CN118073944A - 一种具有低时延特征的光电振荡器和混沌信号生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明属微波光子技术领域，特别涉及一种具有低时延特征的光电振荡器和混沌信号生成方法，其中具有低时延特征的光电振荡器包括激光器、电光调制器、偏振控制器、第一环形器、第二环形器、第一光纤卷、第二光纤卷、光电探测器和电功分器。本发明通过第一环形器和第二环形器将第一光纤卷中发生受激布里渊产生的后向斯托克斯光输入第二光纤卷，并利用第二光纤卷中产生的瑞利后向散射斯托克斯光返回第一光纤卷，使得瑞利后向散射斯托克斯光再次经过受激布里渊增益区域从而得到放大，无需额外的泵浦模块和光放大器即可利用受激布里渊散射效应实现瑞利散射光的放大。

Description

一种具有低时延特征的光电振荡器和混沌信号生成方法

技术领域

本发明涉及微波光子学技术领域，特别涉及一种具有低时延特征的光电振荡器和混沌信号生成方法。

背景技术

混沌信号具有类噪声、宽频谱、不可预测的特点，广泛应用于随机数产生、保密通信、雷达测距等领域。利用光反馈半导体激光器是产生混沌信号的方法之一，但由于半导体激光器固有的驰豫振荡效应，导致混沌信号频谱能量分布不均，存在带宽窄、频谱不平坦等问题。最近发展的光电振荡器使用光电混合正反馈技术，有效规避半导体激光器的驰豫振荡现象，能产生宽带且平坦的混沌信号。但是，基于光电振荡器构建的混沌信号源由于具有固定长度的正反馈外腔，输出的混沌信号存在弱周期特性，呈现明显的时延特征，会造成以下几方面的影响：1、影响所生成随机数的统计无序性；2、窃听者可以通过时延特征的分析，获取光电振荡器的腔长信息，重构混沌光电振荡器，对保密通信的安全性造成严重影响；其自相关曲线存在明显的旁瓣，会引起混沌雷达的虚警或者误判。

传统固定腔长光电振荡器所产生的混沌信号具有时延特征是限制其应用发展的主要因素，公开号为CN115133379 A的发明专利公开了一种基于受激布里渊散射放大的随机信号生成装置及方法，利用瑞利散射的腔长随机性解决了上述问题，但其为了放大瑞利散射需要额外引入一个泵浦模块和光放大器，增加了***的复杂性以及成本，因此本发明提出一种结构简单的低时延特征的光电振荡器。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种具有低时延特征的光电振荡器和混沌信号生成方法，能够解决现有光电振荡器产生混沌信号存在弱周期性、呈现明显时延特征的问题，且结构简单，成本低易维护。

第一方面，本发明提供一种具有低时延特征的光电振荡器，包括激光器、电光调制器、偏振控制器、第一环形器、第二环形器、第一光纤卷、第二光纤卷、光电探测器和电功分器；其中，

所述激光器用于产生连续光波；

所述电光调制器用于将连续光波调制成电光调制信号；

偏振控制器用于调整电光调制信号的偏振态，使受激布里渊散射的放大效应达到最大；

所述第一环形器，用于将电光调制信号输入到所述第一光纤卷中；

所述述第一光纤卷用于使电光调制信号在所述第一光纤卷中发生受激布里渊散射，产生后向斯托克斯光；

所述第二环形器用于将后向斯托克斯光经过所述第一环形器输入到所述第二光纤卷中；

所述第二光纤卷用于使后向斯托克斯光发生随机瑞利散射效应；

所述光电探测器，用于将光信号转化为电信号；

所述电功分器，用于将所述光电探测器输出的电信号分为两束，一束注入所述电光调制器中，以闭合光电振荡环路，另一束作为输出信号供测量分析。

进一步地，所述第二光纤卷还用于产生瑞利后向散射斯托克斯光，所述第二环形器还用于将所述瑞利后向散射斯托克斯光输入到所述第一光纤卷中，通过受激布里渊放大效应得到放大，放大后的瑞利后向散射斯托克斯光经过所述第一环形器和所述第二环形器进入所述第二光纤卷中。

