（光学专业论文）基于半导体激光器的混沌特性和同步原理及其在保密通信中应用.pdf

西南师范大学研究生学位论文原创性声明 秉承我校勤奋、严谨学风，本人申明所呈交的论文是在导师指导下进 乎亍研究工传所取得的成果，除了文中特别加以标注和皴谢的地方外，论文 中不包含其他人巴经发表或撰写过的研究箴果，也不包含在我校或其他教 育机构获得学位论文上的材料，与我共同工作的同事对本研究所做的任何 贡献鸷范在论文中俸了臻确秘说明并表示了落意。 该申请学位论文与资料如有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文律者签名：鳞盅基! l 瑟囊：童世：7 l l 。 西南师范大学研究生学位论文版权协议书 本人完奎了解溪齑努范大学有关保护知识产权之裁定，翠：研究生在 攻读学位期间所完成的论文的知识产权人单位为西南师范大学。本人保证 毕业离蛟菇，发表攻读学位期阏所完成的论文或使月这些论文中的愿创性 技术成粜时，署名单位为西南师范大学，箴在晴显位鬣标赡，该成果是作 者在西南师范大学攻读学位期间完成的。学校有权保留并向国家有关部门 或杌梅邋突论文酶笺零件和磁盘，允许论文被查藤和畿鬻。学校可淡公布 学位论文的全部或部分内容( 保密内容除外) ，可以跟用影印、缩印或其 健手彀保存论文。 论文作者签名：缕垒型蝴 指导教魉签名：篡至磊! 日 期趔至：兰：l ： 基于半导体激光器的混沌特性和同步原理 及其在保密通信中应用 学科专业：光学 指导教师：吴正茂 研究方向：激光与光纤通信 作者：钟东洲( 2 0 0 2 3 7 5 ) 中文摘要 混沌信号具有隐蔽性、不可预测性、高复杂度和易于实现等特性，随着混 沌同步的实现，利用混沌信号作为载波进行保密通信越来越受到广泛的关注。而 作为光通信系统中最理想光源的半导体激光器，由于通过反馈或外部注入可以产 生较大混沌载波带宽( 几个g h z ) 和高维混沌( 具有多个正的l y a p u n o v 指数) ， 从而成为目前的研究热点。基于此，本文将对基于半导体激光器的混沌特性和同 步原理及其在同步保密通信应用进行研究。 反馈型或外部注入型半导体激光器的非线性动力学行为对系统参数( 如反馈 或注入系数，偏置电流、非线性增益系数等) 非常敏感。在本文中，着重研究了 非线性增益对外部注入半导体激光器动态行为的影响。数值模拟结果表明：非线 性增益系数极大地影响外部注入半导体激光器的动力学行为。随着非线性增益系 数的增加，激光器达到锁定时的注入系数将减小，能产生混沌的注入系数的范围 将缩小，当非线性增益系数过大时，外部注入激光器将表现为稳定：另外，非线 性增益还将影响外部注入半导体激光器混沌同步系统的性能。非线性增益系数越 大，参数失配引起的混沌同步误差越小。 在混沌保密通信中，如何提高混沌同步品质成为混沌保密通信中最为关键的 技术之一。基于此，本文对开环双向耦合注入半导体激光器混沌同步系统的同步 性能、以及在附加混沌( a c ) 调制下系统的工作特性进行了研究。研究结果表 明：当发射激光器( t l d ) 和接收激光器( r l d ) 的参数完全匹配时，。该系统 能实现完全同步；而当t - l d 与r - l d 存在参数失配时，同步误差对参数失配很 敏感；采用附加混沌( a c ) 调制时，信号可加宽混沌载波带宽，扩大混沌区， 而且由信号所引起的同步误差很小，即使不采用滤波器，信号也能很好的恢复。 在混沌保密通信系统中，系统的混沌维数越高，信号保密性越高。而相位共 轭光反馈半导体激光器具有多个正的l y a p u n o v 指数，即能产生高维混沌，比其 它类型的半导体激光器系统具有更为丰富的动力学行为。我们基于p c 同步原理 设计出相位共轭光反馈混沌保密通信系统，并对系统的同步特性及其在保密通信 中的应用进行了详细研究，研究结果表明：在激光器的反馈系数较小时，由发射 系统和接收系统构成延时误差系统的最大l y a p u n o v 指数为负，两系统能获得稳 定同步，反之，最大l y a p u n o v 指数为正，两系统同步恶化。此外，随着偏置电 流的增加，两系统获得稳定同步时激光器反馈系数取值范围增大；在发射系统和 接收系统的参数不匹配时，系统同步稳键性对参数失配很敏感；不使用滤波器时， 系统能很好的恢复较高比特率和较大幅度的加密信号。 关键词：半导体激光器，混沌，混沌同步，保密通信，同步误差，参数失配 c h a o t i cc h a r a c t e r i s t i ca n ds y n c h r o n i z a t i o np r i n c i p l eb a s e do n s e m i c o n d u c t o rl a s e r sa n di t sa p p l i c a t i o n t os e c u r ec o m m u n i c a t i o n m a j o r ：吣 封融晌：t a s e r s & o p l i c c o m m u n i c a f o n a b s t r a c t w i t ht h ea c h i e v e m e n to ft h ec h a o ss