一种直接判别混沌光场光子统计特性的系统及方法与流程

本发明涉及混沌光场的判别技术，具体是一种直接判别混沌光场光子统计特性的系统及方法。

背景技术：

混沌作为光反馈半导体激光器典型的非线性动力学现象，一直是人们关注的热点。目前发现通向混沌的道路有倍周期分岔道路、准周期混沌、阵发混沌等。近年来，混沌的实用性引起人们的关注，并在一系列领域得到广泛研究，如混沌通信、混沌激光测距等。混沌维度的高低直接影响到信号的保密程度及混沌激光测距的精度。同时，半导体激光器的相干性也直接影响到其在光学测量领域中的应用。因此混沌光场的判别就显得尤为重要。

目前，混沌光场的判别主要有以下几种方法：一、分叉图观测法：该方法通过对比分析和综合以确定解的分岔和混沌现象，增加激光器的一个参数值（反馈强度），混沌光场的时序图历经周期性震荡、准周期震荡进入混沌震荡，这种从一种震荡状态转变为另一种震荡状态的现象称为分叉。因为分叉现象只出现在确定性系统中，所以可以通过拟合观察光场的分叉图来确定确定性混沌光场。二、频谱密度分析法：根据Fourier分析可知，非周期的信号在频率空间中对应的是连续谱线，这是因为在混沌运动中，轨道“访问”了各个混沌带的平均周期，通过观察混沌信号的频谱来分析判别混沌光场，混沌信号的频谱图有一定的周期震荡元素，而噪声信号并没有这个特点[参见文献A. Uchida, "Optical Communication with Chaotic Lasers", Wiley-VCH, 2012.]。三、Lyapunov 指数法：对于混沌识别，早在1989年，Stringerflq便提出了计算系统的Iyapunov指数与关联维来判别。因为混沌的一个条件是存在一个或多个正的Lyapunov指数，李雅普诺夫指数小于零，则意味着相邻点最终要靠拢合并成一点，这对应于稳定的不动点和周期运动；若指数大于零，则意味着相邻点最终要分离，这对应于轨道的局部不稳定，如果轨道还有整体的稳定因素(如整体有界、耗散、存在捕捉区域等)，则在此作用下反复折叠并形成混沌吸引子。指数越大，说明混沌特性越明显，混沌程度越高；以上方法需要确定分岔点和普适常数需要对频谱、周期性、分叉图等多方面的信息进行分析，才能将混沌和噪声进行区分。但是并不能得到光场关联、相干性等方面的更多信息。综上所述，现有混沌光场的判别方法缺少对混沌光场高阶相干性及单光子水平上光子统计特性的分析，同时无法准确地将混沌光场和其它光场进行有效判别区分，甚至受探测器死时间和光强的限制，难以完成高精度和强度的测量。基于此，有必要发明一种全新的混沌光场判别技术，以解决现有混沌光场的判别方法存在的上述问题。

技术实现要素：

本发明为了解决现有混沌光场的判别方法缺少对混沌光场高阶相干性及单光子水平上光子统计特性的分析，同时无法准确地将混沌光场和其它光场进行有效判别区分的问题，提供了一种直接判别混沌光场光子统计特性的系统及方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种直接判别混沌光场光子统计特性的系统，包括混沌光产生装置、相干光产生装置、热光产生装置、准单光子产生装置、探测装置；

所述混沌光产生装置包括第一激光器、偏振控制器、光纤环形器、80:20的光纤耦合器、可变衰减器、光纤耦合输出器、第一光纤耦合输入器、第一空间滤波器、第一光纤声光调制器、第一压控振荡器、第一任意波形发生器、第一射频开关、第一功率放大器；

第一激光器的出射端与偏振控制器的入射端连接；偏振控制器的出射端与光纤环形器的入射端连接；光纤环形器的出射端与80:20的光纤耦合器的入射端连接；80:20的光纤耦合器的第一个出射端与可变衰减器的入射端连接；80:20的光纤耦合器的第二个出射端与光纤耦合输出器的入射端连接；可变衰减器的出射端与光纤环形器的反射端连接；光纤耦合输出器的出射端与第一光纤耦合输入器的入射端连接；第一光纤耦合输入器的出射端与第一空间滤波器的入射端连接；第一空间滤波器的出射端与第一光纤声光调制器的入射端连接；第一压控振荡器的信号输出端和第一任意波形发生器的信号输出端均与第一射频开关的信号输入端连接；第一射频开关的信号输出端与第一功率放大器的信号输入端连接；第一功率放大器的信号输出端与第一光纤声光调制器的信号输入端连接；

