自2005年基于希臘雅典城域網(wǎng)首次實(shí)現(xiàn)混沌保密通信現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)以來, 混沌保密通信引起了人們越來越多的關(guān)注[1]． 迄今為止, 不同的混沌保密通信架構(gòu)已經(jīng)被提出并證實(shí)[2-4], 單向單信道傳輸速率可以達(dá)到30 Gb/s, 傳輸距離可達(dá)100 km以上． 然而, 人們對混沌保密光通信的研究大多局限于單模半導(dǎo)體激光器(semiconductor lasers, SLs)的單信道通信, 這很難滿足未來混沌保密光通信在通信速率和通信容量方面的高速發(fā)展需求． 因此, 研究者提出了基于波分復(fù)用技術(shù)(wavelength division multiplexing, WDM)的多信道混沌保密光通信系統(tǒng)[5-12]． 例如, Paul等[5]利用兩個外腔反饋單模SLs分別作為發(fā)射端提供雙信道的混沌載波, 信息經(jīng)光纖傳輸后到達(dá)接收端進(jìn)行解密, 實(shí)現(xiàn)了雙信道的混沌保密通信． Argyris等[7]利用由分布式反饋激光器和波導(dǎo)外腔構(gòu)成的一對光子集成電路, 實(shí)現(xiàn)了1.25 Gb/s加密數(shù)據(jù)序列的密集波分復(fù)用傳輸． Jiang等[8]提出了一種基于多對SLs的波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)(WDM-PON)方案, 理論實(shí)現(xiàn)了多信道的混沌保密通信． 上述研究從實(shí)驗(yàn)和理論兩方面證明了基于WDM技術(shù)的多信道混沌保密光通信的可行性, 從而為未來高速、 大容量混沌保密通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和應(yīng)用提供了一種可行的候選方案．

WDM混沌保密通信系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一是尋求大范圍波長可調(diào)的混沌載波源． 在適當(dāng)?shù)墓夥答仭?光電反饋或光注入等外部擾動作用下, SLs容易被驅(qū)動到混沌工作態(tài), 且其輸出的混沌信號較為復(fù)雜, 因而已經(jīng)成為混沌保密通信中常用的混沌光源． 與傳統(tǒng)的單模SLs相比, 法布里-珀羅激光器(Fabry-Perot laser diodes, FPLDs)可同時輸出多個模式, 從而為多信道混沌保密通信系統(tǒng)的構(gòu)建提供了可能． 2004年, Buldu等[13]從理論上研究了基于兩個單向耦合FPLDs的多信道通信系統(tǒng)的混沌同步性能和通信性能． 2014年, 操良平等[14]提出了基于光反饋多模SLs的多信道單向混沌通信系統(tǒng), 數(shù)值研究了系統(tǒng)的同步特性及通信性能． 2016 年, Jiang等[15]理論證實(shí)了基于多模激光器的安全性增強(qiáng)的WDM混沌保密光通信． 特別地, Lin等[16]在傳統(tǒng)FPLDs的基礎(chǔ)上研發(fā)了弱諧振腔法布里-珀羅激光二極管(WRC-FPLDs)． 與傳統(tǒng)FPLDs相比, WRC-FPLDs具于有更長的腔長和更低的前端面反射率, 因而其模式間隔更小, 在一定波長范圍內(nèi)可能存在更多的模式． 基于以上優(yōu)點(diǎn), WRC-FPLDs有望成為構(gòu)建WDM混沌保密光通信系統(tǒng)的理想光源． Zhong等[17]進(jìn)一步證實(shí)了基于濾波反饋WRC-FPLDs可以產(chǎn)生波長大范圍可調(diào)節(jié)的寬帶混沌信號以及基于兩個單向耦合WRC-FPLDs可實(shí)現(xiàn)波長可調(diào)諧的混沌保密通信[18]．

