面向全光物理随机数发生器的混沌实时光采样研究

基于混沌激光实现全光物理随机数发生器的物理基础是完成对混沌光信号的高速实时全光采样.本文利用偏振无关的SOA构建出TOAD全光采样门,以光反馈半导体激光器产生混沌激光,对混沌激光的全光采样可行性进行了原理性实验论证,实现了对光反馈半导体激光器产生的6.4 GHz带宽的混沌激光5 GSa/s的实时、高保真全光采样.进一步研究显示,光采样周期与外腔反馈时间成比例与否对混沌信号弱周期性的抑制水平影响显著.当两者不成比例时,可有效消除原始混沌信号的弱周期性,有利于高质量物理随机数的产生.

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.

双光反馈短腔半导体激光器动力学特性分析

提出并数值验证了双光反馈短腔半导体激光器可以稳定产生宽带混沌信号。通过理论分析对比了单光反馈和双光反馈两种结构下,反馈系数对激光器动力学特性的影响,发现双光反馈结构的短腔半导体激光器在很大的参数范围内可以产生混沌信号。对激光器不同输出状态的信号特性进行分析,结果表明双光反馈结构的激光器经由倍周期路径演化为混沌状态。另外,研究了双腔的反馈系数对激光器输出信号带宽的影响,发现双光反馈结构的激光器产生混沌信号的带宽可达10 GHz以上,并且随着反馈系数增大而逐渐增加。

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).

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).

基于太赫兹光非对称解复用器结构的低开关能量、高线性度全光采样门实验研究

利用多量子阱结构的非线性半导体光放大器(SOA)构建的太赫兹光非对称解复用器(TOAD),实验实现了一个开关能量低至25 f J,线性度高达0.99的全光采样门.详细分析了采样脉冲功率和非对称偏移量分别对采样窗口形状、宽度和幅度的影响,并研究了不同采样窗口宽度下TOAD的开关能量及线性度的变化规律.

基于STM32的高精度恒温控制系统设计

针对分布式光纤拉曼测温系统中定标光纤和雪崩光电二极管(APD)的温控要求,设计了一套基于STM32的高精度恒温控制系统。系统采用上下位机结构,上位机负责设定温度值和显示温度数据,下位机根据上位机的设定值利用PID算法对恒温箱的温度进行控制。实验结果表明:在22℃的室温下,定标光纤温度稳定在(10±0.1)℃,APD温度稳定在(5±0.005)℃,上位机可准确反映温度的数值和变化趋势。整套恒温系统能够满足分布式光纤拉曼测温系统的温控要求。

一种利用布里渊增益谱边带解调提高布里渊光时域反射系统测温精度的方法

测温精度是衡量分布式光纤温度传感系统的一项重要性能指标.本文提出一种通过解调布里渊增益谱边带,以提高布里渊光时域反射仪测温精度的方法.在此基础上,进一步分析并验证了探测光脉冲峰值功率对测温精度的影响.理论分析表明,利用声光调制器的频移特性可产生布里渊增益谱边带,相比于中心峰解调方法,采用布里渊增益谱边带解调法可获得更高的系统信噪比,进而提高系统测温精度.实验结果表明,在相同测量条件下,布里渊增益谱左边带峰值功率较其中心峰峰值功率高3.27 dB,且其-1 dB谱宽比中心峰窄14.5 MHz.对布里渊增益谱左边带进行频率扫描,由于相干探测时参考光的作用以及消除了相干瑞利噪声的影响,系统信噪比提高了4.35 dB,并在10.2 km的传感距离上实现了±0.5?C的测温精度.

光电振荡器产生宽带混沌光的时延特征分析

理论分析与数值研究了光电振荡器输出的混沌激光特性,基于自相关分析方法,详细研究了光电振荡器的直流偏置相移和反馈强度等工作参数对输出信号时延信息的影响.数值研究表明:增加反馈强度可以使时延信息变得更加微弱甚至消除;相同条件下,直流偏置相移对应的工作点越接近马赫-曾德尔调制器传输特性曲线的极值点,时延信息越弱;直流偏置相移为0时可以有效地抑制时延信息.研究还发现,当直流偏置相移和反馈调制产生的相移变化π/2时,自相关曲线上对应于延迟时间处的相关系数符号发生变化.

