1、基于光纤信道的光混沌通信陈章摘要 激光器的不稳定性是一个普遍现象，而混沌是激光器不稳定性的一个重要特例。混沌激光作为激光器输出的一种特殊形式，具有类噪声宽频谱的特性。近年来，基于混沌激光通信的一些应用技术相继被提出与完善。本文结合国内外研究现状，简要介绍了利用半导体激光器产生混沌激光，以及混沌激光在保密光通信、混沌光通信与现行光通信波分复用传输等方面的应用。关键词 半导体激光器 混沌激光 保密通信 波分复用传输1 引言自从 1960 年世界上第一台红宝石激光器问世以来，激光技术及应用得到快速发展。激光器的主要应用包括：光显示、光存储、激光材料加工、激光医学、光纤通信、激光检测和光谱分析等方面。
2、激光器是一个非线性系统，其输出可分为稳态、非稳态和混沌三种形式。按照激光器腔内电场、粒子数及相位弛豫时间长短的分类，所有的激光器均可分为 A，B， C 三类 13 。A 类和 B 类激光器在外界动下( 即引入一个自由度)可能无法稳定工作，C 类激光器本身就可能运行在非稳态或者混沌输出的状态。A 类和 B 类激光器所受的外界扰动，最简单、也是最常见的形式即外部光学元件引起的光反馈，如耦合或准直透镜的表面反射、光纤端面和被照射器件表面反射等。可以说，光反馈在激光器应用中是不可避免的，换言之，激光器的不稳定性是一个普遍现象。R.Lang 等发现外部光反馈引起半导体激光器的非稳定性和混沌。混沌激光是激
3、光器输出不稳定性的一种特殊形式，此时尽管激光器的动态特性同样可以由确定的速率方程来描述，但是激光器的输出(光强、波长、相位)在时域上不再是稳态，而是类似噪声的随机变化。在早期的研究中，侧重于研究如何抑制光反馈或外光注入激光器的噪声和不稳定输出，以保持激光器的稳态工作。20 世纪 80 年代，人们逐渐揭示了光反馈( 及光注入) 激光器的动态特性，发现了激光器从低频起伏(Low Frequency Fluctuation)到混沌，从倍周期到混沌的演变过程。 1990 年，Ott 等相继提出了混沌控制和混沌同步的概念，启示人们混沌激光可能有着重要的应用。本文结合国内外研究现状，对光反馈(或外光注入)
4、下半导体激光器产生混沌激光，特别是混沌激光的几个重要应用，如混沌保密通信、混沌激光雷达、混沌光时域反射仪、相干长度可调的激光光源。半导体激光器通过光注入,光电反馈,电光反馈,和光反馈可以产生混沌载波 3-8 。将信号通过一定方式加载到混沌载波中,利用接收激光器和发射激光器的混沌同步,可以把信号从接收端解调出来,实验上已实现了自由空间混沌信号的传输 9,10 。为了实现远程保密通信,人们又提出了基于光纤的光混沌通信系统,并对系统的工作特性进行了一些初步的研究。2.1 半导体激光机器的研究现状自 1962 年第一台半导体激光器诞生以来，经过几十年的发展，半导体激光器的研究取得了长足的发展，波长从红
5、外、红光到蓝绿光，覆盖范围逐渐扩大，各项性能参数也有了很大的提高。和其他类型的激光器相比，半导体激光器由于波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且具有体积小、重量轻、寿命长等特点，在光通讯、光谱分析和光信息处理等产业以及技术、医疗、生命科学、军事等基础和应用研究方面有着广泛的应用。半导体激光器虽然有上述诸多优势，但在实际应用中，由于其谐振腔的输出频率容易受到环境温度和注入电流的影响，自然运转的半导体激光器的输出线宽通常在 100MHz 左右，可调性也比较差。这在激光光谱学研究中是不够的。为了克服上述缺点，人们采用延伸腔的办法：利用衍射光栅和激光二极管的后端面组成一个延伸腔，构成了Lit