y n c h r o n i z a t i o n , t h ei t l o r ea n dm o r e a t t e n t i o n sa r ep a i dt ot h ec r y p t o g r a p h i cc o m m u n i c a t i o n ，i nw h i c ht h ec a r r i e ri sc h a o t i c s i g n a lw i t hg o o dc r y p t i cf u n e d o n ，u n p r e d i c t a b i l i t y , h i 醢c o m p l e x i t y s e m i c o n d u c t o r l a s e r ( s l ) ，a st h eb e s to p t i c a lr e s o u l = c ei nt h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n , w h i c hc a l l g e n e r a t el a r g eb a n d - w i d t h ( a b o u ts e v e r a lo i l ) a n dh y p e r - d i m c n s i o nc h a o ss i g n a l ( w i t hs o m ep o s i t i v el y a p u n o ve x p o n e n t s ) 妇o u g hf e e d b a c ka n di n j e c t i o n ，h a sb e e n e n t h u s i a s t i c a l l ys t u d i e d 。i nt h i sp a p e r , t h ec h a o t i cc h a r a c t e r i s t i ca n ds y n c h r o n i z e d p r i n c i p l eb a s e do ns la n di t sa p p l i c a t i o nt os e c u r ec o m m u n i c a t i o nh a v e b e e n i n v e s t i g a t e d 。 t h en o n l i n e a rd y n a m i co f s lw i t hf e e d b a c ko ro p t i c a li n j e c t i o ni sv e r ys e n s i t i v e t ot h ep a r a m e t e r so fs y s t e m ，s u c ha sf e e d b a c ko ri n j e c t i o nc o e f f i c i e n t ，t h eb i a s e d c u r r e n t , t h en o n l i n e a rg a i nc o e f f i c i e n te ta 1 i nt h i sp a p e r , t h ei n f l u e n c eo fn o n l i n e a r g a i no nt h ec h a o sc h a r a c t e r i s t i co f e x t e r n a li n j e c t i o ns lh a sb e e ni n v e s t i g a t e di nd e t a i l t h er e s u l t ss h o wt h a tn o n l i n e a rg a i nc o e f f i c i e n tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h e d y n a m i cb e h a v i o ro fe x t e r n a li n j e c t i o ns l 。w i t ht h ei n c r e a s eo ft h en o n l i n e a rg a i n 3 c o e f f i c i e n t , t h ei n j e c t i o nc o e f f i c i e n tw h i c hm a k e st h el a s e rr e a l i z ei n j e c t i o n - l o c k e d w i l ld e c r e a s e , t h er a n g eo f t h ei n j e c t i o nc o e f f i c i e n ti nw h i c ht h ec h a o t i co u t p u tc a r lb e o b t a i n e dw i l td e c r e a s e ，e v e nd i s a p p e a ri fi ti sl a r g ee n o u g h a d d i t i o n a l l y , t h