專利名稱：基于可調諧微環(huán)諧振器的混沌信號發(fā)生器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通信技術領域，特別涉及保密通信、擴頻通信、無線通信與光纖通信等技術領域，本發(fā)明為基于可調諧微環(huán)諧振器的混沌信號發(fā)生器。
背景技術：
近年來，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)，高清視頻，社交網(wǎng)絡，云計算，電子商務與電子政務等新業(yè)務的出現(xiàn)與流行，接入網(wǎng)、城域網(wǎng)及骨干網(wǎng)對網(wǎng)絡容量的需求呈現(xiàn)快速持續(xù)增長的態(tài)勢。在對于各級傳輸網(wǎng)絡的升級改造過程中，不僅要達到增加網(wǎng)絡容量的目的，也需要重點關注網(wǎng)絡的安全與可靠。一方面，網(wǎng)絡的安全性與可靠性是傳輸網(wǎng)絡服務質量的重要方面。另一方面，在上述各種新興業(yè)務中，所傳輸?shù)男畔⒅邪罅康膫€人隱私信息，這使得傳輸網(wǎng)絡的安全性與可靠性變得更加重要?；煦绗F(xiàn)象是在非線性動力系統(tǒng)中表現(xiàn)的確定性、類隨機的過程，這種過程既非周期又不收斂，并且對于初始值具有敏感的依賴性?；煦缧盘柕牟ㄐ问欠浅２灰?guī)則的，表面上看來就像噪聲，但實際上它卻是由確定性的規(guī)則所產(chǎn)生的，這種規(guī)則有時是很簡單的，比如邏輯斯謫映射(Logistic map)。正是這種簡單的規(guī)則產(chǎn)生出復雜的波形激發(fā)了人們對它極大的興趣。實踐證明，在大量的物理系統(tǒng)和自然系統(tǒng)中都存在著混沌信號。在確定性的系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)混沌，改變了人們過去一直認為宇宙是一個可以預測的系統(tǒng)的看法。用決定論的方程，找不到穩(wěn)定的模式，得到的卻是隨機的結果，徹底打破了拉普拉斯決定論式的可預測性的幻想。但人們同時發(fā)現(xiàn)到過去許多曾被認為是噪聲的信號，其實是一些簡單的規(guī)則生成的。這些包含內在規(guī)則的“噪聲”不同于真正的噪聲，它們的這種規(guī)則是完全可以應用的。由于混沌具有類噪聲的特點并可實現(xiàn)混沌控制與同步，它的最直接的應用就是保密通信。其做法是在信息發(fā)送端將原始信號與混沌信號進行混疊，經(jīng)過信道傳輸后在接收端通過混沌控制與同步技術再將混沌信號從合成信號中剔除，得到原始信息。混沌的另一個應用是在擴頻通信中，它利用偽隨機編碼對待傳送的數(shù)據(jù)進行調制，實現(xiàn)頻譜擴展后再進行傳輸。接收端則采用相同的編碼進行解調及相關處理，恢復出原始數(shù)據(jù)。擴頻通信具有抗干擾，保密性強，可多址復用等優(yōu)點。80年代初它被應用于民用通信領域，各國都紛紛提出在數(shù)字峰窩移動通信、衛(wèi)星移動通信和個人通信中采用擴頻技術。混沌信號在擴頻通信中的應用便是用來產(chǎn)生擴展頻譜的偽隨機編碼。通過混沌同步技術，發(fā)射端與接收端采用同步混沌信號生成的偽隨機編碼來進行信號的調制與解調。公開于1997 年的專利“Method and apparatus for encrypting and decryptinginformation using a digital chaos signal，，(United States Patent5696826)描述了一種利用混沌信號進行加密通信的系統(tǒng)。其中混沌信號的產(chǎn)生由某種混沌映射實現(xiàn)，而采用哪種混沌映射函數(shù)，以及混沌發(fā)生器的初值、延遲及其它參數(shù)均由密鑰中的某個特定參數(shù)決定?；炫嬗成浜瘮?shù)可能為邏輯斯謫映射(Logistic map),也可能為洛倫茲映射(Lorenzmap)。