本發(fā)明屬于光通信，更為具體地講，涉及一種基于微環(huán)諧振腔的量子噪聲輔助多路寬帶光混沌生成裝置。

背景技術(shù)：

1、混沌激光因其寬光譜、對(duì)初始條件高度敏感以及類噪聲的特性，近年來在保密光通信、隨機(jī)數(shù)生成、激光雷達(dá)、光纖傳感、強(qiáng)化學(xué)習(xí)及儲(chǔ)備池計(jì)算等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。通過向半導(dǎo)體激光器施加外部擾動(dòng)，可使其輸出進(jìn)入混沌狀態(tài)。目前，基于半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生混沌激光的常用方法主要包括外腔光反饋、外光注入以及光電反饋三種方式。

2、然而，上述基于半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生光學(xué)混沌的方法存在以下局限性：

3、其一，由于半導(dǎo)體激光器固有的弛豫振蕩特性，混沌信號(hào)的功率譜中大部分能量集中在弛豫振蕩頻率附近。這導(dǎo)致混沌信號(hào)功率譜的不平坦性和帶寬受限問題，從而限制了保密通信系統(tǒng)的傳輸速率以及雷達(dá)探測(cè)的分辨率。

4、其二，在基于光反饋結(jié)構(gòu)的混沌激光產(chǎn)生方案中，外腔反饋會(huì)使混沌信號(hào)的自相關(guān)曲線在反饋延遲位置出現(xiàn)明顯高于周圍值的尖峰。這一尖峰被稱為時(shí)延標(biāo)簽(timedelay?signature,tds)。tds的存在可能泄露反饋延遲參數(shù)，進(jìn)而威脅保密通信系統(tǒng)的安全性。

5、其三，這些方法通常僅能產(chǎn)生單路混沌信號(hào)，難以滿足大規(guī)模并行信號(hào)處理的需求，例如波分復(fù)用混沌保密通信和基于混沌激光的雷達(dá)三維成像等應(yīng)用場(chǎng)景。

6、針對(duì)混沌信號(hào)帶寬受限的問題，研究者提出了多種改進(jìn)方案，包括非對(duì)稱雙路徑反饋結(jié)構(gòu)、并聯(lián)耦合微環(huán)諧振器反饋結(jié)構(gòu)、相位調(diào)制級(jí)聯(lián)色散元件、寬譜信號(hào)注入以及激光器網(wǎng)絡(luò)耦合等方法，以實(shí)現(xiàn)混沌信號(hào)帶寬的提升。這些方案盡管能夠?qū)⒂行挃U(kuò)展至數(shù)十ghz，但由于受限于器件性能，通常難以突破50ghz的限制。此外，這些方法仍局限于生成單路混沌信號(hào)，無(wú)法滿足多路并行應(yīng)用的需求。

7、針對(duì)時(shí)延標(biāo)簽(tds)問題，其主要來源于由外腔長(zhǎng)度決定的反饋延遲時(shí)間，這種線性反饋導(dǎo)致的時(shí)延特征可以通過優(yōu)化反饋回路進(jìn)行抑制。為解決tds問題，學(xué)者們提出了一些改進(jìn)措施，包括使用光纖布拉格光柵或啁啾光纖光柵替代傳統(tǒng)反饋鏡、在反饋回路中引入色散模塊、以及通過多條反饋路徑隱藏tds。然而，這些方法主要針對(duì)單路混沌信號(hào)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，尚無(wú)法滿足大規(guī)模并行信號(hào)生成的需求。

8、研究者將研究思路擴(kuò)展至同時(shí)產(chǎn)生多路混沌信號(hào)，以提升混沌熵源的數(shù)量。提出的技術(shù)方案包括：基于光電混合反饋和并行濾波的方法[journal?of?lightwavetechnology,2022,40(3),751-761]；長(zhǎng)腔有源法布里-珀羅激光器的方案[journal?ofselected?topics?in?quantum?electronics,2023,29(6),1-7]；以及采用具有自調(diào)相注入的外腔激光器實(shí)現(xiàn)多通道混沌信號(hào)的連續(xù)波激光器[opto-electronics?advances,2022,5(5),200026]。這些研究探索了基于半導(dǎo)體激光器的多路混沌通道產(chǎn)生技術(shù)。然而，上述方案所生成的并行混沌通道數(shù)量仍然有限，難以滿足大規(guī)模并行信號(hào)處理的需求。

9、此外，北京大學(xué)王興軍團(tuán)隊(duì)提出了一種利用直流泵浦下的微環(huán)諧振腔實(shí)現(xiàn)上百個(gè)并行混沌輸出的方案[nature?communications,2023,14(1),4590]；廣東工業(yè)大學(xué)李璞團(tuán)隊(duì)提出用直流泵浦下的add-drop型微環(huán)諧振腔實(shí)現(xiàn)大規(guī)模混沌輸出方案[light:science&applications,2024,13(1),66]。盡管這些方案在通道數(shù)量上取得了顯著突破，但單路混沌信號(hào)的帶寬受限，僅能達(dá)到約1ghz。此外，由于四波混頻效應(yīng)，混沌信號(hào)在關(guān)于泵浦波長(zhǎng)對(duì)稱的光梳處存在一定的相關(guān)性，難以完全滿足正交性要求。