面向高速保密通信的激光混沌物理随机数发生器研究进展

物理随机数在密码学、通信及国家安全等领域具有重要应用价值。传统的物理随机数发生器受限于熵源(如热噪声等)带宽的限制,码率仅处于Mb/s量级。近年来,随着宽带光子熵源(如混沌激光、放大自发辐射噪声)的出现,研究学者提出了众多高速随机数产生方案。其中,混沌激光由于其高带宽、大幅度、易集成等特性,获得了人们的极大关注,被广泛应用于Gb/s量级物理随机数的产生。结合国内外研究现状,对基于混沌激光的物理随机数产生方案进行了综述,分析了各方案的优势及不足,归纳总结了当前混沌物理随机数发生器的研究热点,并指出了其未来可能的发展方向。

动态噪声差分算法实现拉曼测温仪高精度检测

传统分布式光纤传感系统采用固定噪声基底计算散射光强度.但在分布式拉曼测温系统中,由于雪崩光电二极管(avalanche photo diode,APD)光接收机工作时的温度和偏压等因素会导致基底微小改变;而由于拉曼散射光远弱于瑞利散射光,在长距离的温度解调时这个微小的改变对解调结果的影响尤为明显.为解决此问题,提出动态噪声差分算法的方法,即将菲涅尔反射峰后的基底噪声的平均值作为此散射光的动态噪声基底,实现对APD光接收机的噪声基底的动态测量.在拉曼自解调实验系统中,发现由于接收机工作时的温度和偏压等因素的微小改变导致光接收机的噪声基底存在6.62 m V的波动,且噪声基底波动导致测温精度随距离的上升而恶化;采用动态噪声基底的方法可消除噪声基底波动对测温结果的影响,将有效传感距离从3.0 km延长至11.5 km,同时在10.4 km处实现了0.61℃的测温不确定度和1.58℃的测温精确度,可为分布式拉曼传感长距离测量提供参考.

一种提取光反馈混沌激光器时延信息的谱分析方法

鉴于时延信息严重威胁着混沌通信的保密性,提出了一种利用频谱仪直接确定激光器时延信息的新方法。通过记录和观察信号的频谱,发现其频谱受到了时延信息的调制;进一步对频谱作逆傅里叶变换,即可直接获取光反馈混沌激光器的时延信息。实验中对腔长L=11.02m的单反馈和腔长近似相等(L1=11.02m,L2=11.25m)或腔长成整数比(L1=11.02m,L2=22.03m)的双反馈情形进行了研究。分析结果表明:在两外腔长度近似相等的情况下,2个外腔长度信息不能被隐藏;当反馈外腔长度成整数比时可以从频谱中提取出半导体激光器的反馈延迟时间。

掺铒环形光纤激光器中暗孤子族的演化

基于非线性耦合薛定谔方程和非线性偏转锁模技术,理论研究掺铒光纤环形激光器产生暗孤子族的演化规律.结果表明,当小信号增益保持不变,环形光纤激光器的锁模透过率函数影响构成暗孤子族中暗孤子数目,暗孤子族中暗孤子的数目与暗孤子受到扰动时色散波的不同强度与损耗分布不同有关.由自相位调制和互相位调制产生的非线性相移导致的相同频率不同相位的光波发生相长和相消干涉,这种干涉的结果导致暗孤子族光谱旁瓣的产生.

混沌光场光子统计分布及二阶相干度的分析与测量

利用通信波段双通道单光子探测器,采用Hanbury Brown-Twiss关联测量方案,理论分析并实验测量了光反馈半导体激光器产生的混沌光场的光子统计分布及不同混沌状态光场的二阶相干度.通过对混沌光场二阶相干度g^((2))(τ)的理论分析,得出随着延迟时间和相干时间的变化,其与相干光、热光及单光子态的二阶相干度可明显区分并呈现出不同分布.同时实验上产生了频谱宽度6.7 GHz的混沌光场,测量了不同光子数分布的结果,并用高斯随机分布、泊松分布、玻色-爱因斯坦分布对光子数分布进行理论拟合,发现随着入射平均光子数的增加,光子数分布从玻色-爱因斯坦分布过渡到泊松分布,但整个过程都与高斯随机分布符合较好,且光场的二阶相干度g^((2))(0)由2降至1.通过改变偏置电流(I=1.0Ith-2.0Ith)和反馈强度(0—10%),实验上研究了混沌光场由低频起伏到相干塌陷的过程中不同状态宏观动力学特性与二阶相干度的对应关系.结果表明:混沌光场在此过程中始终呈现出明显的聚束效应,并在频谱宽度最大时达到最强;同时给出了光子计数测量中聚束效应减弱的物理原因.实验表明该系统及方法能很好地揭示不同状态混沌光场的光子统计特性.

