（光学专业论文）基于光反馈vcsels双信道双向光混沌通信研究.pdf

西南大学硕士学位论文 摘要 基于光反馈v c s e l s 双信道双向光混沌通信研究 光学专业硕士研究生：杜立华 指导教师：夏光琼教授 摘要 垂直腔面发射激光器( v c s e l s ) 作为一种微型腔半导体激光器，与传统的边 发射半导体激光器( e e b ) 相比具有低阈值电流、单纵模工作、发散角小、易实 现二维集成、制作成本低等优点。近些年来，基于v c s e l s 的混沌保密通信逐渐成 为人们研究的热点。由于v c s e l s 的输出可能同时存在两个相互垂直的线性偏振 模式( x - 和y - l p 模式) ，使v c s e l s 实现双信道通信成为可能。目前大多的研究 都是基于v c s e l s 的单信道单向混沌同步系统，而关于双信道双向混沌系统的研究 却很少。 在本文中，提出了一种新型基于光反馈v c s e l s 的双信道双向混沌同步系统， 利用自旋反转模型( s 刚) ，对该系统进行了理论研究。通过数值仿真研究了两相 互耦合激光器中的静、y l p 模式和总的输出强度的混沌同步，同时讨论了参数失 配对同步质量的影响；最后利用混沌隐藏( c m s ) 和附加混沌调制( a c m ) 两种方 式在两激光器中的x 、y l p 模式上分别加入信号并对系统的通信性能进行了研究。 研究结果表明：在两激光器的参数完全匹配的情况下，它们输出的每一种线性偏 振模式和总的强度均能获得高质量而且稳定的零延时混沌同步；在参数失配的情 况下，激光器的混沌同步质量会随着失配程度的增大而降低，它们对内部参数的 失配可以保持一定程度的容忍性，但对于两激光器的频率失谐较为敏感。对于5 0 0 m b i t s s 信号，采用a c m 方案，在x 和y - l p 模式中均能很好的解调出信号，但是采 用c m s 方案却不能；另外，参数失配对系统的传输性能有一定的影响，但影响并 不严重。 关键词：垂直腔面发射激光器( v c s e l s ) ，混沌同步，线性偏振模式，双信道，双 向通信，参数失配 西南大学硕士学位论文 a b s 仃a c t i n v e s t i g a t i n g o i lt h eb i d i r e c t i o n a ld u a l - c h a n n e l c h a o ss y n c h r o n i z a t i o na n dc o m m u n i c a t i o nb a s e do n m u t u a l l yc o u p l e dv c s e l s w i t ho p t i c a lf e e d b a c k m a jo r ：o p t i c s a d v i s o r ：p r o f g u a n g q i o n gx i a a u t h o r ：l i h u ad u a b s t r a c t a s0 1 1 o ft h e m i c r o - c a v i t ys e m i c o n d u c t o rl a s e r s ，v e r t i c a l - c a v i t ys u r f a c e - e m i t t i n gl a s e r s ( v c s e l s ) e x h i b i tm a n ya d v a n t a g e s ，c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a le d g e - e m i t t i n gs e m i c o n d u c t o rl a s e r s ( e e l s ) ，s u c ha sl o wt h r e s h o l dc u r r e n t , i n t r i n s i c a i l ys i n g l e - l o n g i t u d i n a lm o d e ，c i r c u l a ro u t p u tb e a m w i t hi l a l t o wd i v e r g e n c e ，l a r g e - s c a l ei n t e g r a t i o ni n t ot w o - d i m e n s i o n a la r r a y sa n dl o wc o s t i nr e c e n t y e a r s ，c h a o ss y n c h r o n i z a t i o na n ds e c u i 屯c o m m u n i c a t i o nb a s e do nv c s e l sh a v ea t t r a c t e d c o n s i d e r a b l ei n t e r e s t s t h eo u t p u to fv c s e l sm a ye x i s t st w o o r t h o g o n a ll