本發(fā)明屬于激光器技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地講，涉及一種具有時延隱藏特性的激光混沌擴(kuò)頻變換系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近年來，基于外腔激光器產(chǎn)生的混沌激光在保密通信、隨機(jī)密鑰生成等領(lǐng)域的應(yīng)用已取得重大突破。隨著研究的深入，外腔激光器混沌激光信號的缺點(diǎn)開始逐漸顯露出來：一方面，混沌激光信號頻譜大部分能量集中于激光器弛豫振蕩頻率附近，導(dǎo)致頻譜不平坦且有效帶寬受限；另一方面，由于外部反饋腔的諧振特性，外腔激光器混沌激光信號在反饋延時處有明顯的自相關(guān)性。上述兩方面缺陷制約了混沌保密通信的安全性，也限制了產(chǎn)生隨機(jī)密鑰的速率和密鑰的隨機(jī)性。

關(guān)于混沌激光光信號頻譜問題，在文獻(xiàn)[S.-L.YAN，“Enhancement of chaotic carrier bandwidth in a semiconductor laser transmitter using self-phase modulation in an optical fiber external round cavity”,Chinese Science Bulletin,on 11,1007-1012(2010)]中，作者在激光器外腔反饋中加入光纖，利用光纖自相位調(diào)制(SPM)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了寬頻譜的激光混沌信號輸出；在文獻(xiàn)[Wang An bang,“Generation of flat-spectrum wideband chaos by fiber ring resonator”,Applied Physics Letters 102(2013)]中，作者通過光纖環(huán)形振蕩器產(chǎn)生了頻譜平坦的帶寬激光混沌信號。

關(guān)于時延隱藏問題，在文獻(xiàn)[Rontani D,“Time-delay identification in a chaotic semiconductor laser with optical feedback:a dynamical point of view”,IEEE Journal of Quantum Electronics,on45,879-1891(2009)]中，作者從動力學(xué)角度詳細(xì)分析了外腔半導(dǎo)體激光器的反饋延時特征，利用激光器弛豫振蕩頻率掩蓋了反饋時延特征。在文獻(xiàn)[J.-G.Wu,“Suppression of time delay signatures of chaotic output in a semiconductor laser with double optical feedback”,Opt.Express,on 17,20124～20133(2009)]中，作者提出了采用雙反饋來抑制時延信息，并通過仿真與實(shí)驗(yàn)證明了抑制時延的可行性。在現(xiàn)有研究成果基礎(chǔ)上，本發(fā)明提出一種同時具備平坦寬譜特性和時延隱藏特性的激光混沌信號產(chǎn)生方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有時延隱藏特性的激光混沌擴(kuò)頻變換系統(tǒng)，通過外腔半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的混沌光信號經(jīng)過由光電相位調(diào)制器和高色散介質(zhì)組成的時間透鏡進(jìn)行擴(kuò)頻變換，實(shí)現(xiàn)了激光混沌信號的平坦寬譜和時延隱藏。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明一種具有時延隱藏特性的激光混沌擴(kuò)頻變換系統(tǒng)，其特征在于，包括：

一混沌外腔激光器，包括半導(dǎo)體激光器MSL和光耦合器OC、反射鏡M，用于產(chǎn)生初始混沌激光信號；

一驅(qū)動端，包括乘法器、射頻放大器Amp，以及射頻源1和射頻源2，用于產(chǎn)生驅(qū)動信號，對光電相位調(diào)制器PM1、PM2進(jìn)行驅(qū)動；

一時間透鏡，包括輸入段光電相位調(diào)制器PM1、色散介質(zhì)及輸出段光電相位調(diào)制器PM2，主要用于頻譜的展寬及時延標(biāo)簽的隱藏；

半導(dǎo)體激光器MSL產(chǎn)生連續(xù)激光，并輸入至光耦合器OC，光耦合器OC將輸入的連續(xù)光信號分成兩路，一路作為激光輸出，一路反饋至半導(dǎo)體激光器MSL，通過半導(dǎo)體激光器MSL輸出初始混沌激光信號至光電相位調(diào)制器PM1；

射頻源1和射頻源2產(chǎn)生的兩個不同頻率的余弦電信號，再經(jīng)過乘法器合為一路調(diào)幅信號輸入至射頻放大器Amp，射頻放大器Amp對調(diào)幅信號進(jìn)行放大后作為調(diào)制信號，最后利用調(diào)制信號對輸入至光電相位調(diào)制器PM1的初始混沌激光信號進(jìn)行調(diào)制后，再將調(diào)制后的信號輸入至色散介質(zhì)；