进一步地，在所述第二光纤卷和所述光电探测器之间还包括掺铒光纤放大器，用于进行光信号的功率放大。

进一步地，在所述光电探测器和所述电功分器之间还包括电放大器，用于对电信号进行放大。

进一步地，所述具有低时延的光电振荡器还包括数据采集模块，用于对所述电功分器的输出信号进行数据采集。

进一步地，所述第一环形器和所述第二环形器间包括光耦合器，所述光耦合器用于将电光调制信号分为两束，其中一束进入所述第二环形器，另一束输入光谱仪进行测量光谱强度测量，调节偏振控制器使光谱强度最强。

进一步地，所述第一光纤卷采用色散补偿光纤，所述第二光纤卷采用高掺杂的单模光纤。

另一方面，本发明还提出了一种生成具有低时延特征的光电信号的方法，步骤包括：

激光器产生的连续波经过电光调制器产生电光调制信号，经过偏振控制器和第一环形器，进入到第一光纤卷中；

调整所述激光器的功率，使所述电光调制信号在所述第一光纤卷中发生受激布里渊散射效应，产生后向斯托克斯光，利用所述偏振控制器调整所述电光调制信号的偏振态，使受激布里渊散射的放大效应达到最大；

所述后向斯托克斯光经过所述第一环形器和第二环形器输入到第二光纤卷中，在所述第二光纤卷中发生随机瑞利散射效应；

光电探测器对所述第二光纤卷输出的光信号进行采集，输出电信号，电功分器将电信号分为两束，一束注入所述电光调制器中，以闭合光电振荡环路，另一束作为输出信号供测量分析。

进一步地，所述第二光纤卷中发生随机瑞利散射效应时产生瑞利后向散射斯托克斯光，所述瑞利后向散射斯托克斯光通过所述第二环形器传输到所述第一光纤卷中，通过受激布里渊放大效应得到放大，放大后的瑞利后向散射斯托克斯光经过所述第一环形器和所述第二环形器再次进入所述第二光纤卷中。

进一步地，利用所述偏振控制器调整所述电光调制信号的偏振态，使受激布里渊散射的放大效应达到最大的步骤包括：

所述第一环形器和所述第二环形器间包括光耦合器，利用所述光耦合器将电光调制信号分为两束，其中一束进入所述第二环形器，另一束输入光谱仪进行测量光谱强度测量，调节偏振控制器使测得的光谱强度最强时，受激布里渊散射的放大效应达到最大。

本发明的有益效果为：

本发明通过第一环形器和第二环形器将第一光纤卷中发生受激布里渊产生的后向斯托克斯光输入第二光纤卷，并利用第二光纤卷中产生的瑞利后向散射斯托克斯光返回第一光纤卷，使得瑞利后向散射斯托克斯光再次经过受激布里渊增益区域从而得到放大，无需额外的泵浦模块和光放大器即可利用受激布里渊散射效应实现瑞利散射光的放大。本发明提出的方法所产生的混沌信号可以有效地提高保密通信的安全性，提高随机数的统计无关特性，降低雷达的虚警或误判概率。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例的具有低时延特征的光电振荡器的结构示意图；

图2为传统光电振荡器所产生混沌信号的归一化自相关曲线图；

图3为本发明实施例的低时延特征光电振荡器所产生混沌信号的归一化自相关曲线。

附图标记为：激光器1、电光调制器2、偏振控制器3、第一环形器4、第一光纤卷5、第二环形器6、第二光纤卷7、掺铒光纤放大器8、光电探测器9、电放大器10、电功分器11、数据采集模块12、光耦合器13、光谱仪14。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1，本发明提出了一种具有低时延特征的光电振荡器，包括激光器1、电光调制器2、偏振控制器3、第一环形器4、第二环形器6、第一光纤卷5、第二光纤卷7、光电探测器9和电功分器11；其中，