i n e a rp o l a r i z a t i o nm o d e s e - ，x a n dy - l pm o d e ) b e c a u s eo ft h ew e a km a t e r i a la n dc a v i t ya n i s o t r o p i e s ，w h i c hm a k ei tp o s s i b l e t or e a l i z ed u a l - c h a n n e lc o m m u n i c a t i o n a t p r e s e n t ，b a s e do nv c s e l s ，m a n yi n v e s t i g a t i o n sa r ef o c u s o ns i n g l e - c h a n n e la n du n i d i r e c t i o n a lc h a o ss y n c h r o n i z a t i o na n dc o m m u n i c a t i o n , b u ti n v e s t i g a t i o n s o nb i d i r e c t i o n a ld u a l - c h a n n e lc h a o ss y n c h r o n i z a t i o na n dc o n m m n c a t i o na l er a r c i nt h i sp a p e r , an o v e ld u a l - c h a n n e lc h a o ss e c u r i t yc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nm u t u a l l y c o u p l e d v c s e l sw i t h o p t i c a l f e e d b a c kh a sb e e np r o p o s e d , a n dc h a o s s y n c h r o n i z a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sf o re a c hl pm o d ea n dt h et o t a li n t e n s i f i e s ，t o g e t h e rw i t ht h ei n f l u e n c eo fm i s m a t c h e d p a r a m e t e r so nt h es y n c h r o n i z a t i o nq u a l i t y , a r ea n a l y z e db a s e do ns p i n - l l i pm o d e l ( s v m ) f i n a l l y , t h e c o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c e so fd u a l - e h a u n e lm e s s a g e se n c o d e di nt w ol pm o d e sh a v eb e e nb r i e f l y e x a m i n e du n d e rc h a o sm a s k i n g ( c m s ) a n da d d i t i v ec h a o sm o d u l a t i o n ( a c m ) e n c r y p t i o ns c h e m e t h er e s u l t ss h o wt h a t , w h e nt h ep a r a m e t e r so ft w ol a s e r sa r oi d e n t i c a l ，h i g hq u a l i t ya n ds t a b l e z e r o - d e l a yc h a o t i cs y n c h r o n i z a t i o nc a nb eo b t a i n e df o re a c hl pm o d ea sw e l la st h et o t a li n t e n s i t i e s t h es y n c h r o n i z a t i o nq u a l i t yw i l ld e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo ft h ep a r a m e t e r sm i s m a t c h i n gd e g r e e ， a n d k e e p ac e r t a i ne x t e n tt o l e r a n c et oi n t r i n s i c m i s m a t c h e dp a r a m e t e r s h o w e v e r , t h e s