物理科学

用量子级联激光器实现自由空间通信

作为传输私人信息的廉价且容易获得的工具,自由传播光波对于运营安全通信网络的各方来说是非常可取的。然而,由于地球大气的不可预测的波动,这些波所包含的编码信息很容易丢失。在他们的研究中,Frédéric Grillot和Télécom Paris的Olivier Spitz开发了复杂的新技术来克服这一挑战。通过特定的激光将它们的信息以混沌模式加密,该团队的工作可能很快有助于实现安全的、全球范围的网络,而不需要光纤。

在当今快节奏的全球通信环境中,对许多不同的群体来说,在不存在被窃听者泄露信息风险的情况下安全地交换信息往往是至关重要的。到目前为止,确保这一安全级别的最尖端技术通常包括通过光纤传输的光波,或通过空气传输的无线电波。然而,这些方法面临许多缺点,特别是在发送大型消息的速度有限方面。由于光纤的可用带宽受到严格限制,它们很快就会饱和,留给信息传播的空间很小。

一个新兴的解决这个问题就在于“自由空间光学”(FSO),其操作使用自由传播光波 - 但它不需要任何预先存在的基础设施。此外,这些变速器没有被哪个波长可以通过特定的当事人传递严格的规则束缚。“由于它的快速,经济高效的部署,FSO已成为一个日益流行的技术,” Grillot博士介绍。“不像无线电频率,目前与FSO少许相关规定,因此它可以提供更高的带宽。”与可用于信息传播更为室,消息可以同时显著更高的速度发送。

以这种方式发送隐藏的消息利用“混乱”的特点,这意味着激光输出强度是不可预测和不规则的。在这种情况下,该术语描述了时间依赖的模式如何在显然是随机的无序状态的情况下,但实际上是通过明确定义的实际法律来依赖于其起始条件的定义。如果秘密信息被编码到混沌波形上,则任何接收方,该接收方将能够破译它的信息。另一方面,试图拦截消息的窃听器将留下没有办法解除包含它所含的信息。

vit-mar / shutterstock.com

困难与波动
尽管无线光通信有许多优点,但在成为安全的全球通信网络的主要设备之前,它仍然面临着一系列的挑战。与光纤电缆不变的环境不同,无线光通信需要光波穿过地球大气的湍流环境,给信号带来高度不可预测的波动。尽管无线电波并非如此,但这些信号使用的波长要长得多,使得它们几乎不受大气扭曲的影响。

在无线光通信传输中,如果没有正确的预防措施,通信双方已知的任何混沌模式都将在信号到达目的地之前被扭曲,无法识别。因为只有一种高度特定的模式可以用来破译这些消息,所以它们所包含的信息将保持不可读。然而,幸运的是,大气畸变的影响并非对所有光波都适用。

由于其快速,经济高效的部署,基于FSO量子级联激光器已经成为一种日益流行的技术。

“基于混乱的通信最初是在电子电路中提出和演示的,然后扩展到光纤系统,”Grillot博士解释道。“然而,其对FSO的应用基本上受到大气现象的限制,如湍流,雾和散射。因此,操作波长是必须明智地选择的重要参数,以减少环境参数的影响。“为了实现与FSO的大规模网络,研究团队现在旨在开发能够生产能够容易穿过大气的波长的技术;同时还可以实时产生混沌模式。

介绍量子级联激光器
在1994年首次演示,量子级联激光器(QCLs)是半导体激光器,在电磁光谱的中红外区域提供高度的可调性。由于较长的波长不容易受到大气失真的影响,QCLs产生的光在FSO应用中已经比光谱中可见部分的光学波长更可取。但中红外光尤其有利,因为地球的大气层在两个不同的“窗口”内是高度透明的:一个是3到5微米之间的中红外光(MIR)波长;另一种是波长在8.5到11微米之间的长波红外(LWIR)。

格里洛特博士解释说:“QCLs发射的MIR和LWIR光学区域是自由空间通信的主要兴趣所在。”“事实上,众所周知,在传播路径上的湍流会显著恶化光信号。但不仅是两个透明窗口的吸收较低;这些激光器发射的更高波长的信号失真也更低。”

a)种子电信号实验眼图(底部时间迹)和传输后提取信号实验眼图(顶部时间迹)。数据速率为400mbits /s。
(b)用作用于自由空间的安全通信的基于混沌传输设置的示意图。