所述激光器1用于产生连续光波；

所述电光调制器2用于将连续光波调制成电光调制信号；

所述偏振控制器3用于调整电光调制信号的偏振态，使受激布里渊散射的放大效应达到最大；

所述第一环形器4，用于将电光调制信号输入到所述第一光纤卷中5；

所述述第一光纤卷5用于使电光调制信号在所述第一光纤卷5中发生受激布里渊散射，产生后向斯托克斯光；

所述第二环形器6用于将后向斯托克斯光经过所述第一环形器4输入到所述第二光纤卷7中；

所述第二光纤卷7用于使后向斯托克斯光发生随机瑞利散射效应；

所述光电探测器9，用于将光信号转化为电信号；

所述电功分器11，用于将所述光电探测器输出的电信号分为两束，一束注入所述电光调制器2中，以闭合光电振荡环路，另一束作为输出信号供测量分析。

在一个具体的实施例中，所述第二光纤卷7还用于产生瑞利后向散射斯托克斯光，所述第二环形器6还用于将所述瑞利后向散射斯托克斯光输入到所述第一光纤卷5中，通过受激布里渊放大效应得到放大，放大后的瑞利后向散射斯托克斯光经过所述第一环形器4和所述第二环形器6进入所述第二光纤卷7中。

在一个具体的实施例中，在所述第二光纤卷7和所述光电探测器9之间还包括掺铒光纤放大器8，用于进行光信号的功率放大。

在一个具体的实施例中，在所述光电探测器9和所述电功分器11之间还包括电放大器10，用于对电信号进行放大。

在一个具体的实施例中，所述具有低时延特征的光电振荡器还包括数据采集模块12，用于对所述电功分器11的输出信号进行数据采集。

在一个具体的实施例中，所述第一环形器4和所述第二环形器6间包括光耦合器13，所述光耦合器用于将电光调制信号分为两束，其中一束进入所述第二环形器6，另一束输入光谱仪14进行测量光谱强度测量，调节偏振控制器使测得的光谱强度最强。

在一个具体的实施例中，所述第一光纤卷5采用色散补偿光纤，所述第二光纤卷7采用高掺杂的单模光纤。

所述的具有低时延特征的光电振荡器的工作原理如下：

激光器1产生中心波长为1550 nm的连续光波被电光调制器2调制产生电光调制信号，电光调制信号经偏振控制器3进入第一环形器4，后依次经过第一环形器4的①号端口和②号端口进入第一光纤卷5中；当进入第一光纤卷5的调制光信号功率达到一定值时，会发生受激布里渊散射效应，产生后向斯托克斯光，同时结合偏振控制器3调整电光调制信号的偏振态，可以使布里渊散射的放大效应达到最大；其中由受激布里渊散射产生的后向斯托克斯光依次通过第一环行器4的②号端口、③号端口和第二环形器6的①号端口、②号端口进入第二光纤卷7中；第一环行器4的③号端口与第二环行器的①号端口相连；因为第二光纤卷7内部折射率的不均匀，由第一光纤卷5产生的后向斯托克斯光在第二光纤卷7中传播时会产生随机瑞利散射效应，产生瑞利后向散射斯托克斯光依次通过第二环形器6的②号端口、③号端口进入光纤卷5中，因其与原电光调制信号的传输方向相反，通过受激布里渊放大效应得到放大；放大后的瑞利后向散射斯托克斯光又由第一环形器4与第二环形器6进入第二光纤卷7中；经第二光纤卷7传输，依次经过掺铒光纤放大器8进行光功率放大，并由光电探测器9进行光电转换得到微波信号；所得到的微波信号再经过电放大器10进行电信号放大，并由电功分器11将放大后的微波信号分为两束，一束注入电光调制器2中，以闭合光电振荡器环路；另一束由数据采集模块12进行采集，以便后期测量分析。

在偏振控制器3进行偏振态调节时，可以在第一环形器4的3号端口和第二环形器6的1号端口之间添加一个1:99的光耦合器13，99%的光输入环形器2，1%的光输入光谱仪14进行测量。通过不断调节偏振控制器，并利用光谱仪测量斯托克斯光的光谱强度，找出斯托克斯光强度最高时所对应输入第一光纤卷中电光调制信号的偏振态，此时受激布里渊散射增益达到最大，对瑞利后向散射斯托克斯光以及后向斯托克斯光放大效果最好。