所述相干光产生装置包括第二激光器、第二光纤耦合输入器、第二空间滤波器、第二光纤声光调制器、第二压控振荡器、第二任意波形发生器、第二射频开关、第二功率放大器；

第二激光器的出射端与第二光纤耦合输入器的入射端连接；第二光纤耦合输入器的出射端与第二空间滤波器的入射端连接；第二空间滤波器的出射端与第二光纤声光调制器的入射端连接；第二压控振荡器的信号输出端和第二任意波形发生器的信号输出端均与第二射频开关的信号输入端连接；第二射频开关的信号输出端与第二功率放大器的信号输入端连接；第二功率放大器的信号输出端与第二光纤声光调制器的信号输入端连接；

所述热光产生装置包括第三激光器、第三光纤耦合输入器、第三空间滤波器、第三光纤声光调制器、第一光纤衰减器、凸透镜、旋转的毛玻璃、小孔光阑、第三压控振荡器、第三任意波形发生器、第三射频开关、第三功率放大器；

第三激光器的出射端与第三光纤耦合输入器的入射端连接；第三光纤耦合输入器的出射端与第三空间滤波器的入射端连接；第三空间滤波器的出射端与第三光纤声光调制器的入射端连接；第三光纤声光调制器的出射端与第一光纤衰减器的入射端连接；第一光纤衰减器的出射端与凸透镜的入射端连接；凸透镜的出射端与旋转的毛玻璃的入射端连接；旋转的毛玻璃的出射端与小孔光阑的入射端连接；第三压控振荡器的信号输出端和第三任意波形发生器的信号输出端均与第三射频开关的信号输入端连接；第三射频开关的信号输出端与第三功率放大器的信号输入端连接；第三功率放大器的信号输出端与第三光纤声光调制器的信号输入端连接；

所述准单光子产生装置包括第四激光器、第四光纤耦合输入器、第四空间滤波器、第四光纤声光调制器、第二光纤衰减器、第四压控振荡器、第四任意波形发生器、第四射频开关、第四功率放大器；

第四激光器的出射端与第四光纤耦合输入器的入射端连接；第四光纤耦合输入器的出射端与第四空间滤波器的入射端连接；第四空间滤波器的出射端与第四光纤声光调制器的入射端连接；第四光纤声光调制器的出射端与第二光纤衰减器的入射端连接；第四压控振荡器的信号输出端和第四任意波形发生器的信号输出端均与第四射频开关的信号输入端连接；第四射频开关的信号输出端与第四功率放大器的信号输入端连接；第四功率放大器的信号输出端与第四光纤声光调制器的信号输入端连接；

所述探测装置包括滤光片、50:50的非偏振分束器、双通道单光子探测器的第一通道、双通道单光子探测器的第二通道、数据采集分析系统；

第一光纤声光调制器的出射端、第二光纤声光调制器的出射端、小孔光阑的出射端、第二光纤衰减器的出射端均与滤光片的入射端连接；滤光片的出射端与50:50的非偏振分束器的入射端连接；50:50的非偏振分束器的两个出射端分别与双通道单光子探测器的第一通道的入射端和双通道单光子探测器的第二通道的入射端连接；双通道单光子探测器的第一通道的信号输出端和双通道单光子探测器的第二通道的信号输出端均与数据采集分析系统的信号输入端连接。

一种直接判别混沌光场光子统计特性的方法（该方法在本发明所述的一种直接判别混沌光场光子统计特性的系统中实现），该方法是采用如下步骤实现的：

步骤1：第一激光器发出的激光依次经偏振控制器、光纤环形器进入80:20的光纤耦合器，并经80:20的光纤耦合器分为两路，其中第一路激光依次经可变衰减器、光纤环形器返回第一激光器，使得第一激光器发出混沌激光；第一激光器发出的混沌激光依次经偏振控制器、光纤环形器、80:20的光纤耦合器、光纤耦合输出器、第一光纤耦合输入器、第一空间滤波器、第一光纤声光调制器进行输出，由此产生连续混沌光；

