（光学专业论文）开环单向光混沌系统中广义与完全同步转换.pdf

独创性声明 ir ri rir itii iii i i i i l 18 8 2 8 6 7 学位论文题目珏丕皇自迸湿渔丕统主亡竖量完全圄垄整逸 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：及丽乱 签字日期：幽，年乡月 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：口不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：茑黔毛 签字日期：幽1 1 年弓月z 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：夏拐p 签字日期：u 1 1 年r 月2 - e l 邮编： ! 一 目录 摘! 1 2 l ：i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 混沌2 1 2 1 混沌的定义2 1 2 2 混沌的基本特性。3 1 2 3 通向混沌的道路3 1 3 混沌同步以及混沌保密通信研究现状4 1 3 1 混沌同步4 1 3 2 混沌保密通信研究现状4 1 4 激光混沌同步以及在保密通信的研究进展6 1 5 本文的研究意义和内容7 参考文献8 第二章半导体激光器光混沌理论模型1 4 2 1 引言1 4 2 2 光反馈半导体激光器混沌系统理论模型1 4 2 3 光注入半导体激光器混沌系统理论模型17 2 4 光电反馈半导体激光器混沌系统理论模型17 2 5 本章小结。18 参考文献18 第三章半导体激光器混沌同步特性。2 1 3 1 引言2 1 3 2 同步质量的衡量2 2 虬 3 3 完全同步2 2 3 4 广义同步2 4 3 5 本章小结2 5 参考文献2 6 第四章开环单向光混沌系统中广义与完全同步转换。2 8 4 1 引言2 8 4 2 实验装置：2 8 4 3 实验结果和讨论2 9 4 4 理论模拟与分析一3 2 4 5 本章小结3 4 参考文献3 4 第五章结束语3 7 攻读硕士期间发表论文3 8 致谢3 9 西南大学硕十学位论文 摘要 开环单向光混沌系统中广义与完全同步 转换 光学专业硕士研究生：李能尧 指导教师：夏光琼教授 摘要 激光混沌及混沌同步因其在保密通信、扩频技术和脉冲整形等领域有极大的 应用前景而受到人们的特别关注。在基于半导体激光器的开环单向耦合混沌同步 系统中，可能存在两种不同类型的混沌同步，即完全同步状态( c c s ) 和广义同 步状态( g c s ) 。由于系统呈现的混沌同步类型与反馈延迟时间、注入强度和反馈 强度、内参数失配以及频率失谐等参数密切相关，因此通过改变系统的工作参量 可实现完全同步状态与广义同步状态之间的相互转换，即实现混沌同步开关。基 于混沌同步开关现象，可开发出新型的混沌数字隐藏技术。因此，对基于半导体 激光器的开环单向耦合混沌系统同步状态的研究以及试验实现同步状态的精确调 控具有实际应用价值。 本文首先介绍了几种基于半导体激光器的光混沌系统，并基于光反馈单向耦 合激光混沌开环同步系统的理论模型，分析了系统呈现完全混沌同步和广义混沌 同步所满足的条件。在理论研究的基础上，实验搭建了一个基于半导体激光器的 开环单向耦合混沌系统。通过微调发射激光器的偏置电流实现对两个激光器之间 的频率失谐的精确控制，从而可对不同频率失谐下的系统混沌同步状态进行研究。 实验研究结果表明：在不同的频率失谐下，系统可呈现完全同步和广义同步两种 不同的同步类型。在较小的频率失谐( - 0 1 9g h z 0 9 5g h z ) ，混沌时间序列在传 输延迟时间与外腔反馈时间之差处得到了最大0 8 4 的关联值，而在传输延迟时间 处的最大关联值为o 7 8 。在这一频率失谐范围，系统呈现完全同步状态( c c s ) ：当 频率失谐超过上述范围，系统将表现为广义同步状态( g c s ) 。因此，通过连续调节 发射激光器的偏置电流，可实现完全同步和广义同步两种同步状态之间的转换。 理论仿真结果与实验所得结果趋势相同。 