程，在真隨機性方面值得商榷等問題，本實用新型提出了一種可并行消除延時信息的激光混沌系統(tǒng)。

本實用新型提出的一種可并行消除延時信息的激光混沌系統(tǒng)，其特征在于，包括：

第一半導(dǎo)體激光器、第一顯微物鏡、第一分束鏡、第一反射鏡、第一測試儀器、第二反射鏡、偏振控制器、可變衰減器、第三反射鏡、第二分束鏡、第四反射鏡、第二測試儀器、第二顯微物鏡及第二半導(dǎo)體激光器；

其中，所述第一半導(dǎo)體激光器發(fā)出帶有信息的第一光信號經(jīng)過所述第一顯微物鏡準直后變?yōu)槠叫泄馐?；?jīng)過所述第一分束鏡分為第一平行光束和第二平行光束；所述第一平行光束經(jīng)過所述第二反射鏡、所述偏振控制器、所述可變衰減器、所述第三反射鏡、所述第二顯微物鏡后注入所述第二半導(dǎo)體激光器中，以將所述第一半導(dǎo)體激光器發(fā)出的第一光信號耦合進所述第二半導(dǎo)體激光器；所述第二平行光束經(jīng)所述第一反射鏡注入到所述第一測試儀器進行記錄和分析；所述第二半導(dǎo)體激光器發(fā)出的第二光信號耦合進所述第一半導(dǎo)體激光器。

進一步的，還包括氣墊，所述可并行消除延時信息的激光混沌系統(tǒng)的其他設(shè)備均設(shè)置于所述氣墊上。

進一步的，所述偏振控制器為可調(diào)節(jié)的來使所述第一半導(dǎo)體激光器和第二半導(dǎo)體激光器的偏振狀態(tài)保持一致的偏振控制器。

進一步的，所述第一半導(dǎo)體激光器和第二半導(dǎo)體激光器的耦合強度為注入光功率和輸出光的光功率之間的比值；所述可變衰減器和所述第一半導(dǎo)體激光器和 第二半導(dǎo)體激光器的光功率計為可調(diào)節(jié)的來使所述第一半導(dǎo)體激光器和第二半導(dǎo)體激光器互耦合的可變衰減器和光功率計。

進一步的，所述第一測試儀器和第二測試儀器的型號為Ando AQ6317C。

進一步的，所述第一半導(dǎo)體激光器、第一顯微物鏡、第一分束鏡、第二分束鏡、第二顯微物鏡及第二半導(dǎo)體激光器相互平行；所述偏振控制器、所述可變衰減器都與所述第一半導(dǎo)體激光器互相垂直；所述第一至第四反射鏡與所述第一半導(dǎo)體激光器的夾角為45度或135度。

本實用新型的有益效果為可并行消除延時信息的激光混沌系統(tǒng)中激光混沌的延時信息可以被有效抑制，延時信息可被抑制到背景噪音水平，以純物理的方式實現(xiàn)激光混沌的延時信息抑制，成本低廉。

附圖說明

圖1為本實用新型可并行消除延時信息的激光混沌系統(tǒng)一實施方式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本實用新型可并行消除延時信息的激光混沌系統(tǒng)中的光信號混沌輸出圖。

圖3為本實用新型可并行消除延時信息的激光混沌系統(tǒng)中的光信號混沌時間序列函數(shù)圖。

圖4為本實用新型可并行消除延時信息的激光混沌系統(tǒng)中的光信號混沌輸出圖。

圖5為本實用新型可并行消除延時信息的激光混沌系統(tǒng)的延時信息消除后的混沌時間序列和對應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)曲線圖。

具體實施方式

本實用新型借助兩個半導(dǎo)體激光器之間的互耦機制，實現(xiàn)了雙路激光混沌信號的延時信息同時消除。利用自相關(guān)函數(shù)和互信息函數(shù)對混沌信號的延時信息進行分析，顯示了在合適參數(shù)下實現(xiàn)激光混沌信號的延時信息并行消除。

圖1為本實用新型可并行消除延時信息的激光混沌系統(tǒng)10一實施方式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖中，10為可并行消除延時信息的激光混沌系統(tǒng)，12為第一半導(dǎo)體激光器，14為第一顯微物鏡，16為第一分束鏡，18為第一反射鏡，20為第一測試儀器，22為第二反射鏡，24為偏振控制器，26為可變衰減器，28為第三反射 鏡，30為第二分束鏡，32為第四反射鏡，34為第二測試儀器，36為第二顯微物鏡，38為第二半導(dǎo)體激光器。

