（光学专业论文）双向光电耦合半导体激光器混沌同步及其混沌保密通信的理论研究.pdf

西南大学全日制硕士学位论文 摘要 双向光电耦合半导体激光器混沌同步及其混沌保 密通信的理论研究 光学专业全日制硕士研究生：高泽超 指导教师：夏光琼教授 摘要 近年来，光混沌在保密通信中潜在的应用价值引起了人们的广泛关注。作为光通信最理 想的光源半导体激光器，受到光反馈、光注入、光电反馈等外部微扰容易产生高维的混 沌信号，由此人们提出了多种通信系统方案，比如：光反馈、光注入和光电反馈或光电耦合 通信系统等。与光反馈和光注入通信系统相比，光电反馈或光电耦合通信系统具有对相位变 化不敏感、容易电控等优点。然而目前的研究大多基于单向通信，而随着光通信技术的不断 发展，双向、多向混沌保密通信将更具有实际应用价值。 本文首先对双向光电耦合半导体激光器系统的同步性能以及参数失配对系统同步性能的 影响进行了研究，研究表明：系统虽然对参数失配具有较好的容忍性，但是由于发射激光器 和接收激光器之间的混沌同步存在随机超前滞后，很难应用于实际的混沌通信。基于此，我 们提出了两种双向光电耦合半导体激光器混沌同步通信系统：一种为双向光电耦合半导体激 光器串联，另外一种为双向光电耦合半导体激光器耦合环。对两种系统的同步性能及其参数 失配对同步性能的影响进行了研究，同时分析了系统的混沌通信行为。研究结果表明：在光 电耦合半导体激光器串联混沌同步通信系统中，对发射激光器和中间激光器、接收激光器和 中间激光器而言，它们之间达到滞后同步，而发射激光器和接收激光器之间达到零时滞同步， 且对参数失配具有更好的容忍性。利用c s k 方法，把2 5 0 m h z 信号同时加载到发射激光器和接 收激光器，分别从接收激光器和发射激光器中能很好的把信号解调出来。如果在发射激光器 和接收激光器之间串联n 个激光器，中间所有的激光器起到了中继作用，可以大大地提高光 混沌远程通信的传输距离；在双向光电耦合半导体激光器耦合环( o c s l r ) 混沌同步通信系统 中，双向o c s l r 与单向o c s l r 相比，具有更好的同步性和对参数失配的容忍性。另外，我们 利用c s k 方法研究了双向o c s l r 系统通信，把2 5 0 m h z 的信号加入到一个激光器中，能从另外 一个激光器中较好的解调出来。顺便指出，这种方法可以应用于多于三个半导体激光器构成 的双向o c s l r ，从而为局域通信提供了一种新的方案。 关键词：混沌；双向光电耦合；半导体激光器；e , e 同步；参数失配；混沌保密 通信 西南大学全同制硕士学位论文 a b s t r a c t t h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o n so nt h ec h a o ss y n c h r o n i z a t i o n a n dt h ec 1 1 a oss e c u r ec o m m u n l c a t l o n0 id l n i r e c t i o n a l 一 -l 一 1 l o p t o e l e c t r o n i cc o u p l e ds e m i c o n d u c t o rl a s e r s -l 1 l 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 ：z e c h a og a p a b s t r a c t r e c e n t l y , o p t i c a lc h a o sh a sa t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o nf o ri t sp o t e n t i a la p p l i c a t i o n si n s e c u l e c o m m u n i c a t i o n s s e m i c o n d u c t o rl a s e r , a st h eb e s to p t i c a lr e s o u r 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 lg e n e r a t eh y p e r - d i m e n s i o nc h a o ss i 孕1 a 1t h r o u g ho p t i c a lf e e d b a c k , o p t i c a li n j e c t i o na n d o p t o e l e c l r o n i cf e e d b a c k ( o rc o u p l i n g ) t h e r e f o r e ，v a r i o u ss c h e m e sf o rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sb a s e d o nt h es e m i c o n d u c t o rl a s e r sh a v eb e e np r o p o s e d , s u c ha so p t i c a lf e e d