6、trow结构的激光器。衍射光栅产生的 1 级光反馈回激光二极管实现光反馈。由于输出激光的线宽和腔长成反比，因而利用延伸腔和光反馈可以大大压窄激光的线宽，通常可以到 10MHz 以下。而衍射光栅和入射光的夹角又直接决定了激光的输出频率，因此衍射光栅又起到了选模的作用。通过调节衍射光栅的角度可以实现激光器在不跳模情况下频率的大范围（通常可以达 GHz）扫描，若注入电流配合光栅的角度一起变化，则不跳模的可调范围可以增加到 5GHz 左右。2.2 半导体激光器的硬件系统构成将所有的光学组件：激光二极管、准直镜和光栅全部固定在一个商用的镜架上。采用 Pound-Drever-Hall（PDH ）方法压窄
7、激光器的线宽，同时，还将稳频所用的参考腔及相关光路和半导体激光头集成在一个封闭铝盒内，使激光器直接输出经过稳频后的激光，可以大大简化系统的体积，实现激光器系统的小型化。主体由激光头外壳、激光管与准直镜支架以及光栅支架组成。激光头外壳为长宽高分别为 100mm100mm80mm 的铝盒，采用材料铝的原因是导热性比较好，同时又比黄铜和不锈钢质量小。激光头的内部结构见图 2。图 2 激光头内部结构装配图为了保证激光管和准直镜的轴心一致，将两者固定于 Thorlabs 公司生产的型号为 LT230P-B 的准直镜筒子 1中。为了温控的需要，将该筒子 1 装在用黄铜加工的另一筒子 2 中。采用黄铜主要考
8、虑到铜的导热性能比铝和不锈钢好，硬度又比铝高，所以既有利于温度的快速稳定，又能保证整体结构的稳定性。之后将 2 安装到一个黄铜加工的底板 3 上。在 2 和 3 之间加入了一块半导体制冷片（Pelter ） ，用于对激光管的温度控制。为了保证激光器结构的紧凑，将黄铜底板安装在 Newport 公司购买的型号为 U100-P 光具座 4 上。由于 Littrow 结构的外腔半导体激光器的单模运行需要将光栅衍射的 1 极光反射回激光管，因此，需要在激光输出之后安装一个光栅 5，同时需要精密调节 5 的角度。我们采用在 U100-P 的前面板的一侧安装一个铝板 6，然后将 5 固定在 6 上的方法实
9、现。由于 U100-P 采用精密调节旋钮，因此可以精密调节光栅的角度和俯仰，达到优化的反馈效果，从而实现激光器的单模运转。激光频率（波长）的调节需要通过调节 5 的角度来实现。因此，在 4 的螺杆和 2 前面板之间，增加了一片压电陶瓷（PZT） ，通过改变加在压电陶瓷上的电压控制其伸缩，实现 5 的角度调节，从而达到扫描激光频率（波长）的目的。为了使激光器连续调谐范围尽可能大，光栅平面的转轴应位于光栅与激光管平面的交线处，使腔长变化与角度变化尽量保持同步。为了保证波长调节时输出光的光路不变化，在 4 的前面板左边的铝块 7 上粘了一块反射镜 8，8 的表面与 5 的表面平行。当 5 的角度改变
10、 ，从 5 输出的激光角度改变 2，由于 5 和 8 分别装在 4 光具座的前面板的两侧，因此改变 5 角度时 5 和 8 始终平行，因此激光经过 8 之后改变的角度为-2 ，两者正好抵消，所以在输出的方向不变。这样，就构成了激光头的主体。3.1 发射和接收系统基于光反馈 DFB-LD 闭环光纤混沌保密通信系统模型如图 1 所示。发射系统和接收系统由内部参数相同的单模半导体激光器组成,且由光纤连接两部分。发射激光器的激光场通过光纤传输后,经过一放大器注入到接收激光器中,驱动它与发射激光器同步。放大器用于补偿光纤损耗,在本文的讨论中,假定放大器对信号实现理想的线性放大,且能使经过光纤传输后的混沌
11、信号的平均功率恢复到从发射端输出时的水平。对于发射和接收 DFB-LD,其速率方程可由 Lang-Kobayashi 方程给出:右图 基于光反馈 DFB-LD 闭环光纤混纯保密通信系统模型。TL 为发射 DFB-LD,RL 为接收 DFB-LD,BS 为分束器,EM 为外部反射镜,ISO 为光隔离器,A 为光放大器,FD 为光电探测器其中,下标“t”,“r”分别表示发射和接收 DFB-LD。没有下标的参数说明发射和接收 DFB-LD 取相同的值。E 是激光器的慢变场振幅 ,Eext 是接收 DFB-LD 的注入慢变场振幅,r是注入场耦合进接收 DFB-LD 的耦合系数,N 为腔内载流子数,N0