眾所周知, 實(shí)現(xiàn)混沌保密通信的必要前提是發(fā)射端和接收端激光器之間實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的混沌同步． 目前大多數(shù)混沌同步的研究主要集中在單信道的單向耦合(unidirectional coupling, UC)結(jié)構(gòu)[3-4, 19]． 在這種結(jié)構(gòu)中, 信息被加載到發(fā)射端的混沌載波上, 基于兩激光器的混沌同步, 在接收端利用混沌濾波效應(yīng)(chaos pass filtering effect, CPF)可實(shí)現(xiàn)信息的有效提取[20-21]． 為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的通信容量, 基于互耦激光器結(jié)構(gòu)的混沌同步實(shí)現(xiàn)雙向保密通信受到了廣泛關(guān)注[22-24]． 在對稱的互耦合結(jié)構(gòu)中, 由于SLs之間的噪聲、 頻率失諧及其他內(nèi)部參量等因素會導(dǎo)致系統(tǒng)自發(fā)地出現(xiàn)對稱破缺現(xiàn)象, 導(dǎo)致SLs之間的超前-滯后角色發(fā)生相應(yīng)的改變[25-26], 因而難以獲得適用于通信的穩(wěn)定的混沌同步． 為解決混沌同步穩(wěn)定性的問題, 人們在對稱的互耦合結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上通過增加反饋環(huán)獲得了穩(wěn)定的混沌同步[27-28]． Zhang等[29]提出了一種極度不對稱的互耦合混沌保密通信系統(tǒng), 該系統(tǒng)中沒有引入額外的反饋環(huán), 而是通過極度非對稱導(dǎo)致的注入鎖定效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的混沌同步和雙向通信． Deng等[22]基于非對稱偏置電流下的互耦合激光器實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的超前-滯后混沌同步． 由此可見, 非對稱互耦合結(jié)構(gòu)的引入為高質(zhì)量混沌同步的實(shí)現(xiàn)提供了一種可行的方式．

本文提出了一種基于兩個非對稱互注入WRC-FPLDs實(shí)現(xiàn)波長可調(diào)諧的混沌同步方案． 通過調(diào)節(jié)互注入光路中可調(diào)光濾波器的中心波長和可調(diào)衰減器, 可以實(shí)現(xiàn)混沌載波波長的自由切換和非對稱注入的調(diào)整． 兩個WRC-FPLDs之間由于較強(qiáng)的非對稱光注入導(dǎo)致注入鎖定, 從而實(shí)現(xiàn)波長可調(diào)諧的混沌同步． 此外, 還討論了非對稱注入程度和頻率失諧對兩激光器對應(yīng)模式之間混沌同步性能的影響．

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為基于非對稱互注入WRC-FPLDs的波長可調(diào)諧混沌同步實(shí)驗(yàn)裝置圖, WRC-FPLDs分別由兩個高精度、 超低噪聲的激光器控制器(LC, ILX-Lightwave LDC-3724C)驅(qū)動． 在實(shí)驗(yàn)過程中, 非對稱注入通過分別調(diào)節(jié)兩條路徑的注入強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)． WRC-FPLD1的輸出光經(jīng)過一個光環(huán)形器(OC1)后被50∶50的光纖耦合器(FC1)分為兩部分． 其中一部分輸出光依次經(jīng)過可調(diào)光濾波器(TOF1, AOS, range: 1 544.00 nm～1 556.00 nm, 3 dB bandwidth: 0.28 nm)、 摻鉺光纖放大器(EDFA1)、 偏振控制器(PC1)和可調(diào)衰減器(VA1)后, 再次被20∶80的光纖耦合器(FC2)分成兩部分, 其中80 %的輸出通過OC2的端口1注入WRC-FPLD2, 20 %的輸出進(jìn)入功率計(PM, JW3216C)進(jìn)行光功率檢測． 實(shí)驗(yàn)過程中TOF1用于調(diào)節(jié)WRC-FPLD1的中心波長, PC1和VA1分別用于調(diào)節(jié)偏振態(tài)和注入強(qiáng)度． 從FC1輸出的另一部分光通過10∶90的光纖耦合器(FC5)進(jìn)入測試分析系統(tǒng)． 其中一部分輸出光進(jìn)入光譜分析儀(Aragon Photonics BOSA lite+)以實(shí)現(xiàn)光譜的探測, 另一部分輸出光通過兩個光電探測器(PD1, New Focus 1 544-B, 12GHz bandwidth; PD3, U2T-XPDV2120R, 50 GHz bandwidth)后分別進(jìn)入數(shù)字示波器(OSC, Agilent X91604A, 40 GSa/s, 16 GHz bandwidth)和頻譜分析儀(ESA, R&S FSW, 67 GHz bandwidth)以分析混沌信號的時間序列和相應(yīng)的功率譜． WRC-FPLD2輸出光的傳輸路徑與WRC-FPLD1類似, 且PD1和PD2, PD3和PD4的型號一致．