色散介質(zhì)對調(diào)制后的信號進(jìn)行處理后，輸入至輸出段光電相位調(diào)制器PM2，再利用調(diào)制信號對輸入至光電相位調(diào)制器PM2的信號進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制輸出后完成擴(kuò)頻變換及時延標(biāo)簽隱藏。

進(jìn)一步的，本發(fā)明還提供了一種利用所述激光混沌擴(kuò)頻變換系統(tǒng)產(chǎn)生激光混沌信號的方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)、獲取初始混沌激光信號x(t)

半導(dǎo)體激光器MSL輸出連續(xù)激光信號，經(jīng)光耦合器OC分成兩路，一路為輸出信號，一路經(jīng)反射鏡M反射回到半導(dǎo)體激光器中形成光反饋，此時，半導(dǎo)體激光器輸出初始混沌激光信號x(t)；

(2)、將初始混沌信號x(t)輸入至光電相位調(diào)制器PM1

設(shè)光電相位調(diào)制器的傳遞函數(shù)為：

h_PM(t)＝exp(ic₁·cos(ω₁·t)·cos(ω₂·t))

其中，c₁為調(diào)制系數(shù)，ω₁和ω₂表示調(diào)幅驅(qū)動信號的兩個余弦成分各自的角頻率，i表示虛部；

那么，利用相位調(diào)制器對信號時域包絡(luò)x(t)進(jìn)行處理后的信號為：

x_p1(t)＝x(t)·h_PM(t)

(3)、將信號x_p1(t)輸入至色散介質(zhì)

當(dāng)忽略高階次的色散時，光纖的頻域傳遞函數(shù)表達(dá)式為：

其中，λ₀為信號波長，c為真空中的光傳播速度，D為色散介質(zhì)色散系數(shù)；

將光纖的頻域傳遞函數(shù)變換到時域的表達(dá)式為：

其中，F(xiàn)^-1代表反傅里葉變換，C'是和β₂z有關(guān)的常系數(shù)，z為光纖長度；

那么初始混沌激光x(t)經(jīng)過相位調(diào)制器后的信號時域包絡(luò)x_p1(t)為：

x_in(t)＝x_p1(t)*h_D(t)

其中，*表示信號卷積；

(4)、將信號x_in(t)輸入至光電相位調(diào)制器PM2

利用光電相位調(diào)制器PM2對信號時域包絡(luò)x_in(t)進(jìn)行處理后的信號為：

x_p2(t)＝x_in(t)·h_PM2(t)

則擴(kuò)頻變換后輸出的混沌信號為x_p2(t)，便完成了擴(kuò)頻變換及時延標(biāo)簽隱藏。

本發(fā)明的發(fā)明目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明一種具有時延隱藏特性的激光混沌擴(kuò)頻變換系統(tǒng)，通過外腔半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的混沌光信號經(jīng)過由光電相位調(diào)制器PM1、PM2和高色散介質(zhì)組成的時間透鏡進(jìn)行擴(kuò)頻變換；具體講，在時域傅里葉變換進(jìn)行時頻轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，通過增大色散量來實(shí)現(xiàn)了混沌頻譜展寬，通過調(diào)整驅(qū)動信號周期與混沌激光器反饋延時時間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了時延標(biāo)簽隱藏，根據(jù)混沌信號類噪聲特性，經(jīng)過擴(kuò)頻變換后輸出混沌激光信號實(shí)現(xiàn)了頻譜平坦，且具有大的有效帶寬。

同時，本發(fā)明一種具有時延隱藏特性的激光混沌擴(kuò)頻變換系統(tǒng)還具有以下有益效果：

(1)、不改變原有混沌激光器結(jié)構(gòu)，在腔外對混沌激光信號進(jìn)行改變，實(shí)現(xiàn)簡單；

(2、)超大有效帶寬；初始混沌信號經(jīng)過擴(kuò)頻變換后，頻譜有效帶寬得到了極大的提高，達(dá)到了70GHz以上；

(3)、平坦度好；初始混沌信號經(jīng)過擴(kuò)頻變換后，頻譜具有良好的類噪聲頻譜平坦特性，擴(kuò)頻變換后的頻譜平坦度得到了極大的提高；

(4)、時延標(biāo)簽隱藏；由于擴(kuò)頻變換帶來的擾亂特性，時延標(biāo)簽得到了完全隱藏，混沌信號安全性得到了大大增強(qiáng)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種具有時延隱藏特性的激光混沌擴(kuò)頻變換系統(tǒng)的原理圖；

