基于混沌激光的无后处理多位物理随机数高速产生技术研究

提出一种基于混沌激光的无后处理多位物理随机数高速提取方法.该方法在光域中利用锁模激光器作为光时钟,通过太赫兹光非对称解复用器完成对混沌激光的超低抖动光采样,无需射频时钟及后续逻辑处理过程的参与,经多位比较量化可直接产生优质物理随机数.并以光反馈半导体激光器这一典型的混沌激光产生装置作为熵源对所提方法进行了原理性实验论证.结果显示,光反馈半导体激光器产生的6 GHz混沌激光经5 GSa/s实时、低抖动光采样后,利用并行输出型多位比较器对所获混沌脉冲序列进行量化处理,选取最低有效位4位,可直接产生速率达20 Gb/s的随机数.该随机数速率由选取的量化结果最低有效位数和光采样率联合决定,而当前光采样率受限于所用混沌激光熵源的带宽.本文工作可为硬件上实现更高速物理随机数的实时、在线产生提供有力的技术和理论支撑.     

线宽增强因子对光反馈半导体激光器混沌信号生成随机数性能的影响

基于光反馈半导体激光器产生的宽带混沌信号作为物理熵源生成物理随机数已得到广泛研究.线宽增强因子的存在会导致半导体激光器出现大量不稳定动态特性,因此,本文着重研究半导体激光器的线宽增强因子对生成随机数性能的影响.数值仿真结果表明:随着线宽增强因子的增加,光反馈半导体激光器输出混沌信号的延时峰值逐渐减小、最大李雅普诺夫指数逐渐增大.基于不同线宽增强因子下产生的混沌信号提取随机数,并利用NIST SP 800-22软件对生成随机数的性能进行测试.测试结果表明,选取线宽增强因子较大的半导体激光器产生混沌信号作为物理熵源易于生成性能良好的随机数.     

利用混沌激光脉冲在线实时产生7 Gbit/s物理随机数

提出了一种基于混沌激光的在线实时产生高速物理随机数的方法,通过对连续的混沌激光进行光釆样得到离散的混沌激光脉冲序列,利用差分比较器对混沌脉冲序列进行自延迟比较,在线实时输出高速物理随机数.并以光反馈半导体激光器这一典型混沌激光产生装置作为物理熵源,对所提方法进行了原理性实验论证,实现了实时速率为7 Gbit/s的物理随机数在线产生,可成功通过随机数行业测试标准(NIST SP 800-22).     

外腔半导体激光器随机数熵源的腔长分析

利用光反馈半导体激光器产生的混沌激光作为随机数熵源,详细研究了混沌源外腔长度对500Mbit/s随机数特性的影响.研究表明:在单路混沌源情况下,外腔反馈引起的谐振会使产生的随机序列具有弱周期性,且当外腔反馈时间与采样时间的比值为整数时,产生序列的随机性最差,仅能通过NIST统计测试2,3项;在两路混沌源情况下,当混沌源的外腔长不相等且不成比例时,通过两路异或处理可消除由外腔反馈引起的弱周期性,产生的随机序列能够通过NIST的全部统计测试项.     

基于光反馈双模DFB激光器的宽带混沌信号产生

提出并数值验证了一种利用光反馈双模分布式反馈(DM-DFB)半导体激光器产生宽带混沌信号的方法.通过双纵模Lang-Kobayashi方程建立了光反馈DM-DFB半导体激光器的理论模型,探明了宽带混沌信号产生的物理机制为模式拍频,数值分析了模式间隔、偏置电流和反馈系数对混沌带宽的影响.仿真设计了双模激光器,在镜面反馈系统中,高偏置电流和强反馈强度条件下可以产生38.6 GHz的混沌信号.这一结构为宽带集成混沌源提供了一种新思路.     