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖2為WRC-FPLD1和WRC-FPLD2自由運(yùn)行時的光譜, 兩個WRC-FPLDs的偏置電流分別固定在I1=55.00 mA,I2=35.00 mA, 溫度分別設(shè)定為T1=21.00 ℃和T2=19.50 ℃． 從圖2可以看出, 兩個激光器在自由運(yùn)行狀態(tài)下可在1 535～1 565 nm的范圍內(nèi)輸出多達(dá)50個模式, 模式間隔約為0.57 nm． 由于兩激光器的縱模間隔幾乎相同, 因此兩激光器對應(yīng)縱模之間的頻率失諧被定義為Δf=f1-f2, 其中f1和f2分別為WRC-FPLD1和WRC-FPLD2對應(yīng)模式的頻率． 耦合強(qiáng)度κ12和κ21分別定義為WRC-FPLD1注入WRC-FPLD2的光功率與WRC-FPLD2自由運(yùn)行時的輸出功率之比, 以及WRC-FPLD2注入WRC-FPLD1的光功率與WRC-FPLD1自由運(yùn)行時的輸出功率之比． 在整個實(shí)驗(yàn)中, 通過固定WRC-FPLD2的溫度和調(diào)節(jié)WRC-FPLD1的溫度, 可以調(diào)節(jié)頻率失諧Δf． 考慮到各個模式的情況基本一致, 為了簡便, 本文僅僅考慮了兩個模式的情況．

圖2 WRC-FPLD1和WRC-FPLD2自由運(yùn)行時的光譜

圖3為WRC-FPLD1和WRC-FPLD2輸出的兩個模式所對應(yīng)的時間序列(圖3a,3b)、 功率譜(圖3c, 3d)、 光譜(圖3e, 3f)和互相關(guān)系數(shù)(圖3g, 3h)． 圖3a,3c,3e,3g分別對應(yīng)λ=1 551.416 8 nm,κ12=2.032,κ21=0.022,Δf=-5 GHz, 圖3b,3d,3f,3h分別對應(yīng)λ=1 553.453 0 nm,κ12=3.732,κ21=0.023,Δf=-5 GHz． 從圖3a,3c,3e和圖3b,3d,3f可以看出, 兩個激光器對應(yīng)模式均工作在混沌態(tài), 其光譜展寬, 功率譜變得平滑． 從圖3g和圖3h可以看出, 通過調(diào)節(jié)非對稱注入強(qiáng)度和頻率失諧, WRC-FPLD1的輸出滯后于WRC-FPLD2的輸出, 兩個模式間實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量超前-滯后混沌同步, 最大的同步系數(shù)均位于-260 ns附近(對應(yīng)兩個激光器之間的距離)且最大互相關(guān)系數(shù)Cmax分別為0.90和0.87. 在本實(shí)驗(yàn)中, 由于κ12遠(yuǎn)大于κ21, WRC-FPLD1的輸入光驅(qū)動WRC-FPLD2工作在混沌態(tài)并實(shí)現(xiàn)了注入鎖定, 從而使系統(tǒng)獲得了高質(zhì)量的超前-滯后混沌同步． 需要指出的是, 兩個激光器超前或滯后的角色可以互換, 這本質(zhì)上取決于互注入雙方各自輸出功率與被注入功率的關(guān)系, 兩個激光器因此可分別工作于被注入鎖定的狀態(tài)．

a,b對應(yīng)時間序列; c,d對應(yīng)功率譜; e,f對應(yīng)光譜; g,h對應(yīng)互相關(guān)系數(shù)． a,c,e,g分別對應(yīng)λ=1 551.416 8 nm, κ12=2.032, κ21=0.022, Δf=-5 GHz; b,d,f,h分別對應(yīng)λ=1 553.453 0 nm, κ12=3.732, κ21=0.023, Δf=-5 GHz．