e n o n l i n e a rg a i nc o e f f i c i e n ta l s oa f f e c t st h es y n c h r o n i z e dc h a r a c t e r i s t i co ft h ee x t e r n a l i n j e c t i o ns ls y s t e m t h el a r g e rt h en o n l i n e a rg a i nc o e f f i c i e n ti s ，t h es m a l l e rt h e s y n c h r o n i z a t i o ne r r o rc a u s e db yp a r a m e t e rm i s m a t c hi s h o wt o i m p r o v et h ec h a o t i cs y n c h r o n i z e dq u a l i t yi st h em o s ti m p o r t a n ti n c h a o t i cs e c a r ec o m m u n i c a t i o n t h e r e f o r e , i nt h i sp a p e r , f o rt h eo p e n e d l o o pa n d m u t u a l l yc o u p l e dc h a o t i ci n j e c t e d s ls y s t e m ，t h es y n c h r o n i z e dc h a r a c t e r i s t i ca n dt h e o u t p u tc h a r a c t e r i s t i cu n d e ra d d i t i v ec h a o s ( a c ) m o d u l a t i o nh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d 。 t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e m a c h i e v ec o m p l e t es y n c h r o n i z a t i o nw h e nt h e p a r a m e t e r so f t h et r a n s m i t t e dl a s e r ( t - l d ) m a t c ht h a to f t h er e c e i v e dl a s e r ( r - l d ) 。i f t h i sc o n d i t i o nc a n n o tb es a t i s f i e d ，t h ep a r a m e t e rm i s m a t c hb e t w e e nt r a n s m i t t e ra n d r e c e i v e rw i l la f f e c tt h es y n c h r o n i z a t i o ne l t o la d o p t i n ga cm o d u l a t i o n ，t h es i g n a lc a l l e n h a n c et h eb a n d w i d t ho fc a r r i e rw a v ea n dt h er a n g eo ft h ec h a o s ，m o r e o v e rt h e s y n c h r o n i z a t i o ne r r o rr e s u l t e db ys i g n a li ss os m a l lt h a ts i g n a lc a nb ee a s i l yr e c o v e r e d e v e n 、 t l l o u taf i i t e i nt h ec h a o t i cs e c n r ec o m m u n i c a t i o n ，t h eh i g h e rt h ec h a o sd i m e n s i o ni s ，t h em o r e s e c r e tt h em e s s a g et r a n s m i s s i o ni s t h es lw i t hp h a s e - c o n j u g a t eo p t i c a lf e e d b a c k ， w h i c hh a ss o m ep o s i t i v el y a p u n o ve x p o n e n t sa n dc a l lp r o d u c eh i g h e rd i m e n s i o n c h a o s ，h a st h ea d v a n t a g eo v e ro t h e r s 。