利用混沌激光多位量化实时产生14 Gb/s的物理随机数

提出了一种基于混沌激光多位量化的高速物理随机数实时产生方法.利用外腔反馈混沌半导体激光器作为物理熵源,通过时钟速率为7 GHz的多位模数转换器对其采样量化,生成6位有效位的二进制随机比特,然后利用现场可编程软件抽取低2位有效位的随机序列并进行自延迟异或处理,获得了实时速率为14 Gb/s的物理随机数.该随机数具有良好的统计随机性,可成功通过随机数行业测试标准(NIST SP 800-22).     

半导体激光器混沌输出的延时特征和带宽

外腔延时特征和带宽是影响混沌激光应用的两个重要参量.本文将一个单路光反馈的半导体激光器输出的激光部分地注入到另一个双路滤波光反馈的半导体激光器中,从而构成一个具有外光注入的双路滤波光反馈半导体激光器系统,即主从激光器系统,用于抑制混沌激光的延时特征并研究其带宽.数值研究了外光注入系数、反馈强度、抽运因子和滤波器带宽对系统输出混沌激光的延时特征的影响,然后将该系统对延时特征的抑制效果和具有外光注入的单路光反馈半导体激光器系统、具有外光注入的双路光反馈半导体激光器系统、具有外光注入的单路滤波光反馈半导体激光器系统以及无光注入双路滤波光反馈半导体激光器系统进行对比和分析,结果表明本文提出的方案对延时特征的抑制效果最好.然后在本文提出的具有外光注入的双路滤波光反馈半导体激光器系统中,延时特征被有效抑制的参数条件下研究系统输出混沌激光的带宽,结果表明,通过适当选择参数的取值,本文提出的方案可以提高系统输出混沌激光的带宽.     

平坦宽带混沌激光的产生及同步

利用光纤环长外腔光反馈半导体激光器产生了频谱平坦的宽带混沌激光,其对应的激光频谱可有效地隐藏外腔的谐振频率,增加了系统的保密性.通过单向耦合方式,将产生的混沌激光注入到另一个参数相近的半导体激光器中,实现了平坦宽带混沌同步输出,两同步激光器输出的相关系数达到084.同时实验研究了注入强度和主从激光器的频率失谐对同步质量的影响,结果表明在强光注入锁定下,在很大频率失谐范围内均可实现同步,而且注入强度越大,主从激光器输出的相关系数越大,维持混沌同步所允许的频率失谐范围越大. 关键词： 混沌同步 单向光纤环 光反馈 半导体激光器     

自混沌光相位调制光反馈半导体激光器输出光的混沌特性

混沌光的延时特征(time delay signature, TDS)和带宽是影响混沌激光应用的两个重要参量,常用来表征混沌光的混沌特性.将具有外腔光反馈的半导体激光器(semiconductor laser, SL)作为主激光器,以具有自混沌光相位调制光反馈的SL作为从激光器,并将主激光器输出的混沌光双路注入到从激光器中,构成具有外光双路注入的自混沌光相位调制光反馈的半导体激光器系统.数值研究了外光注入系数和反馈系数等参数对系统输出光TDS的影响,然后将此系统对TDS的抑制效果和具有外光双路注入的光反馈半导体激光器以及具有外光单路注入的自混沌光相位调制光反馈半导体激光器进行对比和分析,从而阐明了本文所提出的方案对TDS的抑制效果较好.在TDS被有效抑制的参数条件下,研究了混沌光的带宽,结果表明:本文提出的方案可以有效提高系统输出混沌光的带宽,获得混沌光的3 dB带宽的最大值约为16 GHz.     