一段时间以来,qcl一直在展示令人印象深刻的能力。早在2001年,就有一种设备被用来在几百米的距离上以300兆赫兹的频率传输信息;在9.3微米的长波红外波长。然而,这一壮举需要量子级联激光器冷却,以最小化任何失真。自最初的试验以来,这项技术已经取得了显著的进步。

“最近,研究已显示了类似的QCL传输的相关性,但是在室温下,和4.65微米的波长,” Grillot医生继续。“该方法的通用性,与量子级联激光器用于高速调制高达几十GHz的电势相结合,表明这些激光器有望成为非常高速的自由空间数据传输的基石。”这些功能基本上除去像光纤和严格的规定电波笨重的基础设施的需要;相反,它们打开整个气氛,和一个宽的频率范围,为了安全通信。

在mir中观察混乱
在2016年的一项研究中,Grillot博士和他的同事通过对MIR范围内的混沌光的首次观察,明确地展示了如何使用QCLs进行这种传输。他们通过“光反馈”技术实现了这一目标。“光反馈”技术是将激光器发出的一小部分光重新注入激光器。通常,这种技术用于产生高度稳定的激光束,随着时间的推移几乎没有明显的变化。然而,在这种情况下,重新注入的光的比例足以使QCL陷入混乱状态。

这种转变通过改变在混沌中的光的性质发生顺序。一旦这个序列已经发挥出来,Grillot博士的研究小组发现,他们的QCL在完全不可预测的时间间隔发射激光脉冲,使他们能够在数学上证明,混乱已经达到。他们的发现是在光子学作为一个整体领域的显著的突破,并为Grillot博士,它使对空间安全通信的一个重要步骤。

他们的结果代表了在安全、高性能的使用量子级联激光非线性光子学的FSO方面的重要进展,该技术有一天可能会被广泛使用,并在更大的范围内运行。

同步的混沌
为了实现无线光通信,qcl还可以确保在穿越大气层时能够保持隐藏私人信息的混沌模式。但除此之外,发射设备首先必须能够产生这种混乱;当接收激光接收到信号时,它必须能够产生一个同步模式来解码信息。因此,可以通过在驱动QCL和响应QCL之间注入激光来实现同步混沌。

“在较低频率率,量子级联激光器是用于能够通过混沌同步来获得安全通信至关重要,” Grillot博士描述。“从QCL产生混沌光载波的最简单方法是在一定时间延迟之后其发射的光返回到所述装置的进料部分,超过该驱动器和响应激光之间混沌同步发生。”在接收端,这原本被添加到消息中的混沌信号然后可确定;最后减去,留下一个清晰的信号。

(A)实验装置与用于经由反射镜光学反馈的外部腔体;(b)该量子级联激光器的图片;(c)中的混沌波形在量子级联激光器的输出;量子级联激光器结构的(d)示意图。

In their latest research, Drs Grillot and Spitz have explored how this technique could be improved even further through the technique of ‘optical injection.’ Here, the transmission laser is driven by an external QCL beam, instead of being fed back its own light – which significantly increases the range of possible frequencies its messages can contain. Through their experiments, the team have used this approach to demonstrate transmission speeds ten times faster than those possible with optical feedback alone.

实现大型网络
从他们的研究中收集的洞察力,Drs Grillot和Spitz现在正在探索一系列扩大的应用程序 - 包括QCLS,其中QCLS尖刺信号模仿大脑中神经元的反应。总体而言,它们的结果代表了安全,高性能FSO的重要进展,这可能有一天可以广泛访问,并且在广泛的范围内运营。如果实现,这项技术将为跨越全球的不可用通信网络铺平道路,甚至可能在太空中运行。这种属性在技术景观中是非常可取的,在技术景观中,沟通方变得越来越关注他们的隐私。

作为Grillot博士总结说:“一些应用设想包括,但不限于,校园规模网络;置换为灾害,如地震或攻击后光纤网络;和专用通信“。该研究小组现在将努力进一步提高技术的能力,使这些网络又近了一步,以现实的广泛部署工作。

个人反应

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在MIR/LWIR中永久使用量子级联激光源或在自由空间光通信中使用混沌私有传输将有助于高速长途数据传输,并为传输数据实现可靠的隐私级别。该方法的主要优点是对外部大气扰动的高抗性,物理层加密与高比特率兼容,以及紧凑和室温封装的眼睛安全光源。总而言之,这为不断增长的电信市场开启了一个广阔而未知的光学领域的能力。

这篇专题文章与研究团队特色的批准创建。这是一个协作的生产,通过这些功能来帮助免费,全球分销的支持。

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