12、 为透明载流子数, 为线宽增强因子, 是自发辐射率, 为外腔反馈系数, 为激光器的外腔反馈时间,p是光子寿命,n 是载流子寿命,0 是激光器中心角频率,g 为微分增益系数,s 为增益饱和因子,I 是偏置电流,e 是电子电荷, 为单位强度的朗之万噪声。3.2 传输信道在基于光纤的光混沌通信系统中,信号在光纤信道中传输。考虑到光纤的色散、损耗和非线性效应的情况下,混沌信号在光纤中的演化规律可由非线性薛定谔方程来描述14 。其中,E(z,t) 是激光场慢变振幅,z 是场传输的距离, 是光纤损耗系数, 是光纤的非线性 Kerr 效应常数,2 、3 分别为光纤二阶色散(GVD)和三阶色散(TOD)常数,
13、T 是在以信号脉冲群速度运动的参照系中的时间变量。方程(4)是非线性偏微分方程,在一般情况下很难求出其解析解,但可以通过计算机进行数值求解,分布傅立叶法是目前最为广泛采用的方法。3.3 混沌激光的产生与特性半导体激光器属于 B 类激光器，要实现半导体激光器的混沌输出需要增加一个自由度。增加自由度典型的方法就是通过外部光注入、光反馈或光电反馈，如图 1 所示。图 1(a)为外部光注入产生混沌的方式，将主激光器输出的相干光场注入到从激光器。通过控制注入光强度、相位以及主从激光器的频率失谐，从激光器能够输出稳定的混沌态。光反馈产生混沌就是在半导体激光器的外部，通过放置反馈器件使得激光器的部分输出返回
14、到激光器而产生混沌。外部反馈可以是相干光的反馈或是非相干光反馈，可以是单反馈或是双反馈，可以是一般的平面镜反馈或是光栅滤光反馈。而一般在实验和理论分析中，主要针对平面镜反馈来进行描述，如图 1(b)所示。光电反馈是指半导体激光器输出的光信号用高速光电探测器转化为电信号，并采用适当的电路进行处理(延时、带通滤波、放大) 等，再与激光器的偏置进行叠加反馈到激光器中，控制半导体激光器产生混沌的方式，如图1(c)所示。产生的混沌激光的特性如图 2 所示。在时域上具有类似噪声的随机变化，如图 2(a)所示。其相图为混沌吸引子，表明混沌激光过程是遍历混沌吸引子所包含状态的伪随机过程，见图 2(b)。频域上
15、对应的频谱具有平坦、宽带的特性，如图 2(c)所示。从而混沌激光天生具备隐蔽性。混沌激光的自相关曲线还具有类似于 d 函数的线形，如图 2(d)所示，可用于抗干扰测量信号。优良的相干性是激光器一个显著的特性，而激光器输出的沌激光却有低的干性。由于混沌激光的特性逐渐被掌握，混沌激光日益显示出在以下几个方面的重要应用。4 混沌保密通信随着电子商务和金融证券网上交易的普及，用户的密码、身份认证和交易信息等极其重要的私人信息，一旦被非法入侵者窃取，就会对使用者造成很大的损失。因此，保密通信在金融、商业等领域有着极为重要而广泛的应用前景。当前实现保密通信的主要手段是采用数字加密技术公众密钥(public
16、 keys)，这是一种软件加密技术，随着计算机运算能力的不断提高，软件加密技术在理论上必然存在解码的可能。量子通信可以最终解决密钥分配问题，但目前亟待解决传输速率低和实用化技术障碍两大瓶颈。然而，混沌激光信号以其宽带频谱和类似噪声的特性非常适于保密通信领域的应用。与现行的数字加密技术相比，混沌保密通信是依靠物理层面上的硬件加密，只有当接收者具有与发射机参数匹配的接收机时，才能接收到信息，否则，接收者(窃听者)只能收到类似噪声的混沌信号。特别是，混沌通信中的硬件加密技术可以与现有的软件加密及量子编码技术兼容，进一步增强保密能力。近十几年来，人们对混沌激光保密通信进行了大量的研究。1994 年，C