這些函數(shù)的實現(xiàn)需要依 靠計算機軟件或大規(guī)模集成電路，這將制約該方案產(chǎn)生混沌信號的數(shù)據(jù)速率。公開于1999 年的專利“Device for sending or receiving a signal encryptedusing deterministic chaos^(United States Patent6704420)提出了一種利用馬赫-曾德爾干涉型調制器作為非線性單元實現(xiàn)混沌信號發(fā)生器的加密通信系統(tǒng)。該專利指出實現(xiàn)馬赫曾德爾干涉型調制器的材料可以是鈮酸鋰、砷化鎵或硅。由于采用馬赫曾德爾干涉型調制器，這一調制方式使得器件體積會比較大。另外，由于馬赫曾德爾干涉型調制器實際上是有限沖激響應濾波器，它在進行光信號的調制時，驅動信號的擺幅比較高(在3V左右或者更高，取決于采用的材料、器件長度及電光效應的強弱)。公開于2OO9 年的專利 “Chaos generator for accumulation of streamentropy”(United States Patent7587047)提出了一種增加數(shù)據(jù)熵的混沛信號發(fā)生器。該混沌信號發(fā)生器包含一個低熵隨機數(shù)據(jù)源和一個熵增加單元。該熵增加單元通過四次映射來實現(xiàn)混沌信號的產(chǎn)生，需要進行的運算包括求冪運算與求余運算，這些運算依靠集成電路來實現(xiàn)，這一特點同樣將制約該方案產(chǎn)生混沌信號的數(shù)據(jù)速率。

發(fā)明內容
本發(fā)明的主要目的 在于提供一種基于可調諧微環(huán)諧振器的混沌信號發(fā)生器，可以用來解決既有的依靠計算機軟件或大規(guī)模集成電路實現(xiàn)非線性映射的混沌信號發(fā)生器的速度問題，以及依靠馬赫曾德爾干涉型調制器作為非線性單元的混沌信號發(fā)生器的體積大的問題與驅動電壓高的問題。為達到上述目的，本發(fā)明提供一種基于可調諧微環(huán)諧振器的混沌信號發(fā)生器，包括:—輸入光波導，其具有一個輸入端和一個輸出端；一環(huán)形波導，其首尾相接形成閉合的光波回路，該環(huán)形波導與輸入光波導相鄰，并與輸入光波導中傳輸?shù)墓庥心芰拷粨Q；—輸出光波導，其具有一個輸入端和一個輸出端，該輸出光波導與環(huán)形波導相鄰，并與環(huán)形波導中傳輸?shù)墓庥心芰拷粨Q；—延遲單兀,其輸入端與輸入光波導的輸出端相連，或者與輸出光波導的輸出端相連；一增益單元，其輸入端與延遲單元的輸出端相連；一驅動單元，其具有一個激勵端和一個作用端，該驅動單元的激勵端與增益單元的輸出端相連，該驅動單元的作用端與環(huán)形波導相連。本發(fā)明的突出優(yōu)點是:采用可調諧微環(huán)諧振器作為非線性單元產(chǎn)生混沌信號，相比于利用計算機軟件或集成電路實現(xiàn)非線性映射的方式，本方案的體積更小、速度更快，相比于采用馬赫一曾德爾干涉型調制器等光學器件作為非線性單元的方式，本方案的體積更小、驅動電壓與能耗更低。此外，由于本發(fā)明直接在光域產(chǎn)生混沌信號，它可被直接用于傳統(tǒng)光纖通信或光載無線通信領域。


為進一步說明本發(fā)明的技術內容，以下結合實施例及附圖，進一步詳細描述本發(fā)明的內容，其中:圖1為本發(fā)明的結構示意圖；圖2為可調諧微環(huán)諧振器的兩個輸出端口的典型響應光譜；圖3為從典型的倍周期分叉通往混沌的演化過程的數(shù)值仿真結果；圖4為確定工作波長位置及各功能單元參數(shù)的流程。