b a c k , o p t i c a li n j e c t i o na n d o p t o e l e c t r o n i cf e e d b a c k ( o rc o u p l i n g ) o fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s c o m p a r e d 、衍mo p t i c a lf e e d b a c k a n do p t i c a li n j e c t i o ns y s t e m s ，o p t o e l e c t r o n i cc o u p l i n go rf e e d b a c ko n eh a sa d v a n t a g e so fi t s i n s e n s i t i v i t yt oo p t i c a lp h a s ev a r i a t i o n sa n di t s c o n v e n i e n c et o b ee l e c t r i c a l l yc o n 仃o l l e d h o w e v e r , c u r r e n tr e s e a r c hi sm o s t l yb a s e do nu n i d i r e c t i o n a lc o m m u n i c a t i o n w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fo p t i c a ln e t w o r kt e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s ，b i d i r e c t i o n a l ( o rm u l t i p l ed i r e c t i o n a l ) c h a o t i cs e c u r ec o m m u n i c a t i o nw i l lb eo f v e r yh i g ha c t u a la p p l i c a t i o nv a l u e i nt h i sp a p e r , t h es 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 so fb i d i r e c t i o n a lo p t o e l e c t r o n i c c o u p l e d s e m i c o n d u c t o rl a s e rs y s t e m sa n dt h ei n f l u e n c eo fp a r a m e t e rm i s m a t c ho ns y n c h r o n i z a t i o n p e r f o r m a n c ea r es t u d i e df i r s t l y r e s e a r c hs h o w st h a tt h es y s t e mh a sr o b u s t n e s st om i s m a t c h e d p a r a m e t e r s ，b u tt h es y n c h r o n i z a t i o ne x c h a n g e st h el e a d e r - l a g g a r dr o l er a n d o m l yi nt i m eb e t w e e n t r a n s m i t t e rl a s e ra n dr e c e i v e rl a s e r , i ti sv e r yd i f f i c u l t yt oa p p l yp r a c t i c a l l yi nc h a o sc o m m u n i c a t i o n b a s e do nt h i s ，w ep r o p o s et w ot y p e so ft h ec h a o sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m so fb i d i r e c t i o n a l o p t o e l e c l r o n i cc o u p l e ds e m i c o n d u c t o rl a s e r s ，o n e i st h eb i d i r e c t i o n a lo p t o e l e c t r o n i c c o u p l e d s e m i c o n d u c t o rl a s e rc a s c a d e0 3 0 c s k s ) ，a n dt h eo t h e ri sb i d i r e c t i o n a lo p t o e l e c l r o n i cc o u p l e d s e m i c o n d u c t o rl a s e r sr i n g ( o c s l r ) t h et w ot