y n c h r o n i z a t i o nq u a l i t yi sv e r ys e n s i t i v et ot h ef r e q u e n c yd e t u n i n gb e t w e e nt h et w ov c s e l s f o r 5 0 0m b i t s sm e s s a g e s ，i tc a l lb ee x t r a c t e ds u c c e s s f u l l yu p o nx a n dy - l pm o d e sr e s p e c t i v e l yu n d e r a c ms c h e m e ，b u tc a n n o tb er e c o v e r e du n d e rc m ss c h e m e a d d i t i o n a l l y , t h ec o m m u n i c a t i o n p e r f o r m a n c ew i l lb ea f f e c t e db yt h em i s m a t c h e dp a r a m e t e r s ，b u tt h ee f f e c ti sn o ts e r i o u s h 西南大学硕士学位论文a b s t r a c t k e y w o r d s ：v e r t i c a l - c a v i t ys u r f a c e - e m i t t i n gl a s e r s ( v c s e l s ) ，c h a o ss y n c h r o n i z a t i o n , l i n e a r p o l a r i z a t i o nm o d c ，d u a l - c h a n n e l ，b i d i r e c t i o n a lc o m m u n i c a t i o n ，m i s m a t c h e dp a r a m e t e r s l l i 独创性声明 学位论文题目基王迸厦堡y 堡s 曼l 墨塑值道塑自当湿泣通信硒宜 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得西南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者：枉蕾彳 签字日期：加勿年箩月 d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：酥保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：枉五彳 签字日期：盈i o 年箩月0 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：一 通讯地址： 导师签名：致乞握 签字日期：口i9 年f 月p 日 电话： 邮编： 西南大学硕士学位论文第一章绪论 = i ii i 一i 一 - - -hi_ii i i i | 曼曼皇! 曼! 曼鼍曼曼舅 第一章绪论 1 1 垂直腔面发射激光器的发展历史 、垂直共振腔表面发射激光器( v c s e l ) ，简称垂直腔面发射型激光器，是光 纤通讯所采用的光源之一。虽然早在1 9 6 2 年就有人提出制造垂直腔二极管激光器 的建议，但直到二十世纪7 0 年代才由以日本东京工业大学的k e n i c h ii g a 教授为首 的研究小组首次提出制造垂直腔面发射激光- 器( v c s e l ) 的设想( 】。当时他们提出 为了实现低阈值电流，v c s e l 应该具有以下结构特点：( 1 ) 激光器的腔长要极短。 这样才能够获得比较稳定的容易实现单纵模工作的半导体激光器，达到提高光通 信能力的目的；( 2 ) 有较高的光学增益；( 3 ) 腔外部反射镜的反射率要很高( 大 于9 5 ) 。但是在当时的情况下，要在大体积的材料中实现高的光学增益是很困 难的，而且要让外部反射镜达到如此高的反射率对于他们来说也是一种挑战。尽 管在如此困难的情况下，i g a 带领他的工作团队仍然在1 9 7 9 年率先发明了世界上 第一支垂直腔面发射激光器。这种激光器采用的是液相外延( l p e ) 技术，以i n g a a s p i n p 为材料在7 7 k o 下的脉冲激射工作。几年后，他们又制造出了以g a a s g a a i a s 为材料的v c s e l ，它能在室温条件下连续工作，阈值电流低于l m a 。1 9 8 3 年实现了以g a a s g a a l a s 为材料，但仍然是脉冲激射工作，这种激光器在7 7 k o 下阈值电流是3 5 0 m a ，而且实现了在室温下的脉冲激射，其阈值电流为1 2 a 。1 9 8 5 年使用分子束外延生( m b e ) v c s e l ，使脉冲工作下的阈值电流降为1 5 0 m a 。