关键词：d f b 半导体激光器；混沌同步；广义同步；完全同步；频率失谐 八 两南大学硕十学伊论文 a b s t r a c t s w i t c h i n gb e t w e e ng e n e r a l i z e ds y n c h r o n i z a t i o na n d c o m p l e t es v n c h r o n i z a t i o ni no p e n 1 0 0 pu n i d i r e c t i o n a l o p t i c a lc h a o ss v n c h r o n i z a t i o ns y s t e m 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 ：n e n g y a ol i a b s t r a c t l a s e rc h a o sa n dc h a o t i cs y n c h r o n i z a t i o na 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 l a p p l i c a t i o n si ns e c u r ec o m m u n i c a t i o n s ，s p r e a d - s p e c t r u mt e c h n o l o g y , p u l s es h a p i n g ，e t c g e n e r a l l y , i nt h eu n i d i r e c t i o n a ld e l a yc o u p l i n gs e m i c o n d u c t o rl a s e rs y s t e m ，t h e r ea re t w ot y p e so fs y n c h r o n i z a t i o ns t a t e ，n a m e l yc o m p l e t ec h a o ss y n c h r o n i z a t i o n ( c c s ) s t a t e a n dg e n e r a l i z e dc h a o ss y n c h r o n i z a t i o n ( g c s ) s t a t e t h ec h a o ss y n c h r o n i z a t i o ns t a t e c l o s e l yr e l a t e dw i t l lf e e d b a c kd e l a yt i m e ，f e e d b a c kr a t i oa n d 画e c t i o nr a t i o ，i n t e r n a l p a r a m e t e rm i s m a t c h , f r e q u e n c yd e t u n i n g 口e t c t h e r e f o r e ，c h a n g i n gp a r a m e t e r so fs y s t e m , t h e s y s t e ms y n c h r o n i z a t i o n s t a t ew i l lb es w i t c h e db e t w e e nc o m p l e t ec h a o s s y n c h r o n i z a t i o ns t a t ea n dg e n e r a l i z e dc h a o ss y n c h r o n i z a t i o ns t a t e ，n a m e l ya c h i e v e d c h a o ss y n c h r o n i z a t i o ns w i t c h i n g b a s e do nt h es y n c h r o n i z a t i o ns w i t c h i n gp h e n o m e n a , a n e w d i g i t a le n c r y p t i o nt e c h n o l o g yc a l lb ed e v e l o p e d s o ，t h er e s e a r c ho fu n i d i r e c t i o n a l c o u p l i n gs e m i c o n d u c t o rl a s e rc h a o ss y n c h r o n i z a t i o n s t a t ea n dp r e c i s ec o n t r o lc h a o s s y n c h r o n i z a t i o no ne x p e r i m e n th a sp r a c t i c 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 , s e v e r a lo p t i c a lc h a o ss y s t e m sa r ei n t r o d u c e df i r s t l y a n db a s e do nt h e o p t i m a lf e e d b a c ks e m i c o n d u c t o rl a s