y p e so ft h es 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 dt h e i n f l u e n c e so fm i s m a t c h e dp a r a m e t e r so ns y n c h r o n i z a t i o na r cn u m e r i c a l l yi n v e s t i g a t e d , a n dt h ec h a o s c o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c e so ft h es y s t e ma l ea n a l y z e d r e s e a r c hs h o w st h a t ，i nt h eb o c s l s ，f o r i th a sr e a l i z e dl a gs y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e nt r a n s m i t t e rl a s e ra n dm i d d l el a s e r , m i d d l el a s e ra n d r e c e i v e rl a s e r b u ti tc a l la t t a i nz e r o st i m e - l a gs y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e nt r a n s m i t t e rl a s e ra n dr e c e i v e r n 西南大学全日制硕士学位论文 a b s t r a c t l a s e ra n dm o f er o b u s t n e s st om i s m a t c h e dp a r a m e t e r s i na d d i t i o n , t h ec o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c e s i nt h eb o c s l sa r ea l s oi n v e s t i g a t e du n d e rc s ks c h e m e f o r2 5 0 n m zm e s s a g es e n tf r o m t r a n s m i t t e rl a s e ra n dr e c e i v e ro n es i m u l t a n e o u s l y , m e s s a g e sc a l lb ee x t r a c t e ds a t i s f a c t o r i l yf r o m r e c e i v e rl a s e ra n dw a n s m i t t e ro n e ，r e s p e c t i v e l y i fw ec a s c a d enl a s e r sb e t w e e nw a n s m i t t e rl a s e ra n d r e c e i v e rl a s e r , t h em i d d l eo fa l lt h el a s e r sm a d ear e l a y i n ge f f e c t ，i tc a l lg r e a t l yi m p r o v et h e t r a n s m i s s i o nd i s t a n c eo fl o n g - h a u lc o m m u n i c a t i o n s i nt h eo c s l r , c o m p a r e dw i t ht h e u n i d i r e c t i o n a lo c s u 艮t h eb i d i r e c t i o n a lo c s l rp o s s e s s e sb e t t e rs 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 d m o l er o b u s t n e s st om i s m a t c h e dp a r a m e t e r s i na d d i t i o n , t h ec o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c e si nt h e b i d i r e c t i o n a lo c s l ra 北a l s oi n v e s t i g a t e du n d e rc s ks c h e m e f o r2 5 0 n m z m e s s a g es e n tf r o mo n e l a s e r , m e s s a g e sc a r tb ee x t r a c t e ds a t i s f a c t o r i l yf r o ma n o t h e rl a s e r b