具體實施例方式請參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種基于可調諧微環(huán)諧振器的混沌信號發(fā)生器，包括:—輸入光波導10,其具有一個輸入端和一個輸出端,進入輸入光波導10的輸入端的光信號為連續(xù)激光，其波長稱為工作波長。對于鈮酸鋰材料、砷化鎵材料、磷化銦材料或硅材料等常見材料制備的光波導，這一工作波長位于近紅外區(qū)間，即1.3微米至2微米范圍內，其為光纖通信所采用的低傳輸損耗波長范圍，該范圍內的激光器與探測器技術均非常成熟。一環(huán)形波導11，其首尾相接形成閉合的光波回路，環(huán)形波導11與輸入光波導10相鄰，并與輸入光波導10中傳輸?shù)墓庥心芰拷粨Q。具體來講，輸入光波導10與環(huán)形波導11的距離須小于I微米，以保證輸入光波導10中所傳輸光的能量有I %以上的耦合進環(huán)形波導11中。光從輸入波導10耦合進環(huán)形波導11后，每繞行整數(shù)圈后又會有部分耦合回輸入波導10中，與輸入波導10中傳輸?shù)墓獍l(fā)生干涉。這一物理過程為多光束的干涉過程，會在輸入波導10的輸出端得到圖2中實線所示的響應光譜。該響應光譜有周期性的下陷，下陷點對應的波長稱為諧振波長?！敵龉獠▽?2,其具有一個輸入端和一個輸出端,輸出光波導12與環(huán)形波導11相鄰，并與環(huán)形波導11中傳輸?shù)墓庥心芰拷粨Q。具體來講，輸出光波導12與環(huán)形波導11的距離須小于I微米，以保證環(huán)形波導11中所傳輸光的能量有1%以上的耦合進輸出光波導12中。在環(huán)形波導11中繞行的光除了會耦合回輸入波導10中，也會耦合到輸出光波導12中，并從它的輸出端輸出。結果會在輸出光波導12的輸出端得到圖2中虛線所示的響應光譜。該響應光譜有周期性的尖峰，尖峰點對應的波長為諧振波長?！舆t單兀13,其具有一個輸入端和一個輸出端,其輸入端與輸入光波導10的輸出端相連，或者與輸出光波導12的輸出端相連。延遲單元13對進入其輸入端的光信號的延遲在光域進行，或將其轉換為電信號后在電域進行。在光域進行的信號延遲有多種選擇。例如利用一段20厘米的普通單模光纖可將輸入光信號延遲約I皮秒，這種方案實現(xiàn)較為簡單，但體積較大，延遲量控制不靈活。也可利用級聯(lián)的微環(huán)諧振器對光信號進行延遲，這種方案較為復雜，但體積較小，延遲量控制靈活。將光信號轉換為電信號后在電域進行延遲的方式延遲量控制很靈活，但該方案涉及光電轉換、模數(shù)轉換以及時序控制，系統(tǒng)較為復雜，能處理的信號帶寬也不及光域延遲方案?！鲆鎲呜?4,其具有一個輸入端和一個輸出端,其輸入端與延遲單兀13的輸出端相連，輸入信號可能為光信號，也可能為電信號。光信號的增益可以通過摻鉺光纖放大器、可調衰減器等器件的組合實現(xiàn)。電信號的放大可由射頻放大器實現(xiàn)。增益單元14將進入其輸入端的光信號光強或電信號功率進行0.0001倍到10000倍比率范圍內的增益。增益的比率由可調諧微環(huán)諧振器的濾波特性、工作波長的位置和驅動單元15的特性共同決定，它是影響能否產(chǎn)生混沌信號的主要因素，其選擇原則將在圖4中具體解釋。一驅動單元15，其具有一個激勵端和一個作用端，其激勵端接收來自將增益單元14輸出端的信號，其作用端與環(huán)形波導11相連，以改變環(huán)形波導11的特性(材料折射率及損耗)，從而改變可調微環(huán)諧振器的濾波特性。也就是說，驅動單元可以使得如圖2所示的可調微環(huán)諧振器的濾波曲線發(fā)生變化。這一變化主要是諧振波長的位置，也即曲線左右平移；另外還伴有濾波曲線的形狀變化，主要是曲線上下移動。濾波曲線改變量的大小取決于增益單元14輸出端的信號對驅動單元15的激勵大小。所述輸入光波導10、環(huán)形波導11、輸出光波導12及驅動單兀15四部分共同構成可調諧微環(huán)諧振器，它提供混沌信號產(chǎn)生的要素之一:非線性映射關系。該可調諧微環(huán)諧振器具有兩個輸出端，它們分別是輸入光波導10的輸出端和輸出光波導12的輸出端。所述延遲單元13與增益單元14共同構成混沌信號產(chǎn)生的另一個要素:延遲反饋。延遲量與反饋強度是兩個決定混沌信號產(chǎn)生與否，以及混沌信號特點的重要參數(shù)。