1 9 8 7 年，i g a 等人又报道了一种g a a s 系列的v c s e l ，这种激光器的阈值电流低于6 m a , 可以在2 0 5 u c 的温度下实现c w 工作。1 9 8 9 年，他们又首先提出了一种在室温下 c w - i - 作的激射波长为8 5 0 r i m 的g a a sv c s e l 。k i g a 和他的工作团队的成就激发 了世界范围内学者对于实现低阈值、在较宽波长范围实现高能量输出的v c s e l 的 研究热情3 ，4 1 。 2 0 世纪9 0 年代v c s e l 技术已趋于成熟。1 9 9 1 年实现了波长为0 9 8 1 m a g a a s i n g a a s 系列的v c s e l 室温连续工作，1 9 9 3 年实现了1 3 p r o 的i n g a a s p i n p 的v c s e l 的室温连续工作。1 9 9 4 年实现了1 5 5 1 a m 的i n g a a s p i n p 的v c s e l 的 室温连续工作，并且在同一年蓝绿光的垂直腔面发射激光器引起人们的注意。1 9 9 9 年，日本东京大学和德国维尔兹堡大学的研究人员报道了室温下从光泵i n g a n 垂 直腔面发射激光器二维列阵中获得蓝光发射( 3 9 9 n m 波长) 。而在同一年，桑迪亚国 家实验室利用反传导耦合，研究制作了发射8 6 8 n m 波长的两个强烈耦合锁相列阵 垂直腔面发射激光器( 具有同相发射) 。2 0 0 0 年，圣巴巴拉加州大学研究小组发展了 第一个室温运转、输出波长为1 5 5 1 t i n 的电抽运，全品格匹配、砷锑化合物单块垂 直腔面发射激光器，室温下阈值电流为7 m a ，高温时( 4 5 ) 阈值电流1 5 5 峭。美 西南大学硕士学位论文第一章绪论 曼l i il一,iii !l, i i l 。 i l i 皇皇曼! 曼曼曼鼍曼皇曼皇曼 国普林斯顿光电子公司通过优化p 型d b r 材料的组分、层数以及掺杂浓度，在保 持低掺杂浓度以减小自由载流子吸收的同时，降低p 型d b r 的串联电阻，有效地 提高了效率。该公司于2 0 0 5 年研制出器件口径为3 5 0 9 i n ，室温下连续功率达到 3 w t 5 1 。2 0 0 7 年该公司又通过将大尺寸二维v c s e l 阵列封装在高热导率金刚石热 沉上，使v c s e l 阵列达到非常高的功率水平【6 】。2 0 0 9 年1 月份在美国加州s a nj o s e 召开的光子学会议上，德国系统公司介绍了他们研制出的第一个通过多模光纤 数据传输速率达到2 0 g b i t s 的单v c s e l ，不久后该公司又将它的量子点激光器的 调制速率提高了一倍( 4 0 g b i f f s ) 。在未来的几年里，随着宽带隙材料( 如g a n ， z n s e ) 的研究，垂直腔面发射激光器将会得到很大的发展。 我国在v c s e l 方面的研究也得到了较快的发展。1 9 9 6 年吉林大学实验区集成 光电子联合国家重点实验室与中科院长春物理所联合研制设计了一种钨丝掩膜质 子轰击与选择腐蚀相结合的新结构h 型v c s e l 。经过实验，该种激光器已经实现 了脉宽为2 0 呻，占空比为1 ：1 0 的脉宽电流条件下的室温激射，最低阈值电流为 2 0 m a ，最大输出功率为2 r o w ，激射波长为8 7 8 n m 。而且它的工艺简单，器件成 品率高，便于工业化生产。1 9 9 7 年，他们又利用钨丝掩膜质子轰击工艺制造出一 种室温条件下可连续工作的可见光v c s e l ，它的激射波长为6 5 0 n m ，未装在热沉 上时，连续工作最大输出功率为8 5 1 t w ，阈值电流3 7 5 m a 。1 9 9 8 年中科院半导体 所集成光电子国家重点实验室，林世鸣研究员率领的实验小组，使用自己生长的 结构片，研制了红光v c s e l ，实现了室温连续激射阈值电流为0 2 5 m a ，波长为 6 6 0 n m ，为当时此类激光器的最低报道值 4 1 。在大功率v c s e l 方面，长春光机所 采用新结构新工艺等方法，首次实现v c s e l 的瓦级功率输出，并于2 0 0 4 年实现 了波长为9 8 0 n m 、1 2 1 径分别为5 0 0 9 m 和6 0 0 9 i n 的v c s e l 单管室温连续工作光功 率达到1 9 5 w 1 7 】。目前，我国很多著名大学及研究所( 如吉林大学，中国科学院半 导体所等) 正基于对v c s e l 各方面特性的研究。相信在不久的将来我国在垂直腔 面发射激光器的研究与制各方面会有快速的发展【4 】。 1 2 垂直腔面发射激光器的结构 2 西南大学硕七学位论文第一章绪论 h i i | i mm i m m i ! , 1 1 鼍鼍曼曼曼皇量曼曼曼舅曼 金属绩艘、 l 瓷镝出 会 h + 离予注入区 訇j m q w 有擐区 n + 一g 0 b 村鹿 图1 1m q wv c s e l 器件结构示意图 多量子阱( m q w ) v c s e l 作为平面微腔器件的代表，已成为当前光电子领 域最活跃的研究之一。其典型结构如图1 1 所示【8 ，9 】。