17、olet 等首先讨论了两个固体激光器实现混沌同步的可能性，从此，以光信号为混沌载波的混沌激光通信的研究开始发展起来。1996 年，Mirasso 等提出半导体激光器可实现混沌同步。由于半导体激光器是目前光通信系统的主要光源，故基于半导体激光器的混沌保密通信很快成为研究热点。1998 年，Van Wiggeren 等在science 上报道了用两个光纤激光器实现混沌保密通信的研究。2000 年，H.F.Chen 提出了开环激光混沌同步的方法，分析了半导体激光器参数失配、激光相位等因素对同步的影响。同年，Sivapralcasam 实验研究了半导体激光器的混沌同步并实现了 9.5 kHz 方波信息
18、的解调。2001 年，欧盟第五届科技框架计划设立了“利用半导体激光器实现光学混沌通信”(Optical Chaos CommunicationsUsing Laser-Diodes Transmitters，简称OCCULT 计划) 研究专题，由英、法、德、意、西班牙、希腊和瑞士七个国家共八个组织共同研究。2002 年，Kusumoto 等用两个 780 nm 的半导体激光器实现了 1.5 GHz 正弦信号的混沌保密通信。同年，J.M.Liu 等对适用于高速通信的半导体激光器混沌同步及信息调制方案进行了总结，从而让人们对半导体激光器混沌系统有了比较全面的认识。2004 年，M.W.Lee 等用
19、两个半导体激光器作接收器实现了一对二的广播保密通信。Matsuura 等实现了混沌保密通信中的波分复用。2005 年 11 月，欧洲 OCCULT 项目的研究小组在希腊雅典城利用总长为120 km 的商用光通信网络实现了数据传输速率为 1 Gb/s，误码率为 10-7 的混沌保密通信。同年，意大利的研究者 Annovazzi-Lodi 等 47 则实现了电视视频信号的混沌保密通信。2006 年欧盟第六届科技框架计划启动了毕加索(Photonic Integrated Components Applied to Secure chao Sencoded Optical communi-catio
20、ns systems，PICASSO) 计划，重点对混沌通信系统中的有源和无源器件进行研制，旨在提供可实现波分复用的混沌保密通信系统。同年，M.W.Lee 等实现了自由空间的混沌光保密通信的中继传输。2007 年，台湾清华大学林凡异博士等理论研究了混沌光通信在 ROF(Radio Over Fiber)通信技术中的应用。国内一些课题组也在从事混沌光通信的研究，如颜森林等在激光混沌同步及其保密通信方面做了大量理论研究与数值分析。潘炜课题组对 VCSEL 模式选择和偏振控制，互注入和非对称注入产生混沌进行了理论研究。吴正茂、夏光琼课题组实现了混沌串联、并联同步以及双信道混沌光通信。黄肇明课题组研究
21、了光电双延时反馈混沌系统在高速光保密通信中的应用。余重秀课题实验研究了基于掺铒光纤环形激光器波长可调谐混沌的产生和同步。太原理工大学实验实现了基于光纤环形腔反馈半导体激光器频谱平坦的宽带混沌同步。混沌光通信是一种硬件加密技术，适用于高速、长距离、低误码率传输。它利用结构相同的一对接发器耦合产生相同的混沌载波(即混沌同步)，待传输的信息隐藏在混沌载波中，接收者将接收到的信号(混沌载波信息)与本地产生的混沌信号相减即提取出所加密的信号，其原理示意图如图 3 所示。混沌保密通信实现的关键技术是实现发射器和接收器的混沌同步。所谓混沌同步，就是让发射器的混沌载波信号与被注入接收器输出的混沌信号相同。图