步骤2：第二激光器发出的激光依次经第二光纤耦合输入器、第二空间滤波器、第二光纤声光调制器进行输出，由此产生连续相干光；

步骤3：第三激光器发出的激光依次经第三光纤耦合输入器、第三空间滤波器、第三光纤声光调制器、第一光纤衰减器、凸透镜、旋转的毛玻璃、小孔光阑进行输出，由此产生连续热光；

步骤4：第四激光器发出的激光依次经第四光纤耦合输入器、第四空间滤波器、第四光纤声光调制器、第二光纤衰减器进行输出；第四压控振荡器发出的射频信号和第四任意波形发生器发出的脉冲信号均经第四射频开关进入第四功率放大器，并经第四功率放大器获得周期性的射频信号，周期性的射频信号进入第四光纤声光调制器，由此使得经第四光纤声光调制器输出的激光变为准单光子；

步骤5：连续混沌光、连续相干光、连续热光、准单光子均经滤光片进入50:50的非偏振分束器，并经50:50的非偏振分束器分为强度相等的两束光，两束光分别经双通道单光子探测器的第一通道和双通道单光子探测器的第二通道进入数据采集分析系统，数据采集分析系统对两束光之间的符合计数进行探测；此时，改变双通道单光子探测器的第一通道和双通道单光子探测器的第二通道之间的相对延迟时间，并由数据采集分析系统对不同相对延迟时间下两束光之间的符合计数进行探测，即可得到连续混沌光、连续相干光、连续热光、准单光子的二阶相干度曲线及理论分析曲线；

步骤6：第一压控振荡器发出的射频信号和第一任意波形发生器发出的脉冲信号均经第一射频开关进入第一功率放大器，并经第一功率放大器获得周期性的射频信号，周期性的射频信号进入第一光纤声光调制器，由此使得经第一光纤声光调制器输出的连续混沌光变为脉冲混沌光；

步骤7：第二压控振荡器发出的射频信号和第二任意波形发生器发出的脉冲信号均经第二射频开关进入第二功率放大器，并经第二功率放大器获得周期性的射频信号，周期性的射频信号进入第二光纤声光调制器，由此使得经第二光纤声光调制器输出的连续相干光变为脉冲相干光；

步骤8：第三压控振荡器发出的射频信号和第三任意波形发生器发出的脉冲信号均经第三射频开关进入第三功率放大器，并经第三功率放大器获得周期性的射频信号，周期性的射频信号进入第三光纤声光调制器，由此使得经第三光纤声光调制器输出的连续热光变为脉冲热光；

步骤9：脉冲混沌光、脉冲相干光、脉冲热光均经滤光片进入50:50的非偏振分束器，并经50:50的非偏振分束器分为强度相等的两束光，两束光分别经双通道单光子探测器的第一通道和双通道单光子探测器的第二通道进入数据采集分析系统，数据采集分析系统对两束光之间的符合计数进行探测；此时，改变双通道单光子探测器的第一通道和双通道单光子探测器的第二通道之间的相对延迟时间，并由数据采集分析系统对不同相对延迟时间下两束光之间的符合计数进行探测，即可得到脉冲混沌光、脉冲相干光、脉冲热光的二阶相干度曲线及理论分析曲线。

与现有混沌光场的判别方法相比，本发明所述的一种直接判别混沌光场光子统计特性的系统及方法通过采用全新的判别原理，实现了对混沌光场高阶相干性及单光子水平上光子统计特性的分析，同时实现了准确地将混沌光场和其它光场进行有效判别区分，由此实现了准确有效地判别混沌光场。

本发明有效解决了现有混沌光场的判别方法缺少对混沌光场高阶相干性及单光子水平上光子统计特性的分析，同时无法准确地将混沌光场和其它光场进行有效判别区分的问题，适用于混沌光场的判别。