yt h ew a y , t h i sa p p r o a c hc a l lb e e x t e n d e dt ot h ec 鹬eo fb i d i r e c t i o n a lo c s u 己i n c l u d i n gm o r et h a nt h r e es e m i c o n d u c t o rl a s e r s t h i s o f f e r san e ws c h e m eo fc o m m u n i c a t i o nw i t h i nal o c a lc o m m u n i t y k e yw o r d s ：c h a o s ，b i d i r e c t i o n a lo p t o e l e c t r o n i cc o u p l i n g , s e m i c o n d u c t o rl a s e r , c h a o s s y n c h r o n i z a t i o n ，m i s m a t c h e dp a r a m e t e r s ，c h a o ss e c u r ec o m m u n i c a t i o n i i i 独创性声明 学位论文题目：塑囱老电塑金坐昱佳邀堂墨遇浊回生拯墓逭浊堡窒通 信的理论研究 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加了 特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同仁 在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 学位论文作者：、南淬超 签字日期：i 。年r 月，p 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( 筹) 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：口不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：高泽起 签字日期：加f o 年岁月r o 日 导师签名：耋乞靠 o o 签字日期：少矽年月o 日 西南大学全日制硕士学位论文第一覃绪论 第一章绪论 1 1 引言 在我们的物质世界中，混沌现象无处不在，大到宇宙，4 , n 看不到分子，原子，无不受 到混沌理论的支配。混沌是一种貌似无规则的运动，即形似紊乱而实则有序。如气候变化会 出现混沌，数学，生物，经济学、社会学等等都存在混沌现象。因此，它打破了不同学科之 间的界限，形成了一门新兴科学，被誉为2 0 世纪科学将永远铭记的三件事之一。 混沌的最大特点是对初始条件十分敏感( i el y a p u n o v 指数) ，即两个完全相同的混沌系 统，从非常相近的初始条件开始演化，他们的轨迹很快将变的互不相干，这使得混沌信号具 有长期的不可预测性【1 - 2 1 。同时对于混沌系统又是确定的，可以由初始条件、参数和非线性方 程所决定，容易使混沌信号再生【3 4 】。因此，利用混沌信号的复杂性，不可预测性和易于实现 等特点，把它作为信息传输的载体进行保密通信。 然而要实现混沌保密通信必须实现系统的混沌同步 5 1 。所谓混沌同步，是指发射系统中的 混沌信号与接收系统中的混沌信号同步，且与初始条件无关。1 9 9 0 年，美国海军实验室研究 员p e c o r e 和c a r o l l 等人6 刀首次提出了混沌同步方案，并且在电路系统中观察到混沌同步现象。 因此，许多国家投入大量的人力、物力进行研究。在理论和实验上取得了丰硕的成果，特别 是在电混沌同步方面，先后提出多种电混沌同步的保密通信方案并且在多种电路系统中实现 了混沌同步1 6 - j 。然而，由于电路混沌系统产生的混沌载波带宽较窄和衰减很高，在远程通信 中受到了很大的限制。且产生的是低维混沌信号，通过重构混沌吸引子，信号容易被窃听者 截取，这样大大降低了保密性。与电混沌系统相比，光混沌系统具有很大的带宽和较低的衰 减，更适合于进行远程通信 1 2 , 1 3 。而且混沌信号对系统参数的非常敏感，容易产生的高维混沌 信号，从而增强了保密性。因此对光混沌同步通信的研究将具有更高的实用价值【1 4 - 2 s 1 。 半导体激光器价格低廉，体积和质量较小，在受到外部微扰( 如电流调制、光反馈、光 电反馈、光注入) 容易产生高维的混沌信号输出。近年来，国内外许多研究学者从理论和实 验方面对半导体激光器的混沌同步通信系统进行了研究，并提出了多种混沌同步方案并且在 系统实现了混沌同步。与光反馈和光注入混沌同步系统相比，光电反馈或光电耦合混沌系统 2 9 - 3 1 1 对相位变化不敏感、容易电控，在实验上容易实现等优点。然而目前的研究大多基于单 向通信，而随着光通信技术的不断发展，双向、多向混沌保密通信将更具有实际应用价值。 基于此，本文对光电耦合半导体激光器混沌同步及其混沌保密通信进行了理论研究。 1 2 混沌 1 2 1 混沌的定义及其基本特性 1 9 7 5 年，李天岩旺yl i ) 和约克( j a y o r k e ) t 3 2 1 首先提出了混沌一词，由于混沌的复杂 西南大学全日制硕士学位论文第一章绪论 性，还没有被人们完全认识，至今混沌还没有一个确定的定义。