22、4 为课题组进行实验所获得的发射与接收激光器同步的时序图及频谱图。图4(a)中蓝色线为发射激光器的混沌输出，红色线为接收激光器的混沌输出；图 4(b)为发射与接收激光器的频谱图，上半部分为发射激光器混沌输出的频谱，下半部分为接收激光器混沌输出频谱，其中黑线为噪声基底。实验分析，发射与接收激光器同步度的相关系数为 0.84，两激光器的输出功率相关图见图 5。在发射器和接收器同步的基础上，对信息的编码和解码也是混沌光通信中另一关键技术。1993 年，Cuomo 等提出混沌调制(chaos modulation)和混沌隐藏(chaos masking)两种加载信号的方式。随后,Dedieu 等提出了
23、混沌移动键控 (chaos shift keying)。这三种加载信号的机制为目前混沌光通信中常用的信号编码方式。后来在这三种加载方式的基础上，又提出了混沌开关键控(chaos on/off keying)58 和开关相移键控(on/off phase shift keying)等改进的混沌编码方式。2007 年，Annovazzi-Lodi 等基于双反馈的半导体激光器提出了对混沌载波相位调制(phasemodulation)的编码方式实现保密通信，增强了系统的保密性。随着混沌光通信解密技术的发展，寻找新的编码方式提高系统的保密将变得越来越重要。实际上，混沌保密通信中信号的传输速率取决于混沌载
24、波的带宽，因此，提高混沌载波带宽是实现高速混沌激光保密通信的必由之路。本课题组采用连续光注入一个混沌激光器，可增强混沌激光的带宽38实验装置如图 6所示。从激光器(slave laser)通过光纤环形腔反馈产生混沌激光。将第二个激光器(injection laser)输出的连续光注入混沌激光器，以提高混沌激光的带宽。图7 给出了光注入前后从激光器输出的混沌光频谱图。可以看出光注入后从激光器输出混沌的带宽为 16.8 GHz，大大高于无光注入时产生的混沌光带宽 6.2 GHz。目前，混沌光通信已在 120 km 长的商用光通信网络中实现了数据传输速率为 1 Gb/s，误码率为 10-7 的保密通
25、信 2。为进一步提高数据的传输容量，可通过提高混沌载波的带宽来实现，当然，更有效的办法是利用混沌光通信的波分复用技术。混沌光通信的误码率与收发终端的混沌同步及加载信息的编码形式有关，而发射与接收激光器的混沌同步取决于这两个激光器的参数匹配。理论上，参数匹配程度越高，混沌同步性能就越好，这意味着提取信号的误码率就越低。但实际上很难实现两个激光器的完全一致。因此，需要在给定的误码率标准(BER=10-910-12)下，找到合适的参数失配，还需兼顾参数失配与保密性之间的关系，如果参数失配范围太大，就会导致混沌光通信不再保密。同时，选择一种合适的编码方式也是减小混沌光通信系统误码率的有效手段。混沌光通
26、信技术引起了发达国家的高度关注，已启动科研计划开始研制混沌光通信系统中各种有源和无源器件，建立实用、可靠的混沌光通信系统 25 。理论与实验研究表明半导体激光器易于产生宽带、高维混沌激光，并且由于半导体激光器是目前光通信系统的主要光源，利用半导体激光器作为发射机产生的混沌载波信号可方便地接入现有的光通信网络。因此，在现已铺设的光纤链路中实现混沌光通信与现行光纤通信波分复用的兼容系统，结构简单且经济实用，具有非常大的应用潜力。5 混沌光通信与现有光通信的并行实现图为混沌光通信与现行光通信波分复用传输的装置示意图混沌光通信系统中的发射机和接收机分别由两个结构参数一致的光反馈半导体激光器 LDT,，
27、LD R 组成发射激光器 LDT 输出的混沌载波经光隔离器 ISO 后实现单向传输，信息通过加法器直接隐藏在发射机输出的混沌载波中，与激光器 LD 发射出来的数字脉冲光信号经波分复用器 MUX 一起注入到光纤进行远程传输，在光纤的末端放置一个光放大器 EDFA 来补偿光纤的损耗，补偿后的混沌激光和数字脉冲光信号使用解复用器DMUX 将这两束光进行分离，从而提取出现行光通信中加载的数字信号，分离后的混沌激光再经分束器 BS 分成两束：一束注入到接收激光器中，另一束输入到减法器中与接收机输出的混沌波相减，得到混沌光通信中加载的信息。混沌光通信系统中发射机输出的信道波长为 1550nm 的混沌激光如