从图中可以看出，v c s e l 器 件主要由反射镜、有源层和金属接触面三大部分构成。由于v c s e l 的增益路径短， 这就要求极高的镜面反射率，因此这里的两个反射镜分别为1 4 波长周期结构的n 型和p 型布拉格堆组成的高反射率布拉格反射镜( d b r ) 。有源层有多量子阱构成， 所以有源层厚度等于量子阱厚度的总和。分别在p 型d b r 的外表制作金属接触层， 并在p 型d b r 上成圆形出光口，其半径为，即为有源层半径。与早期的v c s e l 相比，现在采用了高反射率的d b r ，尤其是应变多量子阱结构的应用，使器件性 能得到大大改善【8 】。 传统的边发射激光器( e e l ) ，从腔体结构上来说，不论是f - p 腔或是d b r 腔，激光输出都是在水平方向，即沿着衬底片的平行方向出光，而v c s e l 却是在 芯片上下表面镀上反射膜构成了垂直方向的f - p 腔，光输出沿着垂直于衬底片的 方向( 如图1 2 所示) 。 ， -i_ - - - r 嚣奢守：譬；霉“；寄譬节“囊 誓l l 誓毫x t 誓 1 唰 ；皇兰生妻等量譬量鏊羹耋皇霉 l i _ ：l - i - t et 暑，t ，1 1 1t i 西南大学硕十学位论文第一章绪论 v c s e l 独特的结构特点使得它与传统的e e l 相比，拥有许多优势【3 ，4 9 ，1 o 】： 1 谐振腔体积很小，易于产生微腔效应，实现极低的阈值电流激射( 亚毫安量级) ； 2 谐振腔比较短，在很宽的温度和电流范围内，都易于实现动态单纵模工作，动 态调制频率高； 3 有源区截面呈方型或圆对称型，其基摸是高斯分布，光束既窄又圆，方向性好， 远场发散角较小，易于与光纤耦合； 4 出光方向垂直于衬底平面，它的排列形式为面阵形式，以实现光集成，因此适 合于平行光互联和信息处理； 5 器件截面积及管芯都很小，可实现高密度二维阵列，还可制作锁相阵列； 6 制作工艺简单，制作成本低，有利于大量生产。 正因为v c s e l 具有如此多的优点，它成为中短距离光通信的理想光源，成为半导 体光电子器件中极受瞩目的前沿课题之一。 1 3 混沌及混沌同步的概念 1 3 1 混沌的定义 混沌是一种貌似无规则的、非线性动力学系统所特有的运动形式。混沌揭示 了自然界及人类社会中普遍存在的复杂性、确定性与随机性的统一，有序与无序 的统一，大大加深了人们对大自然的理解。科学地讲，混沌是由确定性系统产生 的随机现象，表现为系统相空间轨道呈现出高度不稳定性。随时间的发展，相邻 轨道间的距离可能以指数形式扩大，初始任何微小的扰动都会在发展中带来完全 不同的结果，但系统的确定性决定了这是一种内随机性或称伪随机性。由其特性 决定，混沌的长远行为是不可预测的。混沌运动包含丰富的信息，但与噪声又有 本质的区别，混沌不等于无序【l l ，12 1 。 混沌现象最显著的特征在于其对初始条件的强烈依赖性或对小扰动的极端敏 感性。混沌系统的内在随机性决定了其相空间轨道的局部高度不稳定性，最终导 致系统对初始状态的记忆很快消失，产生对初始条件的极端敏感性【1 1 ，1 2 】。为了刻 画相空间轨道的指数分离，人们定义了l y a p u n o v 指数，它是描写非线性系统混沌 行为的主要特征量之一，是混沌性态的定量标志【l 。 1 3 2 混沌同步 混沌同步即指系统的轨道将收敛于另一系统轨道的同一值，它们之间始终保 持着步调一致，且这种同步是步调稳定的。然而1 9 9 0 年，美国海军实验室的专家 p e e o r a 和c a r r o l i 开创性地提出混沌系统同步的概念( 简称p c 同步) ，并首次在电子 4 西南大学硕士学位论文 第一章绪论 线路实验中实现了两个混沌系统同步【l 弘1 5 j 。激光系统中的混沌同步大致可分为两 类：强度同步和相位同步。我们最常见的同步现象是强度同步。强度同步又可分 为广义同步、完全同步和间隙同步【1 6 - 2 7 。1 9 9 5 年r u l k o v 等人针对耦合系统提出 广义同步的概念。在广义同步下，p c 同步变成广义同步的一种特殊情况。广义同 步主要源于强注入下的模式锁定和放大效应，对系统的对称性要求低于完全同步， 仅需发射激光器和接受激光器之间的输出成比例即可【l 睨4 】。在这种混沌同步中， 两激光器的输出并不完全相同，而是具有相近的运动轨迹；完全同步，它是指两 激光器的输出强度完全一致的情况。完全同步系统中，发射激光器的输出和接收 激光器的输出完全一致，它对两个相互耦合的系统的参数一致性要求比较高。完 全同步要求发射系统和接收系统的参数完全匹配，包括延迟时间和内外部环境控 制参数，当两激光器的内部参数有轻微失配时，将大大影响两激光器的同步性 1 6 , 1 7 。完全同步中有一种特殊的同步方式一预同步，它是指两激光器的输出一致， 但是接收端的输出要比发射端的在时间上超前【2 7 - 2 9 ；间隙同步是指两激光器的输 出有时是同步的，有时是不同步的，两种状态随时间的不同而交替出现。在以上 三种同步方式中，完全同步是混沌保密通信中最理想的种同步现象，但是在实 际情况下，由于混沌具有对初值极端的敏感性，且实际操作中初始条件的精度受 到种种限制，因此，让两个混沌系统保持很好的全同性似乎是不可能的。