附图说明

图1是本发明中一种直接判别混沌光场光子统计特性的系统的结构示意图。

图2是本发明中连续混沌光、连续相干光、连续热光、准单光子的二阶相干度曲线示意图。

图3是本发明中当f=0.5（f为任意波形发生器发出的脉冲信号的宽度与周期的比值）时脉冲混沌光、脉冲相干光、脉冲热光的二阶相干度曲线示意图。

图4是本发明中当f=0.3、0.5、0.7（f为任意波形发生器发出的脉冲信号的宽度与周期的比值）时脉冲混沌光、脉冲相干光、脉冲热光的二阶相干度曲线示意图。

图中：1a-第一激光器，2-偏振控制器，3-光纤环形器，4-80:20的光纤耦合器，5-可变衰减器，6-光纤耦合输出器，7a-第一光纤耦合输入器，8a-第一空间滤波器，9a-第一光纤声光调制器，19a-第一压控振荡器，20a-第一任意波形发生器，21a-第一射频开关，22a-第一功率放大器，1b-第二激光器，7b-第二光纤耦合输入器，8b-第二空间滤波器，9b-第二光纤声光调制器，19b-第二压控振荡器，20b-第二任意波形发生器，21b-第二射频开关，22b-第二功率放大器，1c-第三激光器，7c-第三光纤耦合输入器，8c-第三空间滤波器，9c-第三光纤声光调制器，10c-第一光纤衰减器，11-凸透镜，12-旋转的毛玻璃，13-小孔光阑，19c-第三压控振荡器，20c-第三任意波形发生器，21c-第三射频开关，22c-第三功率放大器，1d-第四激光器，7d-第四光纤耦合输入器，8d-第四空间滤波器，9d-第四光纤声光调制器，10d-第二光纤衰减器，19d-第四压控振荡器，20d-第四任意波形发生器，21d-第四射频开关，22d-第四功率放大器。

具体实施方式

一种直接判别混沌光场光子统计特性的系统，包括混沌光产生装置、相干光产生装置、热光产生装置、准单光子产生装置、探测装置；

所述混沌光产生装置包括第一激光器1a、偏振控制器2、光纤环形器3、80:20的光纤耦合器4、可变衰减器5、光纤耦合输出器6、第一光纤耦合输入器7a、第一空间滤波器8a、第一光纤声光调制器9a、第一压控振荡器19a、第一任意波形发生器20a、第一射频开关21a、第一功率放大器22a；

第一激光器1a的出射端与偏振控制器2的入射端连接；偏振控制器2的出射端与光纤环形器3的入射端连接；光纤环形器3的出射端与80:20的光纤耦合器4的入射端连接；80:20的光纤耦合器4的第一个出射端与可变衰减器5的入射端连接；80:20的光纤耦合器4的第二个出射端与光纤耦合输出器6的入射端连接；可变衰减器5的出射端与光纤环形器3的反射端连接；光纤耦合输出器6的出射端与第一光纤耦合输入器7a的入射端连接；第一光纤耦合输入器7a的出射端与第一空间滤波器8a的入射端连接；第一空间滤波器8a的出射端与第一光纤声光调制器9a的入射端连接；第一压控振荡器19a的信号输出端和第一任意波形发生器20a的信号输出端均与第一射频开关21a的信号输入端连接；第一射频开关21a的信号输出端与第一功率放大器22a的信号输入端连接；第一功率放大器22a的信号输出端与第一光纤声光调制器9a的信号输入端连接；

所述相干光产生装置包括第二激光器1b、第二光纤耦合输入器7b、第二空间滤波器8b、第二光纤声光调制器9b、第二压控振荡器19b、第二任意波形发生器20b、第二射频开关21b、第二功率放大器22b；

第二激光器1b的出射端与第二光纤耦合输入器7b的入射端连接；第二光纤耦合输入器7b的出射端与第二空间滤波器8b的入射端连接；第二空间滤波器8b的出射端与第二光纤声光调制器9b的入射端连接；第二压控振荡器19b的信号输出端和第二任意波形发生器20b的信号输出端均与第二射频开关21b的信号输入端连接；第二射频开关21b的信号输出端与第二功率放大器22b的信号输入端连接；第二功率放大器22b的信号输出端与第二光纤声光调制器9b的信号输入端连接；

