一种基于光纤调制不稳定性的混沌带宽扩展方法

1.本发明属于混沌频谱扩展技术领域，尤其涉及一种基于光纤调制不稳定性的混沌带宽扩展方法。


背景技术：

2.随着通信带宽需求日益增长，光纤通信因其固有的大传输带宽而成为信息网络的底层物理基础。作为主体光源，半导体激光器在宽带光纤通信中扮演着重要角色。针对半导体激光器，传统研究一直致力于维持其自由运转发光状态，避免出现非线性抖动；随着研究的深入，半导体激光器非线性动力学逐渐受到重视，并在一些新兴应用中崭露头角。不同于自由发光状态，半导体激光器非线性动力学可通过引入外部扰动来激发，而其中最简单、经典的方式为外部光反馈。因此，光反馈半导体激光器非线性动力学的研究和应用受到了国内外广泛关注。通过引入外部光反馈，半导体激光器遵循准周期进入混沌的方式，逐步呈现：稳定锁定、周期振荡、准周期振荡、并最终进入混沌状态。其中，混沌状态因其波形随机、宽谱、高维度、可同步等独特性质而尤其受到关注，相应地光反馈混沌激光器被广泛引入激光雷达、保密通信、高速物理随机数生成、动态布里渊光栅传感、安全密钥分发、光子储备池计算等诸多热门研究领域。
3.外部光反馈下，半导体激光器的非线性动力学主要受两个基本时间尺度主宰：外腔反馈时延和激光器弛豫振荡周期。其中，前者决定了激光器外部反馈腔的谐振模式，而后者限制了激光器内部光子和载流子能量交换的速度。在基于激光混沌的应用中，混沌的带宽直接对应于混沌测距中的分辨率、混沌保密通信中的数据率、安全秘钥的生成速率等关键指标。但混沌带宽被激光器的弛豫振荡(通常为10ghz左右)所限制，已逐渐成为限制混沌激光性能的关键因素，是混沌激光技术的发展与应用中亟待解决的难题。
4.传统混沌频谱扩展方案中，通常采用多个激光器级联方案实现混沌频谱的混叠和扩展。该方法的装置如图1所示。图1所示方案主要由2个激光器及相应中间光学级联器件组成。激光器1负责混沌种子信号产生，激光器2负责对该混沌种子进行特定非线性处理，最终在输出端获得带宽扩展的混沌信号。该方案的实施步骤如下：首先，激光器1的输出光到达环形器1的a1端口，然后从b1端口输出经过光环路到达c1端口，再从a1端口反馈回激光器1，构成混沌种子信号发生装置，偏振控制器1用来调节反馈光的偏振使其与激光器1输出光的偏振相同；接着，通过控制激光器1的反馈参数(包括反馈强度和反馈时延)使其输出混沌种子信号，并由耦合器分出部分种子信号，经环形器2的a2和b2端口注入到激光器2，偏振控制器2用来调节注入光的偏振使其与激光器2输出光的偏振相同；最后，调试激光器2的动力学控制参数(包括注入强度和注入频偏)，使外部注入的混沌种子信号与激光器2自身的谐振信号产生四波混频效应，通过频谱混叠扩展带宽，在输出端口得到扩频的混沌信号。
5.现有技术方案的频谱扩展机制是利用额外激光器的非线性效应实现频谱叠加。然而，参与非线性处理的激光器自身频率响应带宽同样受弛豫振荡所限制，因此该方案并没有从本质上突破弛豫振荡的限制，其频谱扩展效果与激光器数量大致成正比，从而不可避
免的带来成本的倍增。
6.术语解释：
7.反馈强度：反馈光功率与激光器内部光功率的比值。
8.反馈时延：光在激光器外部反馈腔内传播一个往返所需的时间。
9.注入强度：注入光功率与激光器内部光功率的比值。
10.注入频偏：注入光与激光器内部光之间的频率差。
11.弛豫振荡：弛豫振荡是半导体激光器的基本特性之一，是谐振腔内光子与增益介质中载流子能量交互的表征。当谐振腔内光子耗散时间远小于增益介质中载流子耗散时间时，就会产生弛豫振荡现象。
12.自相位调制：本发明指在光纤中，传输光信号幅度的瞬时变化会使折射率随之改变，进而使该信号相位也变化。
13.群速度色散：介质中光的群速度对光频率的导数，表征了光群速度与自身频率的相关现象。
14.调制不稳定性：本发明指在光纤中，传输光信号幅度的改变通过光纤自相位调制效应引起频率啁啾，随后光纤色散效应将频率啁啾转换为对幅度的调制。