间隙同 步由于其同步性能的极不稳定性注定了它是不适合用来完成混沌通信的。在相同 步中，混沌系统的相位满足同步条件，而其振幅往往是混沌的且互不关联的【3 ”。 其次，混沌同步的方案多种多样。例如驱动一响应同步方法，主动被动拆分法( 简 称a p d 法) ，连续变量反馈微扰同步法，基于相互耦合的同步方法，参数微调法， 脉冲法，神经网络同步法，观测器同步法等多种同步法。这些方法各有优势，但 又互相补充，构成混沌同步理论最重要的组成部分 3 0 - 3 2 1 。 近年来，随着信息技术的不断进步，混沌同步系统在保密通信中的应用得到 了越来越多的关注【3 3 0 5 1 。由于光混沌系统具有大带宽、低衰减、动力学系统复杂 以及对参数高度敏感等特性，非常适合于高速远程保密通信的要求，因此混沌保 密通信的研究热点也逐渐由电路混沌系统转向了光混沌系统。到目前为止，光混 沌系统大致包括光注入、光反馈以及光电反馈等三类 1 5 - 3 0 , 3 6 , 3 q 。 1 4 混沌信号编码和解码方法介绍 近些年来，混沌特性和应用的研究领域越来越宽广，其中研究最多和最具潜 力的是在保密通讯中的应用【3 3 3 4 1 。利用混沌信号的特征隐藏信息，是密码学发展 新方向之，也是混沌应用领域研究中的热点。 混沌保密通信的方式多种多样，国内外研究较多的是混沌隐藏( c h a o s 5 西南大学硕士学位论文第一章绪论 m a s k i n g ) ，混沌键控( c h a o ss h i f tk e y i n g ) 和混沌调制( c h a o sm o d u l a t i o n ) 三种 方案，其中混沌调制又主要有附加混沌调制( a d d i t i v ec h a o sm o d u l a t i o n ) 。它们的 基本思想是把要传递的信息按照某种方式加载到一个由混沌系统产生的混沌信号 上，实现对信息的隐藏。该信号经信道发送到接收端后，由一相同的混沌系统重 构出混沌信号，进而解调出混合信号所携带的信息【3 w 7 1 。 下面我们以光反馈单向耦合半导体激光器同步系统为例分别介绍三种混沌保 密通信方式，如图1 3 所示。图中m ( t ) 表示加入的原始信号，1 ：1 1 ( t ) 表示恢复的信号。 t l 代表发射激光器，r l 代表接收激光器。 删+ 丫 鳓 硼c t ) 一 - 1r 、k jd t 。 ，一_ - 、 l t u 。厂 i r 7 0 ， l 图1 3 三种混沌编码解码方式示意图 则 一混沌隐藏( c m s ) 编码方法是，用小幅度的信号直接加到发射系统输出的混沌载波上，并一起注 入接收激光器系统中。 解码方法为：m 。( f ) = ( 品( f ) + m ( t ) - s r ( f ) ) ( 1 1 ) m = ( | 辱+ 肼p ) 1 2 - l e , ( 0 1 2 ) ( 1 2 ) 这种方法较为简单，但由于大部分混沌载波用来隐藏信号，只有小部分用来 传输信号，因此该方法信号传输效率低。 统中，但是没有注入发射激光器系统中， 步品质【3 8 3 9 4 2 1 。 二混沌键控( c s k ) 另一方面，信号被注入到接收激光器系 系统的对称性破坏，从而降低两系统同 编码方法：有用信号是通过对发射激光器电流的数字键控而加载到混沌载波 上，发射系统的混沌状态会随信号的改变而改变。 解码方法：所。o ) = ( 品p ) 一足) ) ( 1 3 ) m o ) = q 辱( r ) 1 2 一i 岛( ，) 1 2 ) ( 1 4 ) 采用这种方法时，发射激光器的偏置电流在载入信号后会破坏两激光器之间 的同步，因此两激光器再次恢复到同步时往往就需要一段时间。这样信号比特率 就受到响应时间的限制。所以不适合高速信号的保密通信【3 8 ，3 9 1 。 6 西南大学硕士学位论文第一章绪论 三附加混沌调制( a c m ) 编码方法：信号加到混沌载波上，不仅将信号注入接收激光器系统，还要注 入发射激光器系统。 解码方法：埘g ) = ( 1 岛( f ) ( 1 + 聊( f ) ) 1 2 一i 岛( f ) 1 2 ) ( 1 5 ) m o ) = 巧唧( l 岛o ) ( 1 + 聊o ) ) f 2 i 取( f ) f 2 - 1 ) ( 1 6 ) 用这种方法加载信号时，保持了混沌同步系统的对称性，既提高了系统的保 密性又可以较好的将信号解调出来。( 1 6 ) 式的解调方式在同步系统参数完全匹配 时解调效果很好，但是一旦两激光器参数不完全致时它将很难解调出信号，一 般理论研究中用到( 1 5 ) 式解码的较多【4 2 4 8 1 。当然除此之外还有其它的解调方法 这里不再介绍。 1 5 本文研究的内容和意义 本文基于自旋反转( s 刚) 模型，理论研究了有光反馈的v c s e l s 双信道双 向光混沌通信，研究结果表明：选择合适的参数，两相互耦合激光器的x 、y 偏振 模式以及总的强度分别能达到很好的完全混沌同步质量；各个模式的混沌同步对 于两激光器的内部参数失配具有一定的容忍性，特别值得提到的是频率失谐对于 两激光器的同步具有相对较大的影响。