圖2是初始混沌激光信號的時域波形圖；

圖3是初始混沌激光信號的頻域波形圖；

圖4是擴(kuò)頻變換后混沌激光信號的時域波形圖；

圖5是擴(kuò)頻變換后混沌激光信號的頻域波形圖；

圖6是擴(kuò)頻變換后混沌激光信號的時域波形細(xì)節(jié)圖；

圖7是擴(kuò)頻變換后混沌激光信號的頻譜與噪聲頻譜對比圖；

圖8是相位調(diào)制器驅(qū)動信號圖；

圖9是初始混沌激光信號的自相關(guān)函數(shù)曲線圖；

圖10是擴(kuò)頻變換后混沌激光信號的自相關(guān)函數(shù)曲線圖；

圖11是初始混沌激光信號的延時互信息函數(shù)曲線圖；

圖12是擴(kuò)頻變換后混沌激光信號的延時互信息函數(shù)曲線圖；

圖13是初始混沌激光信號的排列熵曲線圖；

圖14是擴(kuò)頻變換后混沌激光信號的排列熵曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行描述，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計的詳細(xì)描述也許會淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時，這些描述在這里將被忽略。

實(shí)施例

圖1是本發(fā)明一種具有時延隱藏特性的激光混沌擴(kuò)頻變換系統(tǒng)的原理圖。

在本實(shí)施例中，如圖1所示，本發(fā)明一種具有時延隱藏特性的激光混沌擴(kuò)頻變換系統(tǒng)，包括：混沌外腔激光器、驅(qū)動端和時間透鏡三部分；

其中，混沌外腔激光器又包括半導(dǎo)體激光器MSL和光耦合器OC、反射鏡M，半導(dǎo)體激光器MSL和反射鏡M形成帶反饋的混沌外腔激光器，用于產(chǎn)生初始混沌激光信號；

驅(qū)動端包括乘法器、射頻放大器Amp，以及射頻源1和射頻源2，用于產(chǎn)生驅(qū)動信號，對光電相位調(diào)制器PM1、PM2進(jìn)行驅(qū)動；

時間透鏡包括輸入段光電相位調(diào)制器PM1、色散介質(zhì)及輸出段光電相位調(diào)制器PM2，且光電相位調(diào)制器PM位于輸入段色散介質(zhì)和輸出段色散介質(zhì)之間，主要用于頻譜的展寬及時延標(biāo)簽的隱藏；

在本實(shí)施例中，光電相位調(diào)制器PM1為具有大相移的電光相位調(diào)制器，峰值為5π(驅(qū)動信號數(shù)值1代表相位π，0對應(yīng)0相位)，對經(jīng)過電光相位調(diào)制器的混沌光信號進(jìn)行相位調(diào)制。

色散介質(zhì)為色散光纖，長度L為：45km，色散D為1.6×10^-5s-¹m²，由于色散作用，經(jīng)過色散光纖作用后，輸入的混沌激光信號頻譜被施加了一個二次相移。

光電相位調(diào)制器PM2的驅(qū)動信號與光電相位調(diào)制器PM1的相同，通過光電相位調(diào)制器PM2對經(jīng)過色散介質(zhì)后的光信號進(jìn)行二次相位調(diào)制。

下面對系統(tǒng)的工作流程進(jìn)行詳細(xì)描述：半導(dǎo)體激光器MSL產(chǎn)生連續(xù)激光，并輸入至光耦合器OC，光耦合器OC將輸入的連續(xù)光信號分成兩路，一路作為激光輸出，一路反饋至半導(dǎo)體激光器MSL，通過半導(dǎo)體激光器MSL輸出初始混沌激光信號至光電相位調(diào)制器PM1；

射頻源1和射頻源2產(chǎn)生的兩個不同頻率的余弦電信號，再經(jīng)過乘法器合為一路調(diào)幅信號輸入至射頻放大器Amp，射頻放大器Amp對調(diào)幅信號進(jìn)行放大后作為調(diào)制信號，最后利用調(diào)制信號對輸入至光電相位調(diào)制器PM1的初始混沌激光信號進(jìn)行調(diào)制后，再將調(diào)制后的信號輸入至色散介質(zhì)；

色散介質(zhì)對調(diào)制后的信號進(jìn)行處理后，輸入至輸出段光電相位調(diào)制器PM2，再利用調(diào)制信號對輸入至光電相位調(diào)制器PM2的信號進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制輸出后完成擴(kuò)頻變換及時延標(biāo)簽隱藏。