在另一个具体的实施例中，在调整第一光纤卷中受激布里渊散射增益效果时，也可以通过分析数据采集模块得到的信号未进入混沌状态时的频谱曲线，根据斯托克斯光峰的强度来判断受激布里渊散射增益效果。当激光器的偏振态和瑞利散射斯托克斯光的偏振态平行时，斯托克斯光峰值最高，第一光纤卷中受激布里渊散射增益效果最好；当激光器的偏振态和瑞利散射斯托克斯光的偏振态正交时斯托克斯光峰值最低，第一光纤卷中受激布里渊散射增益效果最差。

本发明还提出了一种生成具有低时延特征的混沌信号的方法，步骤包括：

S1，激光器产生的连续光波经过电光调制器产生电光调制信号，经过偏振控制器和第一环形器，进入到第一光纤卷中；

S2，调整所述激光器的功率，使所述电光调制信号在所述第一光纤卷中发生受激布里渊散射效应，产生后向斯托克斯光，利用所述偏振控制器调整所述电光调制信号的偏振态，使受激布里渊散射的放大效应达到最大；

S3，所述后向斯托克斯光经过所述第一环形器和第二环形器输入到第二光纤卷中，在所述第二光纤卷中发生随机瑞利散射效应；

S4，光电探测器对所述第二光纤卷输出的光信号进行采集，输出电信号，电功分器将电信号分为两束，一束注入所述电光调制器中，以闭合光电振荡环路，另一束作为输出信号供测量分析。

在一个具体的实施例中，所述第二光纤卷中发生随机瑞利散射效应时产生瑞利后向散射斯托克斯光，所述瑞利后向散射斯托克斯光通过所述第二环形器传输到所述第一光纤卷中，通过受激布里渊放大效应得到放大，放大后的瑞利后向散射斯托克斯光经过所述第一环形器和所述第二环形器再次进入所述第二光纤卷中。

在一个具体的实施例中，利用所述偏振控制器调整所述电光调制信号的偏振态，使受激布里渊散射的放大效应达到最大的步骤包括：

所述第一环形器和所述第二环形器间包括光耦合器，利用所述光耦合器将电光调制信号分为两束，其中一束进入所述第二环形器，另一束输入光谱仪进行测量光谱强度测量，调节偏振控制器使测得的光谱强度最强时，受激布里渊散射的放大效应达到最大。

本发明通过第一环形器和第二环形器将第一光纤卷中发生受激布里渊产生的后向斯托克斯光输入第二光纤卷，并利用第二光纤卷中产生的瑞利后向散射斯托克斯光返回第一光纤卷，使得瑞利后向散射斯托克斯光再次经过受激布里渊增益区域从而得到放大，无需额外的泵浦模块和光放大器即可利用受激布里渊散射效应实现瑞利散射光的放大。

图2展示了传统光电振荡器所产生混沌信号的归一化自相关曲线，从图中可以看出在105.5 μs附近有个明显的旁瓣，这是由于传统光电振荡器具有固定腔长引起的。图3示出了利用本发明提出的一种低时延特征光电振荡器所产生混沌信号的归一化自相关曲线，可以看出，其归一化自相关曲线旁瓣得到很好的抑制，没法通过其自相关曲线推断光电振荡器的时延特征，有效地提高了保密通信的安全性、随机数的统计无关特性、降低了雷达的虚警或误判概率。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种具有低时延特征的光电振荡器，其特征在于，包括激光器、电光调制器、偏振控制器、第一环形器、第二环形器、第一光纤卷、第二光纤卷、光电探测器和电功分器；其中，