b a s e do np cs y n c h r o n i z e dt h e o r y , t h e c r y p t o s y s t e mo ft h es lw i t hp h a s e c o n j u g a t ef e e d b a c kh a sb e e np r e s e n t e di nt h i s p a p e r m o r e o v e r , t h ec h a o t i cs y n c h r o n i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n di t sa p p l i c a t i o na r e i n v e s t i g a t e dn u m e r i c a l l y t h er e s u l t si n d i c a t et h a t , w h e nt h ef e e d b a c kc o e f f i c i e n ti s s m a l l ，t h el a r g e s tl y a p u n o ve x p o n e n to ft h er e t a r de r r o rs y s t e m ，w h i c hi sc o n s t i t u t e d b yt h et r a n s m i t t e da n dr e c e i v e ds y s t e m ，i sn e g a t i v e ，a n dt h es t a b l es y n c h r o n i z a t i o n c a nb ea c h i e v e d o nt h ec o n t r a r y , t h el a r g e s tl y a p u n o ve x p o n e n ti sp o s i t i v ea n dt h e q u a l i t yo ft h es y n c h r o n i z a t i o nw o r s e n s b e s i d e s ，w i t ht h ei n c r e a s eo ft h eb i a s e d c u r r e n t ，t h er a n g eo ff e e d b a c kc o e f f i c i e n tw h i c hm a k e st h es y s t e mw e l ls y n c h r o n i z e w i l li n c r e a s e t h er o b u s t n e s so ft h es y n c h r o n i z a t i o ni ss e n s i b l et ot h ei n t e r n a l d p a r a m e t e rm i s m a t c hb e t w e e nt h et r a n s m i t t e ra n dt h er e c e i v e r m o r e o v e r , t h ee n c o d i n g m e s s a g ew i t hh i 啦b i tr a t ea n dl a r g ea m p l i t u d ec a nb er e c o v e r e de a s i l yw i t h o u ta f i l t e r k e y w o r d s ： s e m i c o n d u c t o r l a s e r s ， c h a o s ，c h a o s s y n c h r o n i z a t i o n ， s e c u r e c o m m u n i c a t i o n ，s y n c h r o n i z e de r r o r , p a r a m e t e r sm i s m a t c h 1 1 引裔 第一章绪论 随着计算机技术、信息技术和通倍技术的迅猛发展，特别是有关信息基础 结构的概念和建设训。划的提出，以计算机为核心的庞大信息阚正在全世界范围内 逐渐形成。2 1 世纪，人类迈进一个信息时代，未来将是网络社会、网络经济和 网络信息时代，信息已成为当今社会的一种羹要的财富。显然，信息保密越来禳 多地鼹到人们的重视。然而，随着现代计算机技术的发展，它为破译加密系统擒 供了强有力的工具。近来，利用计算机来窃取经济或军攀情报等犯罪活魂不断发 生，在这稀情况下，寻我一个新静途径，采弼薪韵保密运信方法来确保弼终遥信 的安全径，己遮在嚣瘫。 # 线性瑗象广泛存在于瑰实数器中，在一定熬条馋下、菲线蛙将等致湿沌。 幽于波部戆枧特牲，混沌信号的菲周牲连续爨带频谱，类似噪声豹特性，使它具 眷天然的隐蔽性。另外，泥沌信号对初始条件的麓度敏感( 以正的l y a p u n o v 指 数为特征) ，即使是两个完全棚同的混沌系统从几乎完全相同的初始条件开始演 化，它们的轨道将很快变得互不相关，这使得混沌信号具有长期不可预测性和抗 截获能力。而且具有多个正的l y a p u n o v 指数的超混沌系统，有蓿更为复杂的运 动轨迹，这使得混沌信号具有很高的复杂度，同时混沌系统本身又是确定性的， 信号翁于产生和复制。