延遲單元13所產(chǎn)生的延遲量取決于驅動單元15的驅動機制的時間特性。在圖1所示結構的參數(shù)按照圖4中所描述方法進行合理設置后，在非線性映射與延遲反饋的共同作用下，輸入光波導10的輸出端和輸出光波導12的輸出端均可輸出混沌信號。圖2為可調諧微環(huán)諧振器的兩個輸出端口的響應光譜，圖中實線為輸入光波導10的輸出端的響應光譜，虛線為輸出光波導12的輸出端的響應光譜。所謂可調諧微環(huán)諧振器是指在外界激勵信號的作用下，這兩條響應光譜可以動態(tài)變化，表現(xiàn)為諧振波長位置的平移，以及濾波曲線高度的變化。但輸入激光的波長為諧振波長時，從輸入光波導10的輸入端進入可調諧微環(huán)諧振器的激光能量會有80%以上從輸出光波導12的輸出端輸出。諧振波長的位置會隨著來自驅動單元15的信號的強弱而動態(tài)變化。兩個諧振波長之間的區(qū)域稱為自由光譜區(qū)。圖2所示的輸入光波導10的輸出端的響應光譜為帶有周期性下陷的光譜，下陷區(qū)的光譜寬度(3dB光學帶寬)取決于可調諧微環(huán)諧振器的品質因子(Q值)。同樣，輸出光波導12的輸出端的響應光譜中周期性的尖峰的3dB光學帶寬也取決于可調諧微環(huán)諧振器的Q值。Q值越大，意味著可調諧微環(huán)諧振器的損耗越小，其儲存能量的能力越強，上述兩個光譜的3dB光學帶寬越小。在本專利所提出的方案中，可調諧微環(huán)諧振器Q值在100到10000之間較為合適。太高的Q值會使得可調諧微環(huán)諧振器的濾波曲線中的下陷與尖峰都呈現(xiàn)尖銳的形態(tài)，這樣的器件特性會使得器件非常敏感，不利于混沌信號的產(chǎn)生。太低的Q值會使得可調諧微環(huán)諧振器的濾波曲線中的下陷與尖峰區(qū)域平坦，也不利于混沌信號的產(chǎn)生。對Q值大小有影響的主要是兩個因素，其一是環(huán)形波導11中的光損耗機制，其二是輸入波導10與環(huán)形波導11的耦合強度，以及輸出波導12與環(huán)形波導11的耦合強度。對輸入波導10與環(huán)形波導11之間，以及輸出波導12與環(huán)形波導11之間耦合區(qū)的寬度的控制可以方便地實現(xiàn)對可調諧微環(huán)諧振器的Q值的控制。圖3為從典型的倍周期分叉通往混沌的演化過程，該圖為數(shù)值模擬結果，仿真的是輸出波導12的輸出端的輸出光強隨不同增益參數(shù)的變化情況。模擬過程采用的參數(shù)為:環(huán)形波導11中所傳輸光的能量有10%的稱合進輸入波導10中，也有10%稱合進輸出光波導12中；環(huán)形波導11內部的光場的振幅傳遞比率為99% (即在環(huán)形波導11中傳輸一圈后光場的振幅是開始時的99% );工作波長位于一個諧振波長的左側，偏移量為自由光譜區(qū)的1/20。橫坐標代表增益比率的大小，縱坐標為一定增益比率下可獲得的穩(wěn)定輸出的值得數(shù)量。在增益比率為0.4,0.5等值時，縱坐標只有一個點，此時代表輸出為一個恒定值。但增益比率為1.2等值時，縱坐標有四個點，此時代表輸出在四個值之間跳變。但增益比率為1.9等值時，縱坐標有六個點，此時代表輸出在六個值之間跳變。但增益比率為2.0,2.1等值時，縱坐標有三個點，此時代表輸出在三個值之間跳變。但增益比率為1.0、1.3等數(shù)值時，縱坐標有無數(shù)個點，此時代表輸出在無數(shù)個數(shù)值間跳變，此時產(chǎn)生的便是混沌信號。從圖3可以看到，對于不同的增益比率，某些時候會輸出混沌信號，某些時候會輸出周期信號。圖4為確定產(chǎn)生混沌信號所要求的工作波長與增益比率的流程圖。需要先測量微環(huán)諧振器的響應光譜，代入數(shù)值仿真模型擬合出其耦合系數(shù)、環(huán)形波導的振幅傳遞效率。然后給定一個工作波長，掃描一個范圍內的增益比率，觀察是否可以輸出混沌信號。如果不能，則需要改變工作波長的位置，重復上述，直到觀察到混沌信號的產(chǎn)生。