所述热光产生装置包括第三激光器1c、第三光纤耦合输入器7c、第三空间滤波器8c、第三光纤声光调制器9c、第一光纤衰减器10c、凸透镜11、旋转的毛玻璃12、小孔光阑13、第三压控振荡器19c、第三任意波形发生器20c、第三射频开关21c、第三功率放大器22c；

第三激光器1c的出射端与第三光纤耦合输入器7c的入射端连接；第三光纤耦合输入器7c的出射端与第三空间滤波器8c的入射端连接；第三空间滤波器8c的出射端与第三光纤声光调制器9c的入射端连接；第三光纤声光调制器9c的出射端与第一光纤衰减器10c的入射端连接；第一光纤衰减器10c的出射端与凸透镜11的入射端连接；凸透镜11的出射端与旋转的毛玻璃12的入射端连接；旋转的毛玻璃12的出射端与小孔光阑13的入射端连接；第三压控振荡器19c的信号输出端和第三任意波形发生器20c的信号输出端均与第三射频开关21c的信号输入端连接；第三射频开关21c的信号输出端与第三功率放大器22c的信号输入端连接；第三功率放大器22c的信号输出端与第三光纤声光调制器9c的信号输入端连接；

所述准单光子产生装置包括第四激光器1d、第四光纤耦合输入器7d、第四空间滤波器8d、第四光纤声光调制器9d、第二光纤衰减器10d、第四压控振荡器19d、第四任意波形发生器20d、第四射频开关21d、第四功率放大器22d；

第四激光器1d的出射端与第四光纤耦合输入器7d的入射端连接；第四光纤耦合输入器7d的出射端与第四空间滤波器8d的入射端连接；第四空间滤波器8d的出射端与第四光纤声光调制器9d的入射端连接；第四光纤声光调制器9d的出射端与第二光纤衰减器10d的入射端连接；第四压控振荡器19d的信号输出端和第四任意波形发生器20d的信号输出端均与第四射频开关21d的信号输入端连接；第四射频开关21d的信号输出端与第四功率放大器22d的信号输入端连接；第四功率放大器22d的信号输出端与第四光纤声光调制器9d的信号输入端连接；

所述探测装置包括滤光片14、50:50的非偏振分束器15、双通道单光子探测器的第一通道16、双通道单光子探测器的第二通道17、数据采集分析系统18；

第一光纤声光调制器9a的出射端、第二光纤声光调制器9b的出射端、小孔光阑13的出射端、第二光纤衰减器10d的出射端均与滤光片14的入射端连接；滤光片14的出射端与50:50的非偏振分束器15的入射端连接；50:50的非偏振分束器15的两个出射端分别与双通道单光子探测器的第一通道16的入射端和双通道单光子探测器的第二通道17的入射端连接；双通道单光子探测器的第一通道16的信号输出端和双通道单光子探测器的第二通道17的信号输出端均与数据采集分析系统18的信号输入端连接。

所述第一激光器1a、第二激光器1b、第三激光器1c、第四激光器1d均采用中心波长为1550nm的LS-1550-SM型单模半导体激光器；所述第一光纤声光调制器9a、第二光纤声光调制器9b、第三光纤声光调制器9c、第四光纤声光调制器9d均采用中心频率为165MHz的165 FCAOM型光纤声光调制器；所述凸透镜11的焦距为12mm；所述第一压控振荡器19a、第二压控振荡器19b、第三压控振荡器19c、第四压控振荡器19d均采用ZOS-200+型压控振荡器；所述第一任意波形发生器20a、第二任意波形发生器20b、第三任意波形发生器20c、第四任意波形发生器20d均采用Agilent-33220A型任意波形发生器；所述第一射频开关21a、第二射频开关21b、第三射频开关21c、第四射频开关21d均采用ZASWA-2-50DR+型射频开关；所述第一功率放大器22a、第二功率放大器22b、第三功率放大器22c、第四功率放大器22d均采用ZHL-1-2W型功率放大器。