而影响最大的是李天岩和约 克在周期3 蕴含混沌的文章中给出混沌的一种数学定义【3 3 1 ，现被人们称为l i - y o r k e 定义。 描述如下： 设空间i 上的连续自映射f ( x ) ，如果存在不可数集合sci 满足下面条件： ( 1 ) s 不包含周期点。 ( 2 ) 闭区间i 上存在不可数子集s ，使得对任意而y s ，满足 ( a ) 对任意工，y s ，工y 时，有l i m s u p f ”( 功一“( y ) j 0 ( b ) 对任意而y s ，有! i m i n f l l ”( x ) - f 刀 ) i = 0 n 1 ( 3 ) 对任意x s 和f 的任意周期点y ，有l i m s u p “( x ) - f “( j ，) i 0 则称f ( x ) 在s 上是混沌的。而此定义缺陷在于集合s 的勒贝格测度有可能为零，此时混沌是 不可观测的。而人们真正感兴趣的则是可观测的情形，则此时s 有一个正的测度。 1 9 8 3 年，d a y 认为一个混沌系统应具备以下三个性质：第一，存在所有阶的周期轨道； 第二，存在一个不可数集合，该集合只含有混沌轨道，且任意两个轨道既不趋向远离也不趋 向接近，而是两种状态交替出现，第三，混沌轨道具有高度的不稳定性。d a y 的描述虽然较为 准确地描述了混沌系统的特征，但是很难判断是否是一个混沌系统1 3 3 1 。 1 9 8 9 年，r l d e v a n n e y 给出了混沌的另一种定义【3 3 1 ，该定义描述如下：设x 为一集合。 连续映射f ：x _ x 称为在x 上是混沌，如果： ( 1 ) f 具有对初始条件的敏感依赖性。 ( 2 ) f 是拓扑传递的。 ( 3 ) f 的周期点在x 中稠密。 则该定义说明混沌的映射具有不可预测性、不可分解性，规律性。这是因为对初始条件 的敏感依赖性，使得混沌系统变得不可预测：又因为拓扑传递性使它不能被分解为两个或者 两个以上互不影响的子系统；然而在混沌系统中确实存在规律，有非常稠密的周期点，即形 似紊乱而实则有序。 从上面的定义我们可以看出，混沌运动是极不稳定有限定常运动，即为全局压缩和局部 不稳定的运动，这里的有限定常运动指的是运动状态在某种意义上并不随时间的改变而改变， 该定义指出了混沌运动的两个基本特征：不稳定性和有限性，然而，混沌运动具有非常复杂 的运动形态，它是在有限的区域轨道中做永不重复、具有无限大的周期运动，这使它与其他 复杂现象相比，混沌运动有着独有的特征陬粥： ( 1 ) 稳定性。混沌运动轨迹始终局限于一个确定的区域里面，这个区域叫做混沌吸引子区 域。不管混沌运动怎么不稳定，它的轨迹都不会走出这个混沌吸引子区。整体上表明混沌运 动是稳定的。 2 西南大学全口制硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 遍历性。随着时间变化，混沌运动在其混沌吸引子区域内是可以历经的混沌区内每一 个状态点。 ( 3 ) 普适性。体现了混沌内在规律，是不同系统趋于混沌时表现出来的，它不会根据具体 的系统方程或者参数变化而改变，具体为几个混沌普适常数，如f e i g e n b a u m 常数 ( 4 ) 内随机性。在一定条件下，当系统受到外界干扰时，系统中的某个状态可能出现，也 可能不出现，则认为系统具有随机性。 ( 5 ) 对初始条件的敏感性。混沌系统具有对初始条件极其微小变化的非常敏感而不稳定。 这一特性常被认为是混沌的本质特征，从而导致了混沌系统的长期行为的不可预测。如果一 个确定性系统对初始条件非常敏感，就可以认为这个系统是混沌的。 ( 6 ) 统计性。系统中，只要有一个正的l y a p u n o v 指数，或具有连续功率谱等，都可以认 为这个是混沌系统。 1 ：2 2 通往混沌的道路和混沌的判别方法 对于一个系统，当参数发生变化时，系统由简单的运动状态( 平衡、周期、准周期运动) 逐渐过渡到混沌运动状态，主要有以下几种删： ( 1 ) 倍周期分岔进入混沌道路 系统运动变化的周期行为是一种有序状态，它在一定的条件下，经倍周期分岔后逐步丧失 周期行为而进入混沌，这条道路是由b b m a n d e l b o r t 和p im y r b e r g 等一批科学家共同发现的。 它的基本特征是：系统开始处于稳定状态，经过两倍周期，四倍周期直到无限周期最后到达 混沌吸引子。而后，m f e i g e n b a u m 发现了倍周期分岔中费根包姆普适常数6 和o 【，而这两个常 数又是一切倍周期分岔所共有的，它反映了倍周期分岔通向混沌的规律性，是通向混沌的主 要道路之一。 ( 2 ) 阵发( 间歇) 混沌道路 1 9 8 0 年，法国科学家yp o m e a u 和p m a n n e v i u e 提出阵发混沌道路，又称为间歇混沌道 路，是指系统从有序向混沌转化时，当系统的某些参数的变化达到某一个l 衙街阈值时，系统 的时间行为一会呈现规则的周期运动；一会呈现混沌运动，当系统的参数继续变化，系统仍 然呈现出明显的周期行为，但很快被短暂的突发混沌运动所扰乱，之后又是周期运动，显现 出忽而周期忽而混运动；随着参数进一步变化，这种突发现象越来越频繁，周期运动几乎完 全消失，而整个系统就由阵发性混沌完全进入混沌状态。