由于時間透鏡的作用，經(jīng)過時頻轉(zhuǎn)換后的時域信號能量主要聚集在每個調(diào)制周期的中心位置，通過在色散介質(zhì)處通過增加色散量，將每個時間窗內(nèi)因時頻轉(zhuǎn)換而呈現(xiàn)類頻譜尖峰現(xiàn)象的時域信號在時間軸上展寬，從而使相鄰變換時間窗內(nèi)的類頻譜尖峰信號展寬并逐漸開始彼此交疊，完成時域信號周期特征現(xiàn)象消除。此時時域信號為變換后的新混沌信號，且頻譜得到了極大的展寬，達(dá)到了70Ghz以上。另外通過設(shè)置適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)變換周期，經(jīng)過時間透鏡變換系統(tǒng)后，混沌信號原有周期特性被擾亂，從而實(shí)現(xiàn)時延標(biāo)簽的完全隱藏。

下面結(jié)合圖1，對本發(fā)明一種利用激光混沌擴(kuò)頻變換系統(tǒng)產(chǎn)生激光混沌信號的方法進(jìn)行詳細(xì)說明，具體包括以下步驟：

(1)、獲取初始混沌激光信號x(t)

半導(dǎo)體激光器MSL輸出連續(xù)激光信號，經(jīng)光耦合器OC分成兩路，一路為輸出信號，一路經(jīng)反射鏡M反射回到半導(dǎo)體激光器中形成光反饋，此時，半導(dǎo)體激光器輸出初始混沌激光信號x(t)；

在本實(shí)施例中，初始混沌激光信號在5ns內(nèi)的時域波形圖如圖2所示；初始混沌激光信號頻譜波形圖如圖3所示，此時混沌頻譜陡峭并且在初始短暫上升后急劇下降，導(dǎo)致有效帶寬受限，初始混沌激光信號有效帶寬為6.8GHz。

(2)、將初始混沌信號x(t)輸入至光電相位調(diào)制器PM1

設(shè)光電相位調(diào)制器的傳遞函數(shù)為：

h_PM(t)＝exp(ic₁·cos(ω₁·t)·cos(ω₂·t))

其中，c₁為調(diào)制系數(shù)，ω₁和ω₂表示調(diào)幅驅(qū)動信號的兩個余弦成分各自的角頻率，i表示虛部；

那么，利用相位調(diào)制器對信號時域包絡(luò)x(t)進(jìn)行處理后的信號為：

x_p1(t)＝x(t)·h_PM(t)

(3)、將信號x_p1(t)輸入至色散介質(zhì)

當(dāng)忽略高階次的色散時，光纖的頻域傳遞函數(shù)表達(dá)式為：

其中，λ₀為信號波長，c為真空中的光傳播速度，D為色散介質(zhì)色散系數(shù)；

將光纖的頻域傳遞函數(shù)變換到時域的表達(dá)式為：

其中，F(xiàn)^-1代表反傅里葉變換，C'是和β₂z有關(guān)的常系數(shù)，z為光纖長度；

那么初始混沌激光x(t)經(jīng)過相位調(diào)制器后的信號時域包絡(luò)x_p1(t)為：

x_in(t)＝x_p1(t)*h_D(t)

其中，*表示信號卷積；

(4)、將信號x_in(t)輸入至光電相位調(diào)制器PM2

利用光電相位調(diào)制器PM2對信號時域包絡(luò)x_in(t)進(jìn)行處理后的信號為：

x_p2(t)＝x_in(t)·h_PM2(t)

則擴(kuò)頻變換后輸出的混沌信號為x_p2(t)，便完成了擴(kuò)頻變換及時延標(biāo)簽隱藏。

圖4是擴(kuò)頻變換后混沌激光信號的時域波形圖。

通過對擴(kuò)頻變換后混沌激光信號在5ns內(nèi)的時域波形圖與圖3相比較，可以看出，此時5ns內(nèi)的混沌時域波形已經(jīng)變得密集。

圖5是擴(kuò)頻變換后混沌激光信號的頻域波形圖。

通過與圖3相比較，此時頻譜被拉直成平坦頻譜，有效帶寬達(dá)到70.2GHz。圖6為擴(kuò)頻變換后混沌激光信號在1ns內(nèi)的時域波形，可以看出，新產(chǎn)生的混沌脈沖信號明顯比初始混沌光信號密集，這也說明了混沌頻譜得到了展寬。