請參閱圖1，為本實用新型可并行消除延時信息的激光混沌系統(tǒng)一實施方式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。在本實施方式中，可并行消除延時信息的激光混沌系統(tǒng)10包括：第一半導(dǎo)體激光器12、第一顯微物鏡14、第一分束鏡16、第一反射鏡18、第一測試儀器20、第二反射鏡22、偏振控制器24、可變衰減器26、第三反射鏡28、第二分束鏡30、第四反射鏡32、第二測試儀器34、第二顯微物鏡36及第二半導(dǎo)體激光器38。

第一半導(dǎo)體激光器12發(fā)出帶有信息的第一光信號經(jīng)過第一顯微物鏡14準直后變?yōu)槠叫泄馐?，?jīng)過第一分束鏡16分為第一平行光束和第二平行光束。第一平行光束經(jīng)過第二反射鏡22、偏振控制器24、可變衰減器26、第三反射鏡28、第二顯微物鏡36后注入第二半導(dǎo)體激光器38中，以將第一半導(dǎo)體激光器12發(fā)出的第一光信號耦合進所述第二半導(dǎo)體激光器38。第二平行光束經(jīng)第一反射鏡18注入到第一測試儀器20進行記錄和分析。第二半導(dǎo)體激光器38發(fā)出的第二光信號耦合進第一半導(dǎo)體激光器12。在本實施例中，相同原理，第二半導(dǎo)體激光器38發(fā)出的第二光信號反向耦合進第一半導(dǎo)體激光器12，從而實現(xiàn)了第一半導(dǎo)體激光器12和第二半導(dǎo)體激光器38的延遲互耦合。第一半導(dǎo)體激光器12和第二半導(dǎo)體激光器38的部分輸出光信號經(jīng)過第一和第二分束鏡后，最終注入到第一和第二測試儀器中進行記錄和分析。

在本實施方式中，第一半導(dǎo)體激光器12、第一顯微物鏡14、第一分束鏡16、第二分束鏡30、第二顯微物鏡36及第二半導(dǎo)體激光器38相互平行。偏振控制器24、可變衰減器26都與第一半導(dǎo)體激光器12互相垂直。第一至第四反射鏡與第一半導(dǎo)體激光器12的夾角為45度或135度。

在本實施例中，可并行消除延時信息的激光混沌系統(tǒng)10還包括氣墊(未標注)，可并行消除延時信息的激光混沌系統(tǒng)10的其他設(shè)備均設(shè)置于氣墊上，防止環(huán)境振動帶來的影響。通過調(diào)節(jié)偏振控制器24來使第一半導(dǎo)體激光器12和第二半導(dǎo)體激光器38的偏振狀態(tài)保持一致。第一半導(dǎo)體激光器12和第二半導(dǎo)體激光器38的耦合強度為注入光功率和輸出光的光功率之間的比值，通過調(diào)節(jié)可變衰減器和第一半導(dǎo)體激光器12和第二半導(dǎo)體激光器38的光功率計。通過調(diào)節(jié)第一 半導(dǎo)體激光器12和第二半導(dǎo)體激光器38的耦合強度和溫度值，使第一半導(dǎo)體激光器12和第二半導(dǎo)體激光器38互耦合。

在本實施例中，第一測試儀器20和第二測試儀器34的型號為Ando AQ6317C。

請參閱圖2，為可并行消除延時信息的激光混沌系統(tǒng)10中的光信號混沌輸出圖。圖2給出了基于方程組1數(shù)值計算得到的激光混沌時間序列及其對應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)曲線，其中圖2中的a1圖和圖2中的b1圖為γ＝0.425時的結(jié)果，從中可見該波形隨時間的演化十分復(fù)雜多變，顯示了此時系統(tǒng)處于復(fù)雜的混沌狀態(tài)中。進一步的，圖2中的a2圖和圖2中的b2圖為圖2中的a1圖和圖2中的b1圖對應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)曲線，從該曲線可見，在時延為Δt＝±2τ＝±8ns處有明顯的尖峰，顯示了混沌信號所包含的延時信息。由于第一半導(dǎo)體激光器12和第二半導(dǎo)體激光器38中的對稱性，圖2中的a2圖和圖2中的b2圖的自相關(guān)函數(shù)曲線表現(xiàn)出了相似強度的延時信息。而圖2中的c1圖和圖2中的d1圖為調(diào)節(jié)γ＝0.059的結(jié)果，可見時間序列的演化仍然復(fù)雜多變。而自相關(guān)曲線圖2中的c2圖和圖2中的d2圖在時延為Δt＝±2τ＝±8ns處卻沒有明顯的尖峰，導(dǎo)致自相關(guān)函數(shù)曲線呈現(xiàn)出了δ函數(shù)的形貌。這些結(jié)果表明第一半導(dǎo)體激光器12和第二半導(dǎo)體激光器38混沌波形的延時信息得到了顯著地抑制。而且，第一半導(dǎo)體激光器12和第二半導(dǎo)體激光器38輸出的兩組混沌信號的延時信息均得到抑制，顯示了可并行消除延時信息的激光混沌系統(tǒng)10實現(xiàn)延時信息的并行消除的理論可能性。