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種基于可調諧微環(huán)諧振器的混沌信號發(fā)生器，包括: 一輸入光波導，其具有一個輸入端和一個輸出端； 一環(huán)形波導，其首尾相接形成閉合的光波回路，該環(huán)形波導與輸入光波導相鄰，并與輸入光波導中傳輸?shù)墓庥心芰拷粨Q； 一輸出光波導，其具有一個輸入端和一個輸出端，該輸出光波導與環(huán)形波導相鄰，并與環(huán)形波導中傳輸?shù)墓庥心芰拷粨Q； 一延遲單兀，其輸入端與輸入光波導的輸出端相連，或者與輸出光波導的輸出端相連； 一增益單元，其輸入端與延遲單元的輸出端相連； 一驅動單元，其具有一個激勵端和一個作用端，該驅動單元的激勵端與增益單元的輸出端相連，該驅動單元的作用端與環(huán)形波導相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于可調諧微環(huán)諧振器的混沌信號發(fā)生器，其中該輸入光波導、環(huán)形波導、輸出光波導及驅動單元構成可調諧微環(huán)諧振器。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于可調諧微環(huán)諧振器的混沌信號發(fā)生器，其中進入輸入光波導的輸入端的光信號為連續(xù)激光，該輸入光波導與環(huán)形波導之間的稱合區(qū)的寬度小于I微米，以保證輸入光波導中所傳輸光的能量有I %以上的耦合進環(huán)形波導中。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于可調諧微環(huán)諧振器的混沌信號發(fā)生器，其中輸出光波導與環(huán)形波導之間的耦合區(qū)的寬度小于I微米，以保證環(huán)形波導中所傳輸光的能量有1%以上的耦合進輸出光波導中。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于可調諧微環(huán)諧振器的混沌信號發(fā)生器，其中延遲單元對進入其輸入端的光信號的延遲在光域進行，或將其轉換為電信號后在電域進行。
6.根據(jù)權利要求1所述的基于可調諧微環(huán)諧振器的混沌信號發(fā)生器，其中增益單元將進入其輸入端的信號功率進行0.0001倍到10000倍比率范圍內的增益。
7.根據(jù)權利要求6所述的基于可調諧微環(huán)諧振器的混沌信號發(fā)生器，其中增益單元的輸入信號為延遲單元的輸出信號，為光信號或者電信號。
8.根據(jù)權利要求1所述的基于可調諧微環(huán)諧振器的混沌信號發(fā)生器，其中驅動單元的激勵端接收來自將增益單元輸出端的信號，驅動單元的作用端與環(huán)形波導相連，以改變環(huán)形波導的特性，從而改變可調微環(huán)諧振器的濾波特性。
全文摘要
一種基于可調諧微環(huán)諧振器的混沌信號發(fā)生器，包括一輸入光波導，其具有一個輸入端和一個輸出端；一環(huán)形波導，其首尾相接形成閉合的光波回路，該環(huán)形波導與輸入光波導相鄰，并與輸入光波導中傳輸?shù)墓庥心芰拷粨Q；一輸出光波導，其具有一個輸入端和一個輸出端，該輸出光波導與環(huán)形波導相鄰，并與環(huán)形波導中傳輸?shù)墓庥心芰拷粨Q；一延遲單元，其輸入端與輸入光波導的輸出端相連，或者與輸出光波導的輸出端相連；一增益單元，其輸入端與延遲單元的輸出端相連；一驅動單元，其具有一個激勵端和一個作用端，該驅動單元的激勵端與增益單元的輸出端相連，該驅動單元的作用端與環(huán)形波導相連。
文檔編號H04L9/00GK103178951SQ201310084219
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月15日 優(yōu)先權日2013年3月15日
發(fā)明者張磊, 楊林 申請人:中國科學院半導體研究所