技术实现要素：

15.为了克服上述问题，本发明提供一种基于光纤调制不稳定性的混沌带宽扩展方法。
16.本发明的一种基于光纤调制不稳定性的混沌带宽扩展方法，具体为：
17.步骤1：基于光滤波反馈实现混沌种子信号的产生及频谱预整形。
18.激光器的输出光通过一段光纤耦合到光栅阵列处，实现频谱裁剪及反射；随后，该反射光再经过偏振控制器反馈注入回激光器内部实现混沌种子信号的产生，偏振控制器用来调节反射光的偏振使其与激光器输出光的偏振相匹配；调整反馈参数实现激光器呈现混沌动力学状态，调整滤波器参数实现上三角型频谱输出；随后混沌种子信号经过耦合器和隔离器进入后端的混沌扩频模块。
19.步骤2：在混沌扩频模块中，利用光纤自相位调制和反常色散效应作用下的光纤调制不稳定性实现混沌频谱平坦及扩展。
20.在混沌扩频模块中，光纤自相位调制非线性效应由调节注入混沌种子信号光功率来控制，色散效应由调节混沌激光的波长及非线性光纤的长度来控制；通过调控非线性及色散效应激发光纤调制不稳定性，并使其m型增益谱与混沌种子信号的上三角型频谱相匹配，从而使输入混沌信号中心频域附近的能量通过光纤的调制不稳定性转换到其边沿频谱区域，实现频谱平坦化，进而达到扩频效果。
21.上述反馈参数包括反馈强度和反馈时延，滤波器参数包括各光栅中心频率和反射带宽。
22.本发明的有益技术效果为：
23.本发明提出混沌产生与频谱预整形相结合的功能模块，设计光栅阵列滤波反馈方案，同时实现混沌频谱剪裁及光反馈，兼容混沌产生及频谱调控。在混沌扩频模块中，提出利用调制不稳定性的m型增益谱响应与混沌的上三角型频谱相匹配，实现频谱的平坦及扩
展。
附图说明
24.图1为传统双激光器级联混沌扩频方案系统示意图。
25.图2为本发明基于光纤调制不稳定性的混沌带宽扩展示意图。
26.图3为基于光纤非线性的调制不稳定性增益意图。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。
28.本发明的一种基于光纤调制不稳定性的混沌带宽扩展方法，如图2所示，具体为：
29.步骤1：基于光滤波反馈实现混沌种子信号的产生及频谱预整形。
30.本发明提出了阵列滤波反馈实现混沌种子产生，其实施过程如下：首先，激光器的输出光通过一段光纤耦合到光栅阵列处，实现频谱裁剪及反射。随后，该反射光再经过偏振控制器反馈注入回激光器内部实现混沌种子信号的产生，偏振控制器用来调节反射光的偏振使其与激光器输出光的偏振相匹配。在特定的反馈参数(包括反馈强度和反馈时延)下激光器可呈现混沌动力学状态，在特定滤波器参数(各光栅中心频率和反射带宽)下激光混沌可实现上三角型频谱输出。随后混沌种子信号经过耦合器和隔离器进入后端的混沌扩频模块。
31.步骤2：在混沌扩频模块中，利用光纤自相位调制和反常色散效应作用下的光纤调制不稳定性实现混沌频谱平坦及扩展。
32.混沌半导体激光器发光强度的振荡时间尺度通常在几十到几百皮秒量级，所以在光纤传输过程中的受激散射效应(布里渊散射和拉曼自频移)通常可被忽略。根据非线性薛定谔方程，混沌扩频子系统可简化为由下式描述：
[0033][0034]
其中，d为光纤中的传输距离，a(d,t)为光纤中的慢变光场。公式的右边分别描述了光纤的功率损耗效应，群速度色散效应，和克尔非线性效应。其中，α为光纤衰减系数，β2为光纤群速度色散参量，γ为光纤克尔非线性参量。当β2为负时(反常色散)，连续波形的传输将经历调制不稳定性效应。图3示意了当波长为1.55μm功率为1w的光信号在普通单模光纤(β2＝-20ps2/km,γ＝2w-1
/km)中传输时，所经历的调制不稳定性效应的理论增益曲线(不考虑功率损耗)。
[0035]
由图3可见，调制不稳定性具备m型增益谱，可有效的将位于中心频率的传输光(泵浦光)能量转换为其两侧频率区域的增益。而此m型增益谱型和范围可通过调节光纤非线性效应和光纤色散效应进行调控。此外，图3可见，光纤调制不稳定性的响应频谱远超过半导体激光器的弛豫振荡，通常可达几到十几倍。
[0036]
为了实现混沌种子信号带宽的扩展，本发明基于光纤调制不稳定性效应，提出了混沌的频谱扩展方案，调控扩频模块增益谱的具体的实施过程如下：一方面，通过光放来调节注入非线性光纤的混沌种子信号功率，进而控制非线性效应；另一方面，通过调节混沌激光的波长及非线性光纤的长度来控制色散效应；混沌扩频模块的m型增益谱与混沌种子信
号的上三角型频谱相匹配，使输入混沌信号中心频域附近的能量通过光纤的调制不稳定性转换到其边沿频谱区域，实现频谱平坦化，进而达到扩频效果。
[0037]
在激光混沌光源系统中，激光器是成本的主要组成。传统的混沌频谱扩展机制依赖于多个激光器的频谱叠加，不可避免的具有成本随带宽线性增加的劣势。本发明方案借助光纤调制不稳定性效应来诱导混沌信号的功率向其边带频率迁移，以实现频谱的平坦，进而达到带宽扩展的目的。光纤调制不稳定性的响应带宽远远超过激光器的弛豫振荡，可在不增加额外成本的前提下，仅通过调节控制参数实现混沌带宽几到十几倍的增加。本发明从机制上进行创新，避免了激光器个数随混沌带宽的增加而增加，因而具备更好的成本优势。