圖4為無頻率失諧情況下, 兩個激光器相應(yīng)模式間最大相關(guān)系數(shù)Cmax隨耦合強(qiáng)度κ12的變化曲線, 其中耦合強(qiáng)度κ21分別固定為0.022和0.023. 從圖中可以看出, 兩個模式的最大互相關(guān)系數(shù)曲線呈現(xiàn)出了相似的變化趨勢． 隨著κ12的增加,Cmax迅速增大并最終保持在一個較高水平． 這一現(xiàn)象可以解釋為: 當(dāng)κ12較小時, 兩個激光器的角色相當(dāng), 在互注入作用下無法達(dá)到較好的同步． 隨著κ12的增加, WRC-FPLD1的主導(dǎo)地位越來越明顯, 在非對稱互注入作用下WRC-FPLD2輸出逐漸趨向于與WRC-FPLD1的輸出一致． 當(dāng)κ12增大到一定程度后, WRC-FPLD1在非對稱互注入中扮演了主導(dǎo)角色, WRC-FPLD2被WRC-FPLD1注入鎖定, 因此兩個激光器相應(yīng)的模式之間可以達(dá)到高質(zhì)量的混沌同步． 隨著κ12的進(jìn)一步增大, 極度非對稱互注入結(jié)構(gòu)使激光器之間的注入鎖定效應(yīng)得到進(jìn)一步加強(qiáng), 混沌同步質(zhì)量被穩(wěn)定在一個較高的水平． 由圖3和圖4可知, 在一定的頻率失諧下, 兩個互注入激光器間非對稱程度的增加有利于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量混沌同步．

κ21分別固定在0.022和0.023, 波長λ 分別為1 551.416 8 nm和1 553.453 0 nm．

圖5給出了不同頻率失諧下Cmax隨κ12的變化曲線． 從圖5中可以看出, 與零失諧的情況相比, 在一定的頻率失諧下, 兩個模式的Cmax隨κ12的變化整體上仍然呈現(xiàn)相似的變化趨勢． 此外, 由于光注入導(dǎo)致的波長紅移現(xiàn)象, 適當(dāng)?shù)呢?fù)頻率失諧有助于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)注入鎖定, 從而提高系統(tǒng)的同步性能． 相反, 正頻率失諧注入將進(jìn)一步擴(kuò)大兩個激光器之間由于互注入引起的頻率之差, 弱化注入鎖定效應(yīng), 從而使同步性能惡化． 因此, 在我們的實(shí)驗(yàn)條件下, 相比于正頻率失諧, 適當(dāng)?shù)呢?fù)頻率失諧有助于獲得更高質(zhì)量的混沌同步．

Δf分別為+5 GHz, +10 GHz, -5 GHz, -10 GHz, κ21分別為0.022,0.023．

圖6給出了Cmax隨Δf變化的曲線, 其中κ12分別為2.032和3.732,κ21分別為0.022和0.023． 從圖6中可以看出, 與零失諧的情況相比, 正失諧的增加會降低系統(tǒng)的同步性能, 而適當(dāng)?shù)呢?fù)失諧有助于提高系統(tǒng)的同步性能, 進(jìn)一步增大負(fù)失諧同樣會降低系統(tǒng)的同步性能, 這些結(jié)果與圖5中的情況基本一致． 由此可見, 通過增加兩個激光器注入的非對稱程度和采用適當(dāng)?shù)呢?fù)頻率失諧將有助于系統(tǒng)獲得高質(zhì)量混沌同步．

(a) κ12=2.032, κ21=0.022, λ=1 551.416 8 nm; (b) κ12=3.732, κ21=0.023, λ=1 553.453 0 nm．

3 結(jié)論

本文提出了基于兩個非對稱互注入WRC-FPLDs的波長可調(diào)諧的混沌同步系統(tǒng), 實(shí)驗(yàn)研究了該系統(tǒng)的同步性能． 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 通過改變可調(diào)濾波器TOF的中心波長和兩條路徑的注入條件, WRC-FPLDs輸出的不同模式均可實(shí)現(xiàn)混沌輸出． 通過分別控制兩條路徑的注入強(qiáng)度可以構(gòu)建非對稱互注入結(jié)構(gòu), 并實(shí)現(xiàn)超前-滯后混沌同步． 增強(qiáng)互注入的非對稱程度并采用適當(dāng)?shù)呢?fù)頻率失諧可有效增強(qiáng)注入鎖定效應(yīng), 從而提高系統(tǒng)混沌同步質(zhì)量．