所述激光器用于产生连续光波；

所述电光调制器用于将连续光波调制成电光调制信号；

所述第一环形器，用于将电光调制信号输入到所述第一光纤卷中；

所述第一光纤卷用于使电光调制信号在所述第一光纤卷中发生受激布里渊散射，产生后向斯托克斯光；

偏振控制器用于调整电光调制信号的偏振态，使所述第一光纤卷中的受激布里渊散射的放大效应达到最大；

所述第二环形器用于将后向斯托克斯光经过所述第一环形器输入到所述第二光纤卷中；

所述第二光纤卷用于使后向斯托克斯光发生随机瑞利散射效应；

所述光电探测器，用于将光信号转化为电信号；

所述电功分器，用于将所述光电探测器输出的电信号分为两束，一束注入所述电光调制器中，以闭合光电振荡环路，另一束作为输出信号供测量分析。

2.根据权利要求1所述的具有低时延特征的光电振荡器，其特征在于，所述第二光纤卷还用于产生瑞利后向散射斯托克斯光，所述第二环形器还用于将所述瑞利后向散射斯托克斯光输入到所述第一光纤卷中，通过受激布里渊放大效应得到放大，放大后的瑞利后向散射斯托克斯光经过所述第一环形器和所述第二环形器进入所述第二光纤卷中。

3.根据权利要求2所述的具有低时延特征的光电振荡器，其特征在于，在所述第二光纤卷和所述光电探测器之间还包括掺铒光纤放大器，用于进行光信号的功率放大。

4.根据权利要求3所述的具有低时延特征的光电振荡器，其特征在于，在所述光电探测器和所述电功分器之间还包括电放大器，用于对电信号进行放大。

5.根据权利要求4所述的具有低时延特征的光电振荡器，其特征在于，还包括数据采集模块，用于对所述电功分器的输出信号进行数据采集。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的具有低时延特征的光电振荡器，其特征在于，所述第一环形器和所述第二环形器间包括光耦合器，所述光耦合器用于将电光调制信号分为两束，其中一束进入所述第二环形器，另一束输入光谱仪进行测量光谱强度，调节偏振控制器使测得的光谱强度最强。

7.根据权利要求6所述的具有低时延特征的光电振荡器，其特征在于，所述第一光纤卷采用色散补偿光纤，所述第二光纤卷采用高掺杂的单模光纤。

8.一种生成具有低时延特征的混沌信号的方法，其特征在于，包括：

激光器产生的连续光波经过电光调制器产生电光调制信号，经过偏振控制器和第一环形器，进入到第一光纤卷中；

调整所述激光器的功率，使所述电光调制信号在所述第一光纤卷中发生受激布里渊散射效应，产生后向斯托克斯光，利用所述偏振控制器调整所述电光调制信号的偏振态，使受激布里渊散射的放大效应达到最大；

所述后向斯托克斯光经过所述第一环形器和第二环形器输入到第二光纤卷中，在所述第二光纤卷中发生随机瑞利散射效应；

光电探测器对所述第二光纤卷输出的光信号进行采集，输出电信号，电功分器将电信号分为两束，一束注入所述电光调制器中，以闭合光电振荡环路，另一束作为输出信号供测量分析。

9.根据权利要求8所述的生成具有低时延特征的混沌信号的方法，其特征在于，包括：所述第二光纤卷中发生随机瑞利散射效应时产生瑞利后向散射斯托克斯光，所述瑞利后向散射斯托克斯光通过所述第二环形器传输到所述第一光纤卷中，通过受激布里渊放大效应得到放大，放大后的瑞利后向散射斯托克斯光经过所述第一环形器和所述第二环形器再次进入所述第二光纤卷中。

10.根据权利要求9所述的生成具有低时延特征的混沌信号的方法，其特征在于，利用所述偏振控制器调整所述电光调制信号的偏振态，使受激布里渊散射的放大效应达到最大的步骤包括：

所述第一环形器和所述第二环形器间包括光耦合器，利用所述光耦合器将电光调制信号分为两束，其中一束进入所述第二环形器，另一束输入光谱仪进行测量光谱强度测量，调节偏振控制器使测得的光谱强度最强时，受激布里渊散射的放大效应达到最大。