最后利用混沌隐藏( c m s ) 和附加混沌调 制( a c m ) 两种方式在两激光器中的x 、y 偏振模式上分另l j ；b n 入信号并对信号进 行了解调。 通过本文的研究，为今后基于v c s e l s 双信道双向光混沌通信的研究奠定了 一定的理论基础，使两个相互耦合的v c s e l s 同时传输多种信号提供了可能，提 高了激光器的利用效率。 参考文献： 【1 】i g ak ， k o y a m af ， k i n o s h i t as s u r f a c ee m i t t i n gs e m i c o n d u c t o r l a s e r s i e e ejq u a n t u me l e c t r o n ，1 9 8 8 ，2 4 ( 9 ) ：1 8 4 5 - 1 8 5 5 【2 】j e w l ljl ，h a r b i s o njp ，s c h e r e ra ，e ta 1 v e r t i c a l c a v i t ys u r f a c e w e m i t t i n gl a s e r s ：d e s i g n ，g r o w t h ，f a b r i c a t i o n ，c h a r a c t e r i z a t i o n j i e e ej q u a n t e l e c t r o n ，1 9 9 1 ，2 7 ( 6 ) ：13 3 2 一l3 4 6 【3 】s f y u ，a n a l y s i sa n dd e s i g no fv e r t i c a lc a v i t ys u r f a c ee m i t t i n g l a s e r s m aj o h nw i l e y & s o n s ，i n c 2 0 0 3 ：2 - 1 8 【4 】韩力英，张存善。垂直腔面发射激光器的结构和应用。光电器件。2 0 0 3 4 下 半月：7 2 7 4 。 7 西南大学硕士学位论文第一章绪论 【5 】la r t h u rda s a r o ，j e a n f r a n c o i ss e u r i n 。j a m e sdw y r m h i s h p o w e r h i g h e f i c i e n c yv c s e l sp u r s u et h eg o a l j p h o t o n i c ss p e c t r a ， 2 0 0 5 ，( 2 ) ：6 4 七6 【6 】j f s e u f i n ，la da s a r o ，c g h o s h ，an e wa p p l i c a t i o nf o rv c s e l s ： h i g h - p o w e rp u m pl a s e r s j p h o t o n i c ss p e c t r a ，2 0 0 7 ，( 7 ) ：6 6 7 1 7 】s u ny a n f a n g ，j i nz h e n h u a ，e ta 1 f a b r i c a t i o na n de x p e r m e n t a l c h a r a c t e r i z a t i o no fh i s hp o w e rb o t t o g r - - e m i t t i n gv c s e l s j o p t i c sa n d p r e c i s i o ne n g i n e e r i n g ，2 0 0 4 ，1 2 ( 5 ) ：4 4 州5 3 ( i nc h i n e s e ) 【8 】吴文光，范广涵，沈为民，金尚忠，徐时清 j 。半导体激光电，2 0 0 7 年1 0 月 第2 8 卷第五期：6 5 1 - 6 5 4 【9 】刘杰，高剑刚，李玉权。v c s e l 技术及其在光互联中的应用 j 。光子技术，2 0 0 6 年3 月第一期：8 - 1 2 。 1 0 f k o y a m a ，r e c e n ta d v a n c e so fv c s e lp h o t o n ic s ，i e e e j o u r n a lo f l i g h t w a v et e c h n o l o g yo fl i g h t w a v et e c h n o l o g y ，2 4 ：4 5 0 2 4 5 1 3 ( 2 0 0 6 ) 【1 1 】王东生，曹磊，混沌、分形及其应用，中国科学技术大学出版，1 9 9 5 【1 2 】郝柏林混沌现象的研究 j 中国科学院院刊，1 9 8 8 ，2 ( 1 ) ：5 1 4 【1 3 】p e c o r alm 。