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.

毫米级高分辨率的混沌激光分布式光纤测温技术

近年来,随着分布式光纤传感技术在各大基础设施健康监测领域的广泛应用,人们对能够实现毫米量级精准定位和监测技术的需求日益增长.本文提出了一种基于宽线宽混沌激光的高分辨率分布式光纤测温技术.实验通过改变光反馈混沌源的偏振匹配态和反馈强度等外部参数,产生了–3 dB线宽约为7.5 GHz的宽线宽混沌激光,并在300 m传感光纤实现了空间分辨率为7.05 mm的分布式温度测量.同时,为了抑制光源线宽增加造成的布里渊增益谱恶化,在泵浦路中引入了时间门控技术,其中经脉冲调制后的泵浦光峰值功率提高了约9.5 dB,同时脉冲调制使混沌互相关锁定于脉冲持续时间内,从而布里渊增益谱的信号背景噪声比由约2.28 dB提升为4.55 dB,最终实现了空间分辨率为3.12 mm的分布式温度测量.

混沌激光布里渊散射的分布式光纤温度传感

提出一种基于混沌激光布里渊散射的分布式光纤温度传感方法.采用相干长度为88.53 cm的混沌激光作为光源,结合相干域反射技术,利用可变光延迟线调节参考光光程,通过检测传感光纤不同位置的混沌布里渊散射光与参考光的干涉信号,获知整条光纤的温度信息分布.搭建实验系统,研究了注入光功率与偏振态对混沌激光布里渊散射光的特性影响.实验研究待测光纤中固定点的布里渊频移随温度的变化情况,获得1.27℃/MHz的温度系数.在长度为155 m的普通单模光纤上实现空间分辨率为1.2 m的分布式光纤温度传感测量.

基于高斯白噪声调制的布里渊光相干反射温度传感器

根据光纤布里渊频移量随温度变化的特性,提出一种基于布里渊光相干反射技术的分布式光纤温度传感器.利用噪声信号的无周期特性,采用高斯白噪声信号对系统的光源进行电流调制,克服了现有布里渊光相干反射技术无法同时兼顾传感距离和空间分辨率的问题.实验研究表明,该传感器在253m的普通单模光纤上实现了分布式温度测量,获得了54.6cm的空间分辨率和±1.07℃的温度测量准确度.

激光线宽对光纤受激布里渊散射阈值的影响

理论分析了线宽对受激布里渊散射阈值的影响,使用噪声信号直接调制分布反馈半导体激光器构成可调线宽激光光源,搭建了受激布里渊散射阈值测量系统.结果表明,可调线宽激光的频谱与所使用的噪声信号的频谱类似,光谱与分布反馈半导体激光器输出光的光谱相比明显展宽.当可调线宽激光光源使用400 m V噪声信号进行调制时,长度为900 m单模光纤的受激布里渊散射阈值为616 m W,与使用DFB激光器测量的106 m W阈值相比,提高了7.6 d B.因此,可调线宽激光光源可以提高光纤的受激布里渊散射阈值,增加长距离光纤通信和光载电能传输系统中的光功率.

面向混沌激光器的高精度温控与驱动电路设计

为实现对混沌激光器温度与注入电流的高精度调节与控制,设计并制作了一套面向混沌激光器的高精度温控与直流驱动电路系统.该系统主要包括温度控制模块、直流驱动模块及上位机控制模块3部分.温度控制模块采用高控温精度的ADN8830作为主控芯片,通过设计温度补偿网络和功率放大电路,构成完整的闭环温度控制结构.直流驱动控制模块采用ADN2830作为主控芯片,结合高精度数字电位计设计串联和并联电阻电路,实现对激光器注入电流的精确控制.上位机控制模块采用串口通信方式实现对电路系统的整体控制,并利用LabVIEW语言开发了上位机自动控制系统.实验验证,电路系统温度控制精度可达0. 01℃,电流控制精度可达0. 01 mA,完全满足混沌激光器稳定运行的要求.