总之，除了以上两种通向混沌道路 之外，还有准周期混沌道路，k a m 环面破裂混沌道路，茹厄勒一塔肯斯混沌道路等许多通向混 沌的方式，科学家甚至得出了“条条道路通混沌 的结论。 从上面知道，经过倍周期分岔、阵发性混沌等而进入混沌状态，那么怎么来判断系统处 于混沌状态呢? 这是研究混沌系统的一个非常关键的问题，主要有以下几种判别方法( 3 6 1 ： ( 1 ) 功率谱方法 3 西南大学全日制硕士学位论文第一苹绪论 在系统中，时间序列的图像看上去是不规则的，但是功率谱图却可能呈现出规则性。该 方法是利用动力学系统的数值运算结果，画出功率谱图，如果谱图具有单峰( 或几个峰) ，则 对应周期( 或准周期) 序列。如果没有明显的峰值或者峰值连成一片，则对应混沌。 ( 2 ) 主分量分析( p c a 分布) 主分量分析( p c a 分布) 方法是近来年提出的一种能有效识别混沌和噪声的方法，该方 法的主要步骤是：对给定的一维时间序列，进行相空间重构，画出主分量谱，混沌信号和噪 声的主分量分布之间存在着明显的差异，对于噪声，主分量谱是一条与x 轴接近平行的直线， 而混沌信号的主分量谱是一条过定点且斜率为负的直线。 ( 3 ) 庞加莱( p o i n c a r e ) 截面法 对于含多个状态变量的微分方程系统，我们可以采用庞加莱截面法进行分析。力法是在 相空间中适当选取一截面( 截面不轨线相切，更不能包含轨线) ，相空间的连续轨迹与p o i n c a r e 截面的交点称为截点，通过观察p o i n c a r e 截面上截点的情况来判断，如果截面上有且仅有一 个不动点或者少数离散点时，则是周期，如果截面上是一封闭曲线时，则是准周期，如果截 面上是一些成片的具有分形结构的密集点，则是混沌。 ( 4 ) l y a p u n o v 指数 混沌的一个基本特点是对初始条件极为敏感，两个很靠近的初值所产生的轨道，随时间 推移按照指数方式分离，l y a p u n o v 指数就是定量描述这一现象的量，它描述的是一种整体特 征，其值有正，有负，也可以为零。在l y a p u n o v 指数2 0 的方向上，轨道迅速分离，对初始条件极为敏感， 处于混沌状态，a 卸对应一种临界情况。如果系统最大l y a p u n o v 指数l 0 ，则系统一定是混沌 状态。所以，时间序列的最大l y a p u n o v 指数是否大于零可以作为该时间序列是否为混沌的一 个重要依据。 ( 5 ) 频闪采样法 对于相平面上连续轨道，每隔定时间间隔观测一次轨道上的代表点( 称为采样点) ，这 样可以得到一系列离散点。如果是对于稳态，观测到的是一个固定点，如果是周期，因轨道 是封闭的曲线，观测到得仍是一个不动点，如果采样点是分布在一定的区域内非常密集，并 且这些点具有层次结构，则相应的是混沌。此外还有c - c 指数衰减法，代替数据法等方法然 而在实际的应用中，为了获得更精确的结果，我们并不是只采用一种方法，而是将多种方法 结合起来研究。 1 3 混沌同步 1 3 1 混沌同步的定义 混沌同步指的是对于两个初始条件不同的混沌系统，随着时间的推移，运动的轨迹逐渐 趋于致。比如：假设存在两个系统，一个为驱动系统，另一个为响应系统。驱动系统方程 4 西南大学全日制硕上学位论文第一苹绪论 e 曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼鼍詈曼曼! 蔓蔓曼! ! 曼曼曼皇曼曼笪曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼! 曼量鼍曼曼鼍量ii i 鼍曼量量量舅曼! 曼! 量曼曼曼曼量曼鼍曼曼! 曼 为：x 1 = f ( t ，x 1 ) 。响应系统方程为：x 2 = f ( t ，x 2 ) ，当t 一时，若 a x - - i l x a - x 2 1 i 专o ，则两个系统之间实现同步。 1 3 2 实现混沌同步的方案 自1 9 9 0 年p e c o r a 和c a r r o l l t 6 , 7 1 首先提出来的混沌同步方案以来，引起了人们广泛的关注， 掀起研究热潮，提出了很多类型的混沌同步方案。比如：驱动响应同步，耦合同步，输出反 馈控制方案p 7 】：自适应同步p 8 1 和外部噪声混沌同步方法p 9 1 等。在这里，我们把这几种同步方 法的进行简单的介绍。 ( 1 ) 驱动响应( p c ) 混沌同步 基本思想是利用一个混沌系统的输出信号去驱动另外一个混沌系统来实现这两个混沌系 统的同步。表明两个系统是单向耦合的。第二个系统被第一个系统的行为所决定，而不会去 影响第一个系统。原理如下： 设混沌系统为n 维复合动力学系统，分解成为两个子系统： v = 石( 矿，形) w = 正缈，形) ( 1 1 ) 式中，v 为驱动子系统；w 为响应子系统。利用v 作为驱动信号，复制一个与驱动系统完全相 同的系统作为响应系统，则表达式为： 形= l ( v ，w 。) ( 1 2 ) 假如系统式( 1 1 ) 和系统式( 1 2 ) 有完全相同的初始条件，两个系统之间能够保持同步。