e r su n i d i r e c t i o n a lc o u p l i n gm o d e l ，t h er e a l i z i n g c o n d i t i o n so fc c sa n dg c sh a v eb e e na n a l y z e d o nt h eb a s i so ft h e o r yr e s e a r c h , w e e s t a b l i s ht h e e x p e r i m e n t a l m o d e lo f u n i d i r e c t i o n a l l y i n j e c t e do p t i c a l c h a o s s y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m f r e q u e n c yd e t u n i n gb e t w e e nt w ol a s e r sc a nb ec o n t r o l l e d a c c u r a t e l yb ya d j u s t i n gt h eb i a sc u r r e n to ft r a n s m i t t e rl a s e rc a r e f u l l y ，a n dt h e nt h ec h a o s s y n c h r o n i z a t i o ns t a t eu n d e rd i f f e r e n tf r e q u e n c yd e t u n i n gv a l u e sc a nb ei n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mc a nb e h a v e sd i f f e r e n tt y p e so f s y n c h r o n i z a t i o ns t a t e sw h e nf r e q u e n c yd e t u n i n gi sd i f f e r e n t t h es y s t e mw i l lb e h a v e s n 两南大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p l e t ec h a o ss y n c h r o n i z a t i o nf o rf r e q u e n c yd e t u n i n gw i t h i nas m a l lr a n g e ( 一o 1 9 g h z 一0 9 5g h z ) ，w h e r et h eh i 曲e s tc o r r e l a t i o nv a l u eo fc c si s0 8 4a n dt h eh i 曲e s t c o r r e l a t i o nv a l u eo fg e n e r a l i z e dc h a o ss y n c h r o n i z a t i o ni s0 7 8 ；o n c et h ef r e q u e n c y d e t u n i n gi sb e y o n dt h i sr a n g e ，c h a o ss y n c h r o n i z a t i o nw i l lb es w i t c h e df r o mc c st o g c s t h e r e f o r e , s y n c h r o n i z a t i o ns w i t c h i n gb e t w e e nc o m p l e t es y n c h r o n i z a t i o na n d g e n e r a l i z e ds y n c h r o n i z a t i o nc a l lb ea c h i e v e db y 砌u s t i n gt h eb i a s 1 1 1 es i m u l a t i o n r e s u l t si na c c o r d a n c ew i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e y w o r d s ：d f b 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 ；g e n e r a l i z e d s y n c h r o n i z a t i o n ；c o m p l e t es y n c h r o n i z a t i o n ；f r e q u e n c yd e t u n i n g i 两南大学硕+ 学伊论文 绪论 第一章绪论弟一早三百了匕 1 1 引言 混沌广泛存在于物理，化学，生物以及社会科学各个领域。