c a r r o l ltl s y n c h r o n i z a t i o ni nc h a o t i cs y s t e m j p h y s r e vl e t t 1 9 9 0 ，6 4 ：8 2 1 8 2 4 【14 lm p e c o r a , t l c a r r o l l ， d r i v i n gs y s t e m sw i t hc h a o t i cs i g n a l s ，”p h y s r e v a v 0 1 4 4 ，p p ：2 3 7 4 - 2 3 8 3 ，1 9 9 1 【15 】j j o h s t s u b o ，m e m b e r , c h a o ss y n c h r o n i z a t i o na n dc h a o t i cs i g n a lm a s k i n gi n s e m i c o n d u c t o rl a s e r sw i t ho p t i c a lf e e d b a c k , i e e e j q u a n t u me l e c t r o n ，v 0 1 3 8 。 2 0 0 2 ：1 1 4 1 1 1 5 4 【l6 】d z z h o n g , g q a ，z m w ux h j i a , “c o m p l e t ec h a o t i cs y n c h r o n i z a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h el i n e a r - p o l a r i z a t i o nm o d eo fv e r t i c a l c a v i t ys u r f a c e - m i t t 咄 s e m i c o n d u c t o rl a s e r s 谢也i s o t r o p i co p t i c a lf e e d b a c k , ”o p t c o m m u n 2 81 ， 16 9 8 - 17 0 9 ( 2 0 0 8 ) 【17 】d z z h o n g , z m w u , c o m p l e t ec h a o t i cs y n c h r o n i z a t i o nm e c h a n i s mo f p o l a r i z a t i o nm o d eo fv c s e lw i t ha n i s o t r o p i co p t i c a lf e e d b a c k , ”o p t c o m m u m 2 8 2 ，1 6 3 1 - 1 6 3 9 ( 2 0 0 9 ) 【18 】j l i qz m w u ，g q x i a , d u a l - c h a n n e l c h a o ss y n c h r o n i z a t i o na n d c o m m u n i c a t i o n b a s e d o n t m i d i r e c t i o n a l l yc o u p l e d v c s e l sw i t h p o l a r i z a t i o n r o t a t e do p t i c a lf e e d b a c ka n dp o l a r i z a t i o n - r o t a t e do p t i c a li n je c t i o n , o p t e x p r e s s1 7 ，1 2 6 1 9 1 2 6 2 6 ( 2 0 0 9 ) 8 西南大学硕十学位论文第一荦绪论 j i i=：i i i l ii l li i i l l 量曼曼曼曼皇曼皇曼鼍量曼舅曼蔓 【19 】m s c i a m a n n a , t w o - m o d ei n j c c t i o nl o c k i n gi nv e r t i c a l c a v i t ys u r f a c e - e m i t t i n g l a s e r s o p t i c sl e t t3 0 ，2 9 0 3 - 2 9 0 5 ( 2 0 0 5 ) 2 0 】n f u j i w a r a , y t a k i g u c h i ，j o h t s u b o ，“o b s e r v a t i o no ft h es y n c h r o n i z a t i o no f c h a o si nm u t u a l l yi n j e c t e dv e r t i c a l - c a v i t ys u r f a c e - e m i t t i n gs e m i c o n d u c t o rl a s e r s ， o p t l e t t 2 8 ，16 7 7 - 16 7 9 ( 2 0 0 3 ) 2l 】k p a n a j o t o v ，a u c h i d a , m s c i a r n a n