28、图3（a）所示按照 G-P 算法求得混沌的维数为 6.37 ，同时，按照改进的最小数据量法得到最大 Lyapunov 指数为 3.6ns-1 我们利用发射机的高维混沌输出作为载波，其载波带宽约为 4.18GHz ，混沌激光的平均光功率约为 5.6mW,图3（b）给出了传输速率为 1Gbit/s 的非归零码伪随机信号，将此随机信号通过混沌掩藏方式加入到发射机输出的混沌载波上，使得传输信号得到很好的加密加载信息的混沌激光与激光器 LD 输出的脉冲光信号通过波分复用器一起注入到光纤中进行 80km 远程传输由于混沌激光在光纤信道中传输会受到光纤色散和非线性效应的影响，从而降低了混沌光通信系统中发射机
29、与接收机的同步性能，因此，解调出来的伪随机信号含有其他高频噪声但是，通过添加通带截止频率为 1,5GHz 的 ChebyshevI 型低通数字滤波器后，可有效地将信号以外的高频成分滤除，如图 3（c）所示通过低通滤波器滤波后，接收机很好地再现了加载到发射机上的伪随机信号，从而实现了混沌激光保密通信。对于现行光通信系统，我们按照光通信系统 OC-48 标准选择码长为27-1 、传输速率为 2.5Gbit/s 的非归零码伪随机信号，如图 4（a）所示在偏置电流为 14.4mA 下，激光器 LD 输出信道波长为 1550.8 的光载波，用所选的伪随机信号去调制激光器输出的激光得到峰值功率为 7dBm
30、 的数字脉冲信号，与混沌激光通过波分复用器一起注入到光纤进行远程传输经过 80km 光纤传输后，同样由于光纤色散和非线性效应的影响，现行光通信系统在接收端接收到的伪随机信号含有高频成分，通过通带截止频率为 3.0GHz 的 Chebyshev I型低通数字滤波器可有效地滤除掉高频成分，得到如图 4（b）所示的解调信号可以看到，发射端调制的伪随机信号在接收端得到了很好的再现，数值证实了现行的数字光通信也能够在与混沌光通信波分复用系统中实现并行传输。6 总结简要陈述了激光器的的概况尤其是半导体激光器的发展现状、硬件构成，混沌激光的产生与特性，重点展示了混沌激光在保密通信、混沌光通信与现行光通信波分
31、复用传输等领域的应用。旨在让人们了解混沌激光技术带来的科技进步及技术革新，引起大家对混沌激光研究的关注，扩大混沌激光研究的影响。参考文献1叶佩弦 非线性光学物理 北京大学出版社，2007， （07）2王新，陈学青， 陈雷 通信原理简明教材 电子工业出版社，2005，(08)3袁国良， 李元元 光纤通信简明教程 清华大学出版社，2010， （08）4雷海东.半导体激光器系统设计 江汉大学，湖北武汉(430056）5刘慧杰.激光混沌通信系统同步及调制的研究 东莞理工学院电子工程系，广东东莞(523808)6王云才.混沌激光的产生与应用 太原理工大学理学院物理系，山西太原(030024）7颜深林.半
32、导体激光器混沌双向保密通信系统理论研究 南京晓庄学院物理系,江苏南京(2100)8方锦清混沌保密通信的研究概况与展望 中国原子研究院，2010， （07）9 马义德，袁 敏，刘 勍，张新国混沌通信技术研究及发展，兰州大学信息科学与工程学院，甘肃兰州（730000）10张建忠，王安帮，王云才混沌光通信与 OC-48光纤通信的波分复用太原理工大学理学院物理系，2008， （05）11王云才， 龚天安混沌光通信与混沌激光测距的研究进展，太原理工大学理学院物理系，山西 太原 （030024）12李林福 ，吴正茂，林旭东，吴加贵，邓涛，夏光琼光纤中的色散和非线性效应对混沌同步的影响，西南大学物理学院，重庆 （400751）13邱鑫，易见兵基于光反馈的激光混沌同步性研究江西理工大学信息工程学院，2010， （06）