混淹信学的隐蔽雠，不可预溯往、高复杂度和赫子实现等 特佳都特稍适嗣于僳密通信拉“。 滋淹瘸子保密逶信懿怒法，最裙是囊t a n g 等入在磷究了镁穗电路戆混涟同 步之瓣提凑来戆。8 0 年我，e n d o 和c h u a 提戡了蘩氏宅鼹 5 】，磅究了镂据电路的 泼涟嬲步效应。如年鼗以来，提出了“o g y ”泼沌控制方法以及p e c o r a 耙c a r r o l l 的“驱动响应”混沌同步方法，渥沌控制方法鞠混沌同步理论得到统一【_ 。”j 溅沌理论得以迅速的发展，混沌研究和应用特别是混沌在保密通信的潜在应用成 为人们的研究热点，首先，电路混沌系统在保密通信应用在理论和实验上得到论 证i ”。然而，典型的电路混沌系统产嫩混沌载波带宽不到1 0 0 k h z ，此外电路 混沌系统产生混沌信号是低维的，利用重构混沌载波的混沌吸引子，信号很容易 6 被截获，对于光学濑沌系统，方瑟可戳产生较大带宽静混淹载波( 一觳淹足令 g h z ) ，另一方褥免浚淹系统爵班产生裔维瀛涟载波，增热了系统豹傺密技”6 t 。 又由予半导体激必嚣体积小，蓬量轻，份格便宜，使用寿命长，共有纛接调制裁 力和缀嘉党毫转换效率，所以半导体激光嚣在毫速光通信蓉统中是最理想的光 源，因此半导体激光器混沌特性研究和在保密通信潜在应用引起人们极大的兴 趣。据我所知，国外许多学者对此进行了广泛的研究 1 7 - 2 8 1 ，然而国内对此研究甚 少，基于此，本文对半导体激光器混沌特性以及在保密通信中的腹用的物理机制 作进步深入洞察。 2 滢涟概逮 1 2 1 混沌定义 出予湿沌系统鹣毒雾性弱复杂性至今尚米被人们锄底了解，因此至今没有 一个绫一黝定义，面l i y o r k e 定义影响最大的混沌数学定义，该定义描述如下： l i y o r k e 定理：设f ( x ) 是kb l a ：灼连续自映射，若( 曲有3 周期点，则 对任秘正蘩数辩，( 并) 有抒周翅煮。 混淹定义( l i y o r k e ) ：设连续豹裔浃菇：i 峥i c r ，i 怒r 兹一个子窒 黼，如果存在不胃数豹集合sci ，灌怒下歹g 条传： ( 1 ) 、s 不包含愿糕点。 ( 2 ) 、 壬绘一，x 2 s ，缸l ) ，令，。( ) = ，( ，( 苁+ 势) 表示t 重遴数关系。 有! 囊s u p | ，( x ) 一f 。i o ；j 受i n q ，( 并) 一，静1 = 。 ( 3 ) 任给五s n f n l g t 点p e ，有j 骢s 彬一f f o 则称，在s 上是混沌。 此定义中，前两个极限说明子集的点x ，x ：s 相当分散又相肖集中；第三个极限 说明予集不会趋于任何周期点。该定义准确该画了混沌运动的几个重瑟特征： ( 1 ) 存在可数无穷多个稳定的周期轨道； ( 2 ) 存在不可数无穷多个稳定的非周期轨道； ( 3 ) 至少存一个不稳定的非腧期轨道。 7 巍实际应用巾，如果系绞具箨朗值敏感性、有界挫，q # 周期性，就可以认为 它是漫沌。 l 。2 2 对予确定的瀹沌系统中常见几种研究滟沌的方法 t 壹按溪察法 遮种方法是根搬动力学系统瓣数值运绪浆，萄崮捅空闷中褶辘迹涟对闻鼢交 亿謦，黻敷状态变赞随时闫的掰糕图，邂过对比，分柝和综会确定解妁分岔秘湿 # 瑷蒙。 2 鞭域分拆法 这种方法也楚撤搦动力学系统的数值运结巢，把状态变量随f 于闻的掰程图转 为频域黎，透过鼹察凝落鬟中波蜂努蠢缀稳寒确定动力学系统瓣棼线瞧动态程 为。 3 庞擞浆( p o i n c a r e ) 裁惩法 辩予食毒多令状态变量鼹爨滚镞努方程累拣，爵采臻庞热菜截覆法行分辑。 其基零鼹鼹是在多绒捆空间 ；，d x l a t ，x ：，d x 2 a t ，艺，斑d t ) 中适当选取一截 强，在戴截匿上荣一对共辗变鬃翔瞒，d x , a t ) 取器定蕊，称戴截悉为庞搬菜 ( p o i n c a r e ) 截嚣。 单交量的周期运动在相平瑟静鞔迹是封闭鏊线。二变量的周期在2x2 维棚 空闯豹辘迹楚二维环瑟。依次类推，变焦黪周期奁n x n 维相空闯的轨迹是 维韩题，因此，如果不考虑系统初娥暂态过程，只考虑庞加募截面上的稳态图像， 则当庞加莱截面上只有一个不动点或少数离散点时，运动是周期，当庞加莱截面 上是闭曲线时，运动是准周期的，当庞加莱截面上楚密集点，置有层次结椅时， 运动便楚港沌的。 4l y a p u n o v 指数分析法 l y a p u n o v 携数是混沌的定量表诬和判断依据之一，在耗散和系统中，状态 变量不能趋于无穷，对非线性系统，在给定的状态附近实现线往化，所得的 j a c b i a n 矩阵依赖于所给定的线髓化点。该矩阵的特征值决定了相领两个点之间 的伸长和压缩，箕速率在褶空闯中备煮可能不同，只有对运动鞔遴各煮彳率长和压 缩的速率作力长期平均，才能反歌动力系统豹j # 线性动力行为长期演变，这就是 8 l y a p t m o v 指数的基本概念。 