产生混沌的系统， 其动力学方程是确定的，但这种确定系统的演化行为却存在着随机性。 混沌学的研究热潮可以追溯到1 9 世纪末，法国数学物理学家庞加莱是第一个 真正发现混沌的人，他在研究天体力学中三体问题时发现了混沌。他发现三体引 力相互作用可以产生非常复杂的行为，而且具备确定性力学方程的某些不可预见 性，这就是我们现在所说的混沌现剩1 3 】。然而，近代对混沌学的研究起始于l o r e n z 对非线性系统复杂随机性行为的研究。他于1 9 6 3 年发表了一篇著名论文确定性 非周期流，随后又相继发表了三篇论文，这些成果是混沌学研究领域的一个重 大突破，成为后来学者研究混沌学的经典文献。l o r e n z 的研究成果揭示了混沌现象 的一系列基本特征，如确定性、非周期性、类噪声性、对初始条件极其敏感性、 不可预测性【4 卅等。另外，他在研究中发现了第一个吸引子，l o r e n z 吸引子，为混 沌的研究提供了一个具体的模型。 随着混沌学理论研究的深入，混沌在应用方面的研究也成为各个学科领域学 者关注的焦点。混沌信号的非周期性、类噪声特性，使其具备很好的屏蔽性。此 外，混沌信号最大的特点是对初始条件极其敏感，即便是完全相同的两个混沌系 统，从极其相近的初始条件演化，它们的运动轨迹【7 j 也会在极短的时间内变得互不 相干，这样，混沌信号将具有长期的不可预测性，从而具有很强的抗截获能力。 对于超混沌系统，运动轨迹更为复杂，混沌信号会更加复杂，但系统本身又是确 定的，因此产生混沌信号是比较容易的【8 】。混沌信号的高复杂性、随机性、隐蔽性， 而且易于实现，所以很适合应用于保密通信例。 但是，利用混沌的特性来实现保密通信，首先要解决的问题是如何实现混沌 同步 1 0 】。混沌同步，即混沌通信系统的发射系统中混沌载波信号与接收系统中混 沌信号的同步，并且与初始条件是没有关系的。然而，在发现混沌同步后相当长 的时间内都仅限于理论研究，实验上并没有实现混沌同步。混沌对初始条件非常 敏感，混沌与同步好像是对立的，实现混沌同步被认为是不可能的。直至1 j 1 9 9 0 年， 美国海军实验室的两名科学家l m p e c 幻r a 和t l c a r r o l l 在电学系统中发现了混沌 同步【l l 】，继而证明了混沌同步的可能性，随后不同结构的基于电或激光的混沌同 步系统相继被提出【1 2 之o 】，从此打开了混沌同步研究的新局面。 考虑到混沌在通信领域的潜在应用价值以及之前学者在该领域奠定的理论基 础。混沌保密通信首先应用在电通信系统中。但是，电路混沌系统只能产生低维 的混沌信号，信号容易被截获，而且混沌载波带宽很窄，满足不了现代高容量通 西南大学硕十学何论文绪论 信的需求，因此电路混沌并不适合长距离，高容量的有线通信。相比电路混沌系 统，光混沌系统具有极大的带宽和较低的衰减，且动力学系统非常复杂，抗截获 能力强，保密性能更好【2 1 1 。因此，对光混沌保密通信系统的研究具有极高的应用 价值。 1 2 混沌 1 2 1 混沌的定义 由于混沌系统十分复杂，人们至今还不是完全了解，因此还没有一个描述混 沌的统一的数学定义。目前为止，有几个常见的混沌定义：l i y o r k e 定义2 3 1 ， d e v a n e y 定义，m a r o t t o 定义，w i g g i n s 定义。其中，l i - y o r k e 定义最为人们所接受， 影响最大，其定义描述如下： 首先，引入l i y o r k e 定理：假设f ( x ) 在区间【如 上是连续的自映射，如果f ( x ) 有3 周期点，那么，对于任何正整数m ，f ( x ) 都有m 周期点。根据l i - y o r k e 定理， l i y o r k e 给出了混沌的l i - y o r k e 定义，即：对于连续的自映射f ( x ) ，i 一1cs ，i 是s 的一个子空间，若果有不可数集合尺，rc ，且满足下列条件： ( 1 ) 、r 不包含周期点； ( 2 ) 、对于任意给定的而少r ，( x y ) ，令厂”( ) = ( 厂( 厂( ) ) ) ，f ”( ) 表 示力重函数关系。有 l i ms u pl f 一( x ) 一厂一( y ) l 0 ；川 对于任意给定的五y r ，有 l i mw l 厂4 ( 石) 一厂”( j ，) i = o ( 1 2 ) ( 3 ) 、对于任意给定的x r 和厂的周期点p ，p 1 ，有 l i ms u pl f ”( x ) 一厂4 ( y ) i 0 ( 1 3 ) 则称厂在尺上是混沌。