直接调制光反馈半导体激光器产生超宽带信号

利用直接电流调制光反馈半导体激光器产生了符合美国联邦通信委员会关于室内无线通信频谱限定的超宽带(UWB)微波信号.基于光反馈半导体激光器速率方程组, 数值分析了偏置电流、反馈强度对混沌UWB脉冲信号的影响.研究表明, 混沌UWB脉冲频谱的-10 dB带宽分别随着偏置电流的增大和反馈强度的增强而逐渐增加; 中心频率分别随着偏置电流的增大和反馈强度的增强而逐渐增大.实验中, 产生了中心频率为6.6 GHz, -10 dB带宽为9.6 GHz的混沌UWB信号. 进一步, 通过调节偏置电流和反馈强度, 可实现混沌UWB信号的中心频率和-10 dB带宽的可调谐输出, 实验结果和数值分析相符合.此外, 实验产生的混沌UWB信号经过34.08 km的光纤传输后, 其频谱形状几乎没有发生变化, 表明该方法所产生的混沌UWB信号对光纤色散有较大的容忍度. 关键词： 超宽带 混沌激光 光反馈 直接调制     

高速多量子阱激光器混沌保密通信系统研究

研究了外部光注入高速多量子阱激光器激光混沌全光保密通信系统,导出系统同步方程,理论证明并数值实现了系统的同步,分析了增加反馈系数以缩短同步时间且增强系统同步稳定性的方法。研究分析了多量子阱激光器混沌隐藏和混沌键控保密通信全光调制解调系统模型,数值模拟了具有正弦调制信号的调制频率0．2GHz混沌模拟保密通信和数字信号调制速率20Gb／s的混沌数字保密通信以及调制速率0．05Gb／s混沌键控保密通信的应用,系统确实具有较高的保密性能和反破译能力;分析了混沌数字信号保密通信调制带宽20Gb／s调制解调时的同步误差以及混沌键控调制速率,系统都具有非常好的调制解调特性,且在高速混沌通信中,系统解调具有相对较小的同步误差,而1Gb／s是混沌键控通信的速率上限。     

基于周期极化铌酸锂波导的软件同步光采样

随着大于40 Gb/s高速光通信系统的出现, 为了保证光信号传输质量, 需要对光信号进行监测。对于带宽超过传统光电探测器和示波器可测量带宽的高比特率数据光信号, 光采样技术是进行时域测量的重要手段。采用固定频差的方法可以用百兆速率的采样脉冲对高速光信号进行采样, 降低了对采样后电数据处理系统带宽的要求。在对基于周期极化铌酸锂(PPLN)波导中和频效应的采样过程进行建模仿真的基础上, 实现了对Optsim获得的光传输线内10 Gb/s的非归零码(NRZ)和归零码(RZ)信号的采样。采用软件同步算法对采样数据进行处理, 获得信号的眼图, 这一方法可使采样系统对硬件的要求降到最低。与理想与门获得的采样结果进行比较, 对PPLN波导的光采样特性和采样质量进行了分析。     

光纤混沌双芯双向保密通信系统研究

把量子阱激光混沌耦合反馈同步系统应用于光纤保密通信中,提出光纤混沌双芯双向保密通信设想.通过耦合外部光注入多量子阱激光混沌全光耦合反馈同步系统和光纤传输信道,建立了光纤混沌双芯双向通信系统物理模型.理论和数值证明了激光混沌同步,理论分析指出光纤中的自相位调制是限制激光混沌在光纤传输中同步的主要原因,并推导出混沌信号双芯双向传输中的非线性相移以及混沌激光功率限制和传输距离公式.数值实现了该系统在长距离二根光纤传输中的同步,详细地分析了系统同步时间随光纤传输长度的关系.模拟了调制频率06 GHz的混沌模拟通 关键词： 混沌 同步 光纤 保密通信     

激光混沌串联同步以及混沌中继器系统理论研究

提出混沌通信中继器设想，建立半导体激光器激光混沌全光中继器物理模型，理论证明了激光混沌中继器系统的同步.数值实现了发射系统、中继器系统、接收系统的混沌同步，分析了系统反馈系数和同步误差以及同步时间的关系.模拟了中继器系统在激光混沌保密通信中的应用，分别给出了具有正弦信号调制频率0.2GHz和数字信号0.2Gb/s速率的混沌通信以及同步误差分析，表明混沌中继器系统确能改善和提高激光混沌通信的解码质量.分析了中继器系统的带宽和20Gb/s高速率数字信号混沌通信以及同步误差，给出了具有正弦信号调制频率0.1—2 关键词： 混沌 同步 激光器 中继器     