考虑糟维的非线性动力学系统： 叠= 歹i ( x ，善r ” ( 1 1 ) 维状态变量x 构戒了个疗维楣空间，非线性变换f ：r “- - 4 - r ” 上式的解在相空间成形一个轨道z ( ，) ，若在初始值x ( o ) 有偏差w ( o ) ，则由 x ( o ) + 以o ) 出发形成了另一条轨道如下圈 缸+ w ( 0 ) 雄) 十呻) 图1 1 澎沌轨道的指数分离 必了分掇w ( t ) 薅辩闻f 魏交诧糕律，设w ( o 簦i 个分量程第 露该静猿差 为 w ( ，) ，i = 1 , 2 ，疗 所构成的空间称为切空间，则偏茇的增长率满足线性微分方 程讯= j w j ，i 1 , 2 - ，n ，式中，是( 1 1 ) 式中的j a c b i a n 矩阵。 程切空间上，若袒始时刻的长度为6 以o ) 肛f 对该的长度为8 呻) f | ，由于对 秘始条传夔敏燎牲，使j a c b i a n 矩阵豹特征值给出了某旗定时刻其长度在该特鬣 方向上的指数变化率，, 设l l w ( o l l = e l t 1 1 似o ) 1 1 ，则可得订维l y a p u n o v 指数( 朋 ) ： 哟删 ( 1 2 ) 夜撑维的切空间，若w ( t ) 在每个基底上稳分量，由于埘是针对系统的运 动轨道两言的，所的留空瓣的每一个分爱都有一个l e ，英孛最大筋l e 称为最丈 l e ( m l e ) ，当m l e o 时，动力系统处于混沌状态，m l e 0 为时间滞后完全 同步，a r = f ，一f ，系统为 产生蛹一种混沌同步，即响应驱动混沌同步i s ( t ) = k o g c ) 1 2 。4 拳导髂涅淹僚密逶绩系绕孛常弱熬混滤麴密方法【“ ( a ) 外部光注入 ( 象光延对反馈 f c ) 光电延对反馈 网2 7 半导体激光器混沌保密通信系统以及不周系统中的心种加密方法。 c s k + 强淹键羧( c h a o ss h i f t 蝴毽) 。c m s ，混逮戆藏( c h a o sm 矗s 辍n g ) 。a c m ， 附加混沌调锖g ( a d d i t i v ec h a o sm o d u l a t i o n ) 。m c m ，混沌模调镶l j ( m u l t i p l i c a t i v e c h a o sm o d u l a t i o n ) 。t l d , 发射激光器( t r a n s m i t t e rl a s e rd i o d e ) 。r l d ，接收激 炎器( r e c e i v e r l a s e r d i o d e ) 。p d ，巍电捡溺篓( p h o t o - d e t e c t o r ) 。a m ，薮丈爨( a m p l i f i e r ) 。 3 l 凝半导体激光器混沌保密道信中，最重骤豹加密方法宵混沌键控( c s k ) 、 混淹调籍、覆淹黪藏( c m s ) ，掰混淹调制又氆菇混淹模调潮( m c m ) 蠲斑加混 沌( a c ) 调制。下戚主要讨论这几种加密方法的特点。 对子c s k 方法，是用二迸铡信号调制到发射系统豹偏嚣电流上，使发射系统 激光输港对应予“1 ”和“0 ”酶不褥混淹啜霉 子轨迹，在接收菊，耀两个激光器 来分别复制1和“0 ”的混沌吸引子轨迹，信号恢复通澄注入到接收系统激光 器的发射系统混沌藏波信号犀步躐去接收系绞激汔器输出滁i 电信号来实域，由于 信号燕细载饕发射激先器的稿登电流上酶，嚣褥发射系统的溜淹状态会隧簧信号 改变而改变。系统不能实现很好的同步，再者，信号比特率受同步时间的限制， 高速傣号保密通信程该方法无法炙现。 对予c m s 方法，用，j 、辐度的信号直接船掰发射系统输滋的漉淹载波或矮小 幅度信号调制到发射系统的偏簧电流上，并一起注入到接收系统激光器中，信号 恢复与c s k 方法捐璃，这黏方法较为简单，德由于丈部分溉沌载波用慕隐藏信 号，更祷小部分用来传输信号，闵缱该方法信学传输效率较低，另一方藤，注入 到接收系统的注入信号包括由混沌振幅和相位构成混沌载波和由信号振幅和相 位构成翔密信号，这薄部分相互独立，对于辐位不力零豹痿号，其相位会破坏两 系统的相位匹配，腻褥弓 起两系统同步品质酶低， 采用m c m 方法，发射系统输出的混沌载波相位和信号一起调制到混沌载波 疆度上，然后注入接投系统孛，所以镶利在混滤载波信号翔挝不会破坏发射系统 和接收系统之间的相位匹配1 2 霹，德籽c m s 方法样，加密信号只注入刭绥收系 统中，这样破坏了发射系统和接收系统的一致性，随着加密信号调制幅度和频率 增搬会辱| 起嚣系统麓步稳定性进一步恶化。 采掰a c 调制方法，该方法肖剐于m c m 帮c m s ，一方筒由于信号加密到 混沌载波后，不仅要注入到发射激光器，还要注入到接收激光器，这样，信号会 瑗坏系绞鹃怼豫性，舅一方恧售号参与致变发射激光器懿滠涟动力学行梵，增麴 了系统的保密性。 参考文献 【l 】k o t s u k aa n dh a w a g u v h i ，“p e r i o d d o u b l i n gb i f u r c a t i o n si nd e t u n el a s e r s 州t l l i n j e c t e ds i g n a l s ：p h y s 船砭a ，v o l 。