圖7是擴(kuò)頻變換后混沌激光信號的頻譜與噪聲頻譜對比圖。

如圖7所示，擴(kuò)頻變換后的混沌激光信號的頻域波形圖與高斯白噪聲頻譜對比，可以看出此時的混沌頻譜具有很好的頻譜平坦特性，其頻譜分布與白噪聲頻譜類似，說明經(jīng)過擴(kuò)頻變換后的混沌信號有效帶寬及頻譜平坦度都得到極大的提高。

圖8是相位調(diào)制器驅(qū)動信號圖。

在本實(shí)施例中，相位調(diào)制器驅(qū)動信號由一個10GHz的余弦信號和一個0.83GHz的余弦信號調(diào)制得到，幅值大小表示相位調(diào)制器的相位偏移量。

圖9是初始混沌激光信號的自相關(guān)函數(shù)曲線圖；

圖10是擴(kuò)頻變換后混沌激光信號的自相關(guān)函數(shù)曲線圖。

自相關(guān)函數(shù)通常用來表征一個信號與其延時信號的相似程度，數(shù)學(xué)描述如下：

其中，Δt為時間延時，S(t)＝|E(t)|²代表混沌時間序列。設(shè)混沌激光器反饋延時時間為3ns，如圖9所示，在3ns、6ns等處均出現(xiàn)明顯的時延峰值。通過圖10與圖9相比較，可以看出時延標(biāo)簽已經(jīng)完全消除，實(shí)現(xiàn)了混沌時延標(biāo)簽的完全隱藏。

圖11是初始混沌激光信號的延時互信息函數(shù)曲線圖；

圖12是擴(kuò)頻變換后混沌激光信號的延時互信息函數(shù)曲線圖。

擴(kuò)頻變換前后的混沌激光信號的延時互信息函數(shù)曲線，用數(shù)學(xué)描述如下：

其中，S(t+Δt))表示聯(lián)合分布概率密度，和分別表示邊緣分布概率密度，混沌激光信號的延時互信息曲線峰值位置也可以確定混沌激光器外腔對應(yīng)的時延結(jié)構(gòu)。

設(shè)混沌激光器反饋延時時間為3ns，如圖11所示，在反饋延時時間3ns、6ns等處均出現(xiàn)明顯的時延峰值。通過圖12與圖11對應(yīng)的時延峰值位置相比較，可以看出時延標(biāo)簽已經(jīng)完全消除，再次證明實(shí)現(xiàn)了混沌時延標(biāo)簽的隱藏。

圖13是初始混沌激光信號的排列熵曲線圖；

圖14是擴(kuò)頻變換后混沌激光信號的排列熵曲線圖。

擴(kuò)頻變換前后混沌激光信號的排列熵曲線，用數(shù)學(xué)描述如下：

將時間序列{x_t,t＝1,…,T}嵌入到一個d維空間中得到：

X_t＝[x(t),x(t+τ_e),…,x(t+(d-1)τ_e)]

其中，d為嵌入維度，τ_e為嵌入延遲，對于任一t，X_t中d(3≤d≤7)個數(shù)可以按如下遞增升序列：

[x(t+(r₁-1)τ_e)≤x(t+(r₂-1)τ_e)…≤x(t+(r_d-1)τ_e)]

若存在兩個相同的數(shù)，則按其下標(biāo)大小排序。于是對于任一的X_t，都可以唯一的映射成“有序圖案”π＝(r₁，r₂，…，r_d)，而π則是d個符號組成的d！這種排列概率分布中的一種，對于這d！種排列，其概率分布定義為：

其中#代表總數(shù)。因此排列熵定義為：

h[P]＝-∑p(π)logp(π)

歸一化排列熵可以表示為：

排列熵H用于量化分析時間序列的不可測度，其物理含義描述為：一個時間序列的H值越大，代表其隨機(jī)性越強(qiáng)，不可預(yù)測度越高；相反H值越小，則該時間序列越規(guī)則，且容易預(yù)測。H為1時對應(yīng)的時間序列是隨機(jī)信號，H為0時對應(yīng)的是完全有序的時間序列(如單調(diào)序列)。

由圖13可知，H值大部分位于0.88以上；而在3ns反饋延時處，H值下降到了0.87，意味著混沌信號的隨機(jī)性下降，激光器時延標(biāo)簽明顯。由圖14可知，此時的H值高達(dá)0.978，并且對比圖13可以看出，在3ns反饋延時處，H值并無明顯下降，說明激光器時延標(biāo)簽被完全隱藏，且擴(kuò)頻變換后的混沌信號具有極強(qiáng)的隨機(jī)性。

盡管上面對本發(fā)明說明性的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實(shí)施方式的范圍，對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。