如 果系统是从不同的初始条件出发或者其中的响应系统受到外部扰动时，响应系统总是可以和 驱动系统在同一条轨道上的，即卜这时，a w = 0 形一形_ 0 ，这时驱动系统和响应系统 达到了的同步状态。然而在实际系统的操作中，很难成功地构造响应系统，所以这种同步方 法应用的范围是非常有限的。 ( 2 ) 耦合的同步方案 这种方法是在8 0 年代g a p o n o v 和c n e k h o v 等人对湍流研究时所采用的一种方法，它是通 过一定的耦合方式，把两个( 两个以上) 的混沌系统互相耦合起来达到同步。w u 和c h u a 对线 性耦合进行了一般的分析证明了：如果子系统之间的足够强的耦合就能够使各子系统的轨迹 趋向于同一轨道上，即达到同步。在1 9 9 0 年，w i n f u l 和r a h m a n 在理论上论证了半导体激光 器激光数字阵列系统的同步问题，因此，这种同步方法对实验及其理论研究具有非常重要的 意义。还有反馈控制方法；自适应同步方法和外部噪声混沌同步方法等，这里就不在介绍了， 可以参考相应的文献。它们都有自己的优点和缺点，但是它们之间也存在着一定的联系，因 此可以采用多种方法相结合进行研究。 1 4 激光器混沌同步的研究概况 5 西南大学全日制硕士学位论文第一苹绪论 在通信中，由于电路系统中带宽的限制以及高的损耗。近年来，激光混沌引起了人们研 究的热潮。研究表明，在各种激光器系统中发现了激光器输出呈现稳态、周期、准周期和混 沌现象。于是人们开始把注意力转到激光混沌通信。与电通信相比，光通信具有更大的带宽 以及较小的传输损耗，可以弥补电路混沌通信缺点，非常适合于远程通信。而且系统对参数非 常敏感，可以产生高维混沌信号p 1 ，柏4 1 1 。因此具有重要的研究价值和应用价值。 自从1 9 6 0 年激光器问世时，人们就发现激光器具有不稳定的输出，直到7 0 - 8 0 年代，这 一现象才被人们引起重视。1 9 7 5 年。h h a k e n 对m a x w e l l - b l o c h 方程进行坐标变换，把一个均 匀加宽单模半导体激光器的非线性耦合方程组化为了大气湍流中的l o r e n z 模型，预言将出现 混沌现象 4 2 1 。1 9 8 5 年，w e i s o 等人首先在n h 3 激光器中发现并证实h h a k e n 模型中的l o r e n z 模型有激光混沌现象，在进一步研究中，得出了许多激光混沌的性质【4 3 1 。在激光超混沌研究 方面，国外也有人报道了波长转换延时反馈产生激光超混沌行为的现象 4 4 1 。而我国也有许多 研究成果。1 9 9 6 年，学者方锦清提出了利用复数洛伦兹一哈肯系统及其高阶级联系超混沌系统 1 4 5 1 。1 9 9 8 年，西北大学的张纪岳和吴顺光通过对一个注入激光系统研究理论分析了激光超混 沌行为。 在混沌同步研究方面，1 9 9 4 年，1 lr o y 和i cs t h o m b u r g 首先在激光系统中实现了激光 混沌同步 4 6 1 。同年，t s u g a w r a 等人通过实验也实现了激光混沌同步 4 7 1 。va n n o v a z z i l o d i 等人分别于1 9 9 6 年、1 9 9 7 年实现了注入和延迟反馈激光器混沌系统同步 4 8 , 4 9 1 ，随后几个研究 小组分别利用分布反馈半导体激光器( d f b ) 、垂直腔面发射激光器( v c s e k ) 、激光二极管、 可调谐激光器( t l ) ，环形激光器( c l ) 和掺铒光纤激光器( e d f l ) 等的激光混沌系统实现了 激光器混沌同步【弛5 3 1 。1 9 9 9 年，a u c h i d e 等人利用p c 混沌同步方法在掺钕钒酸钇( n d ： y v 0 4 ) 激光器系统中实现了长时间的稳定激光混沌同步【5 4 】；同年，c l a u d i o 和s p e n c e r 分别 在分布式反馈半导体激光器( d f b ) 之间和垂直腔面发射激光器( v c s e l s ) 之间实现了混沌 同步，并研究了反馈系数、延迟时间和频率失谐对同步性能的影响【5 5 1 。2 0 0 0 年，c j u a n g 等 人利用自脉动激光二极管实现了激光混沌同步，并从理论上分析了系统的同步稳定性以及系 统的同步误差 5 q ；同年，h ec h e n 和j m l i u 等人提出了激光器开环激光混沌同步系统，从 理论上研究了激光相位以及激光器内部参数失配对系统同步性能的影响；l y u n 和i f i s c h e r 等人从实验证实了单向耦合开环光反馈激光器光混沌同步和两个可调谐激光器跳模混沌同 步，并对系统的同步性能进行分析；h f u j i n o 等人从实验上证实了单向耦合闭环光反馈激光 器光混沌同步【5 7 1 。2 0 0 1 年，a u c h i d a 等人从实验上研究了两个外腔光反馈多模半导体激光器 之间的单向耦合注入的混沌同步，并分析了各主要模式的动态行为以及同步性能情沉【5 8 】；同 年s s i v a p r a s a m 等人在实验室实现了多个发射系统输出的光混沌载波与接收系统相互注入的 混沌同步，为光混沌波分复用的实现提供了可能 5 9 1 ；s t a n g 和j m l i u 等人在实验上实 现了光电反馈半导体激光器混沌同步1 6 0 。