請參閱圖3，為本實用新型可并行消除延時信息的激光混沌系統(tǒng)10中的光信號混沌時間序列函數(shù)圖。從這些曲線可以看出，互信息函數(shù)顯示出與自相關(guān)函數(shù)相似的結(jié)果。當混沌時間序列包含延時信息時，互信息曲線在Δt＝2τ＝8ns處有明顯的尖峰(如圖3中的a1圖和圖3中的a2圖所示)。而當延時信息得到有效抑制后，互信息函數(shù)曲線隨時延Δt的增加很快衰減到零值附近，而沒有尖峰出現(xiàn)(如圖3中的b1圖和圖3中的b2圖所示)。

請參閱圖4，為本實用新型可并行消除延時信息的激光混沌系統(tǒng)10中的光信號混沌輸出圖。圖5給出了實驗測量得到的可并行消除延時信息的激光混沌系統(tǒng)10同時輸出的兩組激光混沌時間序列和對應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)分析。此時裝置的耦合強度κ≈0.089。首先，從圖5中的a1圖和圖5中的b1圖中可以看出，混 沌時間序列在亞納秒時間尺度快速而復(fù)雜地變化，從波形上很難直接看出系統(tǒng)的動力學特征。圖5中的a2圖和圖5中的b2圖給出了混沌信號對應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)曲線，從中可見，混沌信號在Δt≈±53.5ns處有明顯的延時信息峰，顯示了測量得到的激光混沌信號其實包含了強烈的延時信息。由于實驗裝置器件尺寸的限制，實驗裝置的耦合延時量τ比理論計算中的τ取值要大，但是圖5的實驗測量結(jié)果顯示了與圖2的數(shù)值模擬結(jié)果良好的相似可比性。需要說明的是，結(jié)合理論模型，延時信息峰出現(xiàn)在時延Δt＝±2τ處。因此圖5中的a2圖和圖5中的b2圖顯示了此時可并行消除延時信息的激光混沌系統(tǒng)10的延時信息量約為26.75ns。這在混沌保密通信等實際應(yīng)用中，該延時信息量為可能的竊密者提供關(guān)鍵的動力學參量值，從而對保密通信的安全構(gòu)成了威脅。

請參閱圖5，本實用新型可并行消除延時信息的激光混沌系統(tǒng)10的延時信息消除后的混沌時間序列和對應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)曲線圖。圖5為實驗測得的延時信息消除后的混沌時間序列和對應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)曲線。此時裝置的耦合強度κ≈0.006。從圖中可以看出，圖5中的a1圖和圖5中的b1圖的混沌時間序列演化復(fù)雜多變，顯示了第一半導(dǎo)體激光器12和第二半導(dǎo)體激光器38均處于混沌態(tài)中。而對應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)曲線圖5中的a2圖和圖5中的b2圖在時延Δt＝±2τ＝±53.5ns處有沒有可觀察的尖峰，導(dǎo)致該曲線呈現(xiàn)出幾乎完美的δ函數(shù)形貌。表明延時信息被成功地抑制到了背景噪音水平。

本實用新型的可并行消除延時信息的激光混沌系統(tǒng)10的具體實施，可能涉及到使用軟件，但所使用的軟件均是本領(lǐng)域技術(shù)人員最常用的軟件，并且，并非本專利申請權(quán)利要求所要保護的范圍。

本實用新型的有益效果為可并行消除延時信息的激光混沌系統(tǒng)10中激光混沌的延時信息可以被有效抑制，延時信息可被抑制到背景噪音水平，以純物理的方式實現(xiàn)激光混沌的延時信息抑制，成本低廉。

以上僅為本實用新型的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本實用新型，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。