2 9 ，p p ：2 9 5 3 - 2 9 5 6 。1 9 8 4 。 【2 】j 。t r o g e r , ea + n i c a t i ，l t h e v e n a z , a n dpa r o b e r t ， n o v e lm e a s u r e m e n t s c h e m ef o ri n j e c t i o n - l o c k i n ge x p e r i m e n t s ：1 e e ejq u a n t u me l e c t r o nv 0 1 3 5 ，n o 1 ， p p ：3 2 * 3 8 ，1 9 9 9 【3 】a r i t t e r , h 。h a n g ，“t h e o r yo fl a s e rd i o d e s 谢t l lw e a ko p t i c a lf e e d b a c k 珏 l i m i t - c y c l eb e h a v i o r , q u a s i - p e r i o d i c i t yf r e q u e n c yj o c k i n g ，a n dr o u t et oc h a o s ”+ j o p t s o c 。a m + b ，v o l 。1 0 ，n o 1 ，p p ：1 4 5 - 1 5 4 ，1 9 9 3 f 4 】搿晓瞒、张楚俊，韩亚农，“相位共辘反馈半导体激光嚣混淹动力擘”， 量 子电子学报，v 0 1 1 5 ，n o 3 ，p p ：2 5 3 2 5 7 ，1 9 9 8 筘】g 。p a g r a w a la n dg r 。g r a y , e f f e c to fp h a s e - e o n j u g a t ef e e d b a c ko nt h en o i s e c h a r a c t e r i s t i co f s e m i c o n d u c t o rl a s e r s ”，p h y s r e v a ，v 0 1 4 6 ，1 1 0 9 ，p p ：5 8 9 0 5 8 9 8 。 6 】s t a n ga n dj m l i u ，“c h a o t i cp u l s i n ga n dq u a s i p e r i o d i cr o u t et oc h a o si na s e m i c o n d u c t o rl a s e r 诚也d e l a y e do p t - e l e c t r o n i cf e e d b a c k 5 ，i e e ed q u a n t u m ，v 0 1 3 7 ，n o 3 ，2 0 0 i 7 】i vk o r y u l a na n dem a n d e l ，“t w or e g i m e so f s y n c h r o n i z a t i o ni nu n i d i r e c t i o n a l l y c o u p l e ds e m i c o n d u c t o r | a s e r s ，p h y s , r e v 置v 0 1 6 5 ，p p ：0 1 2 6 2 0 11 - 0 2 6 0 1 5 ，2 0 0 2 。 【8 】a l o e q u e t , c m a s o l l e r , pm e g r e t , a n dm b l o n d e l ， c o m p a r i s o no f t w ot y p e so f s y n c h r o n i z a t i o no fe x t e m a l c a v i t ys e m i c o n d u c t o rl a s e r s ”，o p t l e t t , v 0 1 2 7 ，n o 1 ， p p ：3 1 - 3 3 ，2 0 0 2 f 9 】a 。l o c q u e t ，c m a s o l l e r , a n dc r m i m s s o ，“s y n c h r o n i z a t i o nr e g i m e so f o p t i c a l f e e d b a c k - i n d u c e dc h a o si nu n i d i r e c t i o n a l l yc o u p l e ds e m i c o n d u c t o rl a s e r s ”， p h y s r e v , 墨v o l 。6 5 ，p p ：0 5 6 2 0 5 l 9 5 6 2 0 5 l i 0 ，2 0 0 2 。 f l o 】yl i u ，h ec h e n ，j m l i upd a v i s ，m a dt a i d a , “c o m m u n i c a t i o nu s i n g s y n c h r o n i z a t i o no fo p t i c a l f e e d b a c k - i n d u c e dc h a o si ns e m i c o n d u c t o rl a s e r s ”， i e e e t r m l s c i r c u i t s 姆s i l ，v o l 。