一种直接判别混沌光场光子统计特性的方法（该方法在本发明所述的一种直接判别混沌光场光子统计特性的系统中实现），该方法是采用如下步骤实现的：

步骤1：第一激光器1a发出的激光依次经偏振控制器2、光纤环形器3进入80:20的光纤耦合器4，并经80:20的光纤耦合器4分为两路，其中第一路激光依次经可变衰减器5、光纤环形器3返回第一激光器1a，使得第一激光器1a发出混沌激光；第一激光器1a发出的混沌激光依次经偏振控制器2、光纤环形器3、80:20的光纤耦合器4、光纤耦合输出器6、第一光纤耦合输入器7a、第一空间滤波器8a、第一光纤声光调制器9a进行输出，由此产生连续混沌光；

步骤2：第二激光器1b发出的激光依次经第二光纤耦合输入器7b、第二空间滤波器8b、第二光纤声光调制器9b进行输出，由此产生连续相干光；

步骤3：第三激光器1c发出的激光依次经第三光纤耦合输入器7c、第三空间滤波器8c、第三光纤声光调制器9c、第一光纤衰减器10c、凸透镜11、旋转的毛玻璃12、小孔光阑13进行输出，由此产生连续热光；

步骤4：第四激光器1d发出的激光依次经第四光纤耦合输入器7d、第四空间滤波器8d、第四光纤声光调制器9d、第二光纤衰减器10d进行输出；第四压控振荡器19d发出的射频信号和第四任意波形发生器20d发出的脉冲信号均经第四射频开关21d进入第四功率放大器22d，并经第四功率放大器22d获得周期性的射频信号，周期性的射频信号进入第四光纤声光调制器9d，由此使得经第四光纤声光调制器9d输出的激光变为准单光子；

步骤5：连续混沌光、连续相干光、连续热光、准单光子均经滤光片14进入50:50的非偏振分束器15，并经50:50的非偏振分束器15分为强度相等的两束光，两束光分别经双通道单光子探测器的第一通道16和双通道单光子探测器的第二通道17进入数据采集分析系统18，数据采集分析系统18对两束光之间的符合计数进行探测；此时，改变双通道单光子探测器的第一通道16和双通道单光子探测器的第二通道17之间的相对延迟时间，并由数据采集分析系统18对不同相对延迟时间下两束光之间的符合计数进行探测，即可得到连续混沌光、连续相干光、连续热光、准单光子的二阶相干度曲线及理论分析曲线；

步骤6：第一压控振荡器19a发出的射频信号和第一任意波形发生器20a发出的脉冲信号均经第一射频开关21a进入第一功率放大器22a，并经第一功率放大器22a获得周期性的射频信号，周期性的射频信号进入第一光纤声光调制器9a，由此使得经第一光纤声光调制器9a输出的连续混沌光变为脉冲混沌光；

步骤7：第二压控振荡器19b发出的射频信号和第二任意波形发生器20b发出的脉冲信号均经第二射频开关21b进入第二功率放大器22b，并经第二功率放大器22b获得周期性的射频信号，周期性的射频信号进入第二光纤声光调制器9b，由此使得经第二光纤声光调制器9b输出的连续相干光变为脉冲相干光；

步骤8：第三压控振荡器19c发出的射频信号和第三任意波形发生器20c发出的脉冲信号均经第三射频开关21c进入第三功率放大器22c，并经第三功率放大器22c获得周期性的射频信号，周期性的射频信号进入第三光纤声光调制器9c，由此使得经第三光纤声光调制器9c输出的连续热光变为脉冲热光；

步骤9：脉冲混沌光、脉冲相干光、脉冲热光均经滤光片14进入50:50的非偏振分束器15，并经50:50的非偏振分束器15分为强度相等的两束光，两束光分别经双通道单光子探测器的第一通道16和双通道单光子探测器的第二通道17进入数据采集分析系统18，数据采集分析系统18对两束光之间的符合计数进行探测；此时，改变双通道单光子探测器的第一通道16和双通道单光子探测器的第二通道17之间的相对延迟时间，并由数据采集分析系统18对不同相对延迟时间下两束光之间的符合计数进行探测，即可得到脉冲混沌光、脉冲相干光、脉冲热光的二阶相干度曲线及理论分析曲线。