2 0 0 2 年，许多研究小组从理论上和实验上进一步对 光反馈半导体激光器混沌系统、光注入半导体激光器混沌系统和非相干光反馈半导体激光器 6 西南大学全日制硕士学位论文第一章绪论 系统等激光混沌系统的混沌同步特性进行较为深入的研究，分析并讨论了各种激光混沌系统 同步区域、同步类型以及对参数失配的容忍性 6 1 , 6 2 。近年来，人们开始将目光投向双向通信和 多个激光器( 激光器串联和网状连接) 混沌同步特性的研究6 3 。7 0 1 ，这些都为激光混沌在保密 通信中的实际应用提供了重要的实验证明和理论基础。 1 5 激光混沌在保密通信中的研究概况 激光混沌同步被实现以后，激光混沌保密通信的思想也随之提出，1 9 9 4 年，p c o l e t 等人 提出激f 1 3 】光混沌数字通信的思想，随后，在1 9 9 6 年va l d o i 等人提出全光注入混饨同步系 统和全光延时反馈混沌系统，并研究了模拟通信和数字通信，分析了同步误差和系统参数的 影响，在理论上实现该系统比特率为5 m h z 的随机方波信号的保密通信 7 1 , 7 2 。1 9 9 6 年，c m n i a s s o 等人通过理论分析和数值模拟，结果表明在光反馈半导体激光器激光混沌同步保密通 信系统中，加密信号经传输长度2 0 0 公里光纤介质后，信号能够较好地恢复，在1 9 9 9 年从实 验上，验证了该系统的数值模拟结果 7 3 , 7 4 ，1 9 9 8 年，一些学者相继提出一些激光混沌通信体。 系，并研究混沌调制下信号对系统同步性的影响1 7 3 , 7 5 , 7 6 。1 9 9 9 年，a s a n c h e z - d i a z 和c 1 乙 m i l t a s s o 等人进一步数值模拟分析了光纤的非线性效应和加载信号的比特率对系统混沌同步 性的影响 7 3 , 7 7 。2 0 0 0 年，s s i v a p r a k a s a m 等人利用混沌隐藏调制( c m ) 方法和混沌同步解调 方法，在实验上成功实现了9 5 k h z 方波在外腔光反馈闭环半导体激光器混沌同步保密通信系 统的编码和解码【7 引。2 0 0 1 年，r r f l l o s 等人建立了非线性光纤环振荡器系统的激光混沌通信体 烈7 9 1 。f r o g i s t e r 提出了非相干光反馈半导体激光器的混沌同步通信系统。2 0 0 2 年，k k u s u m o t o 等人在外腔光反馈注入半导体激光器混沌系统中，实验上观察到了1 5 g h z 正弦信 号被调制到混沌载波后，经信道传输后，在接受激光器端，通过滤波器信号能够成功地恢复。 在半导体激光器的混沌保密通信系统中采用附加调制( a c m ) ，j m l i u 等人从理论上和实验 上实现了1 5 g b s 随机非归零码信号的保密通信【3 l 】。2 0 0 3 年，ez h a n g 提出采用掺饵光纤激光 器同步通信系统中，研究了光纤传输对混沌通信系统的影响i 鲫】。2 0 0 4 年，分析了多模半导体 激光器的混沌同步通信方案，提出了利用多模半导体激光器进行波分复用的设想【引，鲫。同年， 一些学者研究了双信道的外腔半导体激光器混沌光通信系统陋】。而近年来，人们把更多的目 光投向了多信道激光混沌保密通信，对其进行了深入的分析。 虽然在过去的十几年里，人们对激光混沌通信从理论上和实验上进行了大量的研究，也 取得了丰硕的成果，但是在实际的运用中，也存在着许多问题。主要有以下几个方面： ( 1 ) 噪声干扰。在实际传输中，混沌信号受到噪声的干扰是不可避免的。由于混沌信号 对对初始条件非常敏感，噪声的干扰将会直接影响混沌系统的同步性能，在混沌同步通信中， 传输过程中产生的噪声和传输过程中光纤的非线性效应和色散效应，都有可能影响混沌系统 的同步性能，甚至使系统失去同步，因此我们必须采取适当的方法来降低或消除接受到的信 号中的噪声成分。 7 西南大学全日制硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 参数匹配。严格的从理论上讲，混沌系统对参数匹配要求很高，参数匹配越精确， 混沌通信的保密程度也就越高。而在实际中，根本不可能做到两个参数或者多个参数精确匹 配的系统。因而在混沌同步通信中，选择一种较好的混沌同步方法，使系统在一定程度的参 数失配下，仍具有较好的同步性。 ( 3 ) 提高抗干扰和抗破译的能力。目前研究较多的混沌加密和混沌流密码方案，这只是 利用了混沌信号对初始条件敏感性，还没有进一步利用全部的混沌信号。研究结果表明，将 超混沌系统( 具有两个或者两个以上正的l y a p u n o v 指数) 几个混沌系统进行级联，或者通过 混沌数字化，混沌编码等方式，这些都可以大大增加窃听的难度，提高保密程度。随着人们 对混沌的不断深入研究，混沌同步和混沌保密通信技术将会在其他领域中发挥巨大的作用。 ( 4 ) 信道干扰。目前对混沌同步的研究基本上是理想信号，而实际的应用中，任何一种 传输信道，在传输过程中都有衰减，比如：相位的线性和非线性失真。在无线移动通信中， 可能还存在多径衰落和多普勒效应，当混沌信号通过这样的信道时，就会发生畸变。怎样消 除这一因素的影响，将是一个重要的研究课题