半导体激光器输出混沌光的延时特性和带宽

提出一个新的方案用于抑制半导体激光器输出混沌光的延时特性并研究其带宽.在该方案中,将由伪随机信号驱动的相位调制器加到具有双路光反馈的半导体激光器的两个反馈腔中,从而构成具有双路相位调制光反馈的分布反馈半导体激光器系统.数值研究了延迟时间和反馈系数等参数对该系统输出混沌光的延时特性的影响,用自相关函数曲线中的延时特征峰的最大值表示延时特性.然后将该系统对延时特性的抑制效果和具有双路光反馈的分布反馈半导体激光器系统以及具有单路相位调制光反馈的分布反馈半导体激光器系统进行比较,结果表明本文所提出方案的抑制效果最好.进而基于能有效抑制延时特性的参数条件研究了具有双路相位调制光反馈的分布反馈半导体激光器输出混沌光的带宽,结果表明,抽运因子的增大和反馈系数的增加都能使系统输出混沌光的带宽变大.     

基于光参量放大的高速实时光取样技术

提出了一种基于光参量放大的高速实时光取样方案. 利用色散介质对光纤锁模激光器产生的窄脉冲源进行色散展宽,从而产生线性啁啾光信号. 将该信号和被取样信号同时送入高非线性光纤,利用高非线性光纤中的参量放大效应,将被取样信号的强度信息调制到线性啁啾光信号上. 在接收端利用不同中心波长的滤波器即可滤出不同时间点的取样信号,从而在光域同时完成了高速实时光取样和取样信号的串-并转换. 是实现高速实时取样技术的一种极具竞争力的实现方案. 实验中,实现了对10 Gb/s非归零码OOK信号的40 GS/s的高速实时取样系统,并转换为4路10 GS/s取样信号输出. 在接收端成功根据4路取样信号恢复出被取样信号波形,验证了该实时光取样方案的可行性. 关键词： 光信号处理 光取样 参量放大 高非线性光纤     

亚皮秒级时间分辨率的光取样示波器实验样机

利用自行开发的高稳定、低抖动和重复频率可调的“σ”型被动锁模光纤激光器作为高性能光学取样源,与待测的80 Gb/s光脉冲信号同时输入到100 m高非线性光纤中,通过四波混频效应实现了对被测光信号的全光采样。然后利用自行开发的数字信号处理与计算机图形显示软件,精确地重现了被测试的基于RZ码型的80 Gb/s光脉冲信号波形图。同时,还利用该光学取样示波器实验样机系统对重复频率为10 GHz、脉宽为1.8 ps的商用半导体主动锁模激光器的输出波形进行测量,所显示的脉冲宽度值为2.0 ps。这表明开发出的实验样机系统的时间分辨率优于900 fs。     

光纤混沌相位编码保密通信系统理论研究

通过耦合激光混沌相位控制同步系统和光纤信道，提出外部光注入半导体激光器激光混沌相 位控制光纤同步以及混沌相位相移键控外调制光纤保密通信系统理论模型，数值实现了在相 位控制器控制下的远程光纤混沌同步.理论分析了光纤自相位调制对混沌信号以及对同步的 影响，导出了光纤混沌最大传输距离公式.通过连续键控调制相位控制器实现了光纤激光混 沌相位相移键控编码调制发射，设置接收系统相位控制器控制激光相位相移实现了光纤激光 混沌同步解调.数值模拟了具有比特率50Mbit/s远程光纤混沌数字编码通信系统的应用，详 细地进行了在远距离光纤传输中的系统参数失配以及系统抗噪声能力的数值分析. 关键词： 混沌 同步 光纤混沌通信 半导体激光器 相位