10、綜上所述，同時(shí)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并行寬帶混沌信號(hào)的產(chǎn)生，并保證不同信號(hào)之間的正交性，仍然是一項(xiàng)亟待解決的技術(shù)難題。因此，探索一種能夠產(chǎn)生多路并行寬帶激光混沌信號(hào)的裝置，不僅具有重要的研究?jī)r(jià)值，還對(duì)保密通信、隨機(jī)數(shù)生成等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于微環(huán)諧振腔的量子噪聲輔助多路寬帶光混沌生成裝置，能夠有效提升混沌信號(hào)的通道數(shù)量和帶寬，同時(shí)降低信號(hào)間的相關(guān)性，為大規(guī)模并行寬帶光混沌信號(hào)的產(chǎn)生提供了新途徑。

2、為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明一種基于微環(huán)諧振腔的量子噪聲輔助多路寬帶光學(xué)混沌生成裝置，其特征在于，包括：噪聲驅(qū)動(dòng)源、微環(huán)諧振腔和濾波解復(fù)用探測(cè)單元；

3、其中，噪聲驅(qū)動(dòng)源又包括摻鉺光纖放大器、光帶通濾波器和偏振控制器，用于生成窄帶噪聲信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)源注入微環(huán)諧振腔；對(duì)窄帶噪聲信號(hào)在微環(huán)諧振腔內(nèi)進(jìn)行非線性效應(yīng)，輸出寬范圍的混沌光梳信號(hào)；濾波解復(fù)用探測(cè)單元又包括：光帶阻濾波器、解波分復(fù)用器和光電探測(cè)器；濾波解復(fù)用探測(cè)單元實(shí)現(xiàn)對(duì)混沌光梳信號(hào)中各個(gè)梳齒頻譜分量的獨(dú)立提取，然后通過光電轉(zhuǎn)換進(jìn)行輸出。

4、本發(fā)明的發(fā)明目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

5、本發(fā)明基于微環(huán)諧振腔的量子噪聲輔助多路寬帶光學(xué)混沌生成裝置，包括：噪聲驅(qū)動(dòng)源、微環(huán)諧振腔和濾波解復(fù)用探測(cè)單元；噪聲信號(hào)經(jīng)過寬度為30ghz、中心波長(zhǎng)與微環(huán)諧振器中心波長(zhǎng)一致的光帶通濾波器進(jìn)行預(yù)處理，形成窄帶噪聲光源后，注入到微環(huán)諧振腔中。噪聲光源進(jìn)入微環(huán)諧振腔后，不同頻率分量通過腔內(nèi)的非線性效應(yīng)和色散作用相互耦合，形成寬光譜的混沌信號(hào)。腔內(nèi)動(dòng)力學(xué)效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)了混沌信號(hào)的復(fù)雜度，并展寬了每根梳齒混沌信號(hào)的光譜?？紤]到泵浦頻率分量占據(jù)了光梳的大部分能量，為避免其干擾，混沌信號(hào)首先通過一個(gè)中心波長(zhǎng)與微環(huán)諧振器中心波長(zhǎng)一致、寬度為50ghz的帶阻濾波器，濾除泵浦頻率成分。經(jīng)過濾波處理后的光梳信號(hào)再通過解波分復(fù)用器，將不同中心波長(zhǎng)的混沌信號(hào)分離開，用于后續(xù)分析和應(yīng)用。

6、同時(shí)，本發(fā)明基于微環(huán)諧振腔的量子噪聲輔助多路寬帶光學(xué)混沌生成裝置還具有以下有益效果：

7、(1)、光帶通濾波器的寬度應(yīng)小于或等于微環(huán)諧振腔的諧振頻率范圍，以確保各個(gè)頻率分量能夠在微環(huán)諧振腔內(nèi)有效地引發(fā)非線性效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)混沌信號(hào)的高效產(chǎn)生。

8、(2)、光帶阻濾波器的寬度應(yīng)大于或等于窄帶噪聲信號(hào)的寬度，以保證每個(gè)通道混沌信號(hào)的有效帶寬能夠被準(zhǔn)確計(jì)算，避免泵浦頻率干擾其他混沌信號(hào)。

9、(3)、解波分復(fù)用器的信道帶寬應(yīng)大于每根混沌梳齒的線寬，且需確保每個(gè)通道通帶范圍內(nèi)僅包含一根混沌梳齒，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)并行混沌信號(hào)的有效分離。

10、(4)、帶寬顯著提升：本發(fā)明成功將每根梳齒的混沌信號(hào)帶寬提升至30ghz量級(jí)，相較于傳統(tǒng)的直流泵浦方案，實(shí)現(xiàn)了10倍以上的帶寬提升，極大地滿足了高速信號(hào)處理需求。

11、(5)、低相關(guān)性與高正交性：與直流泵浦方案相比，本發(fā)明案有效降低了通道間混沌信號(hào)的相關(guān)性，通道間的信號(hào)互相關(guān)性約為0.05，顯著提升了信號(hào)間的正交性，確保了獨(dú)立通道的穩(wěn)定輸出。

12、(6)、泵浦閾值降低：本發(fā)明的量子噪聲輔助泵浦機(jī)制使得激發(fā)混沌光梳所需的平均功率密度閾值低于直流泵浦方案，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)功耗和能量需求。

13、(7)、噪聲寬度優(yōu)化：適當(dāng)增加注入噪聲的光譜寬度，能夠有效提升混沌信號(hào)的有效帶寬，為系統(tǒng)帶寬的靈活調(diào)控提供了可行途徑。