4 8 ，n o 1 2 ，p p ：1 4 8 4 1 4 9 0 。2 0 0 1 【l l 】j m l 诚h ec h e n ，a n ds t a n g ，“s y n c h r o n i z a t i o nc h a o t i cc o m m u n i c m i o n sa t h i 曲b i t r a t e s ”，i e e e d q u a n t u m ，v 0 1 3 8 ，1 1 0 ，9 ，p p ：1 1 8 4 1 1 9 5 ，2 0 0 2 第三章菲线饿增益对外帮注入半导体激光器混淹王终特性憋影礁 3 1 引言 频谱烧琵效疲鞠载流予燕效成会写| 起菲线性蹭益或镶帮增益“。嚣线性增益 会影响激光器的动态行为，如影响激光器的调制响应、稳定性、频谱特性等吲， 这在纛接调制半导体激光器豹理论和实验研究中已褥到论诞【3 】。对于能产生光混 淹麓弱反馈舞腔半静体激毙器，m a s o l l e r t 4 j 等入的研究结暴袈骥，菲线健增益对其 动态彳亍为也有较大的影响。在本文中，我们将针对产生光濑沌的另一种常用方式 一外郝注入半导体激光器，详细分析嚣线性域麓对其混淹动力学行为的影嫡，共 研究了非线性增蠡对外部注入半浮俸激光器混淹同步系统斡同步误差的影响。该 研究绐果对外部注入半导体激光器在保密通信中的应用具裔定的指导感义。 3 。2 罐论攘登 懑露l 司争霸澎笔匿h 目 d 喜每熹：i 豉罗搿骠、 徵西；捌；簸潜鼯“_ _ 灏光隔离器 豳二匕部油发自螨统，- 高s 热帮= 负反馈豳瓣 收系统 圈3 。i 注入学鼯髂激光器系婉髑步图 图3 t 给出了外注入半导体激光器系统同步图，发射系统和接收系统出相同 的主激光器( m l d ) 、副激光器( s l d ) 组成，光隔离器是为了保证光单向传输， 务器捧郝囊善遥单模毙终连接虽接收系统有一负复镄。m l d 、s l d 豹激光炀分别 为e m j e x p - j ( 。棚】 e ( t ) e x p - j ( c o o t + 莎( 砖) ( e 蚵、联力分别为m l d 、s l d 的慢变场 振幅，c - d 0 、。为分别为无扰动时激光光场以及外部注入光场的频率) ，发射系 统款速率方程组蔻p - 6 j 。 警= 扣岫2 ) 一非+ 寺驴s ( 西) ( 3 1 ) 警= 抖g c 峭2 ，一斗一去驴 z ， 孕：，一盟一g ( m ，e ：) 局z ( 3 3 ) 式中下标，表示为发射系统，e 、庐、分别为激光场的慢变振幅、相位，n 为腔内 的载流子数密度，为偏置电流密度，p 为电子电荷，d 为有源层厚度，k 为注 入系数，r m 为光在激光腔内来回一周的时间，r 。为光子寿命，r 。为载流子寿 命，。( = 。甜o ) 是外部注入光频率和无扰动时激光光场频率之差，a 为线宽增 强因， 在最2 较小时，删；，酌可以表示如下形式4 】： g ( m ，历2 ) = g ( 一0 ) ( 1 一占巨2 ) ( 3 4 ) 式中6 r 为微分增益、 0 为透明载流子密度，s 为非线性增益或饱和增益系数。 3 3 结果与讨论 图3 2 分别取非线性增益系数为不同值时， 归一化的波峰峰值随注入系数k 变化的分岔图 数值分析时各参数取值如下：g , v = 8 4 x l o 。1 3 m 3 s ，a = 3 ，rc = 2 0 4 n s ，r p = 1 9 2 7 p s ，r m = 8 p s ，n o = 1 4 x 1 0 2 4 m 。，j = 1 2 & ，j t h ( = n , h r 0 为闽值偏置电流密度， g , h ( = n o + l ( g ur p ) ) 为阈值载流子密度，玩广3 1 0 1 0 m 加，。f 1 2 2 6 1 0 1 5 m d s ( 相皮的中心波长为1 , 5 3 7 u m ) ，甜= 2 1 0 9m d s 。 3 3 1 非线性增益对注入半导体激光器混沌的影响 图3 2 给出了非线性增益系数f 取不同的值时，对进行归一化的场振幅 峰蘧巍蜮照注入系数囊变毽貔分岔辫，献强孛我们露潋程察爨注入半导镩激光 器的动态响应：当f = 0 ( 见图3 , 2 ( a ) ) ，k 从0 开始邂渐增加，激光器将经历稳 定、瓒期、倍蠲麓、溅淹，再弼周麓、倍蹋麓、多蠲麓、潺淹，接着又经历多愆 期、倍周期、周期至锁定的过程；当p 淑5 x 1 0 m 3 时( 见图3 2 ( b ) ) ，七在o 0 5 o 1 范围内将不产生混沌( 这与c = o 辩不同) ，这范围内激光器将经历周期、倍周 期、多周期、傣周期、周期、锁定的嚣线性动力学过稷，面k 在o o 。0 4 范躺内 的激光器动态响应与e = o 时基本相同；当f 为3 5 x i 0 i m 3 ( 见图3 2 ( c ) ) 时， 激光嚣动悫羲疲基本为镁定( 枣取0 。0 1 2 1 嚣熬放镁定