在混沌动力学系统中，是否存在混沌现象可以通过一些表 征来判断：一，某些参量对参数极其敏感，他们在几乎全部初始条件下都会产生 非周期动力学行为；二，混沌系统对初始条件极其敏感，初始条件有任何细微差 异的两个系统，一段时间过后，都会演化出不同的轨道；三、存在无限不稳定的 周期轨迹；四、正的l y a p u n o v 指数；五；有限的k o l m o g o r o v 墒；六、能量频谱 是连续的【2 4 】。 2 西南大学硕十学位论文绪论 曼曼曼曼量量曼曼曼! 曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼_ , - i i 1 1 1 1 2 2 混沌的基本特性 从以上的定义可知，混沌运动实际上是一种有限定常运动，这种运动是不稳 定的。定义反应出了混沌的有限性和不稳定性两大特征【2 5 1 。有限定常，即运动状 态不随时间而改变。这种运动局限于有限区域，而且轨道错综复杂，永不重复， 极类似随机运动，却又不完全是随机运动。这种独特的运动表现在： ( 1 )有界性。混沌有界，因为它的运动局限于一个固定的区域，混沌运动虽 然复杂，但是它的轨迹却不会超出这个区域，所以它的运动又是稳定的。 ( 2 )遍历性。混沌轨迹会经过区域内的每个状态。 ( 3 )内随机性。因为产生混沌的动力学系统是确定的，所以混沌运动也是确 定的，也就是说它的运动状态是可以预测的。 ( 4 )普适性。是指不同系统在快要达到混沌态时都会出现的共同特征，不会 随参数的不同而改变。 ( 5 ) 正的l y a p u n o v 指数。对于一个系统，只要他的l y a p u n o v 指数是正的， 我们就可以把它看作是混沌的，如果一个系统有两个或者两个以上的正 的l y a p u n o v 指数，这个系统称为超混沌系统。 ( 6 )对初始条件敏感性。只要有微小的变化，混沌系统都会变得不稳定，这 是混沌系统的本质特性。 1 2 3 通向混沌的道路 确定的动力学系统中，参数发生变化时，随着时间的推移，系统会由简单的 运动演化为复杂的混沌运动。目前为止，已发现四种通向混沌的路径2 睨8 】： ( 1 ) 倍周期分岔 e m y r b e r g 和b b m a n d e l b o r t 等人发现了这条通向混沌的道路。他们在研究 生态学的过程中，发现了一些复杂的动力学行为，包括分岔和混沌。不久，b b m a n d e l b o r t 发现混沌可以通过不断的周期加倍这种方式产生。具体途径是：系统 从稳定态到演化到倍周期态，再从倍周期演化为四倍周期态，再从四倍周期态演 化到无限倍周期态，最后演化为混沌吸引子。 ( 2 ) 准周期混沌 1 9 世纪7 0 年代，法国的两位科学家，et a k e n s 和d r u e l l e 提出了这种由准周 期通向混沌的路径。相比倍周期混沌道路，准周期混沌不是无限分岔，而是经过 少数( - - 、四次) 几次分岔就可以达到混沌状态。具体途径是：从平衡态到周期 态，再从周期态到准周期态，然后从准周期态直接到达混沌态。 ( 3 ) 间歇混沌 1 9 8 0 年，另外两个法国科学家em a n n e v i u e 和yp o m e a u 提出了一条新的通 3 两南大学硕士学伊论文绪论 向混沌的道路，即间歇混沌道路。当系统某参数值接近某个特定值时，系统表现 为周期运动，但当这一参数值逐渐偏离该特定值时，系统运动接近周期态，但这 时候的周期运动容易被短暂的混沌运动打破，周期运动和混沌运动交替出现，当 参数值进一步偏离特定值时，突发现象出现的频率越来越高，最后系统几乎完全 表现为混沌运动。 1 3 混沌同步以及混沌保密通信研究现状 1 3 1 混沌同步 混沌同步就是两个参数不同的混沌系统，经过一段时间后，他们的运动轨迹 几乎一致。l m p e e o r a 和t l c a r r o l l 首次在电路系统中发现了混沌同步，而且 提出了实现混沌同步的思想：建立驱动一响应系统 2 9 1 ，通过该系统可以实现混沌 同步。下面简述一下他们实现混沌同步的思想： 假设混沌系统是一个维非线性动力学系统j = f ( s ) ，将它分解成两个子系 统： i 毫= 石( s 。，是) l 岛= f 2 ( s l ，屯) ( 1 4 ) 其中，毫为驱动系统，如为响应系统。假使把i 。作为驱动信号，把两作为驱动信号， 复制出一个相同的响应系统，响应系统的表达式为： 如f 2 ( s l ，8 2 ) ( 1 5 ) 当式( 1 4 ) ( 1 5 ) 初始条件相同时，系统即可实现同步。但实际上，驱动系 统和响应系统的参数是不可能完全一致的，即便系统只是受到微小扰动，都可以导 致两系统的参数发生变化，这个时候响应系统是不是还处于稳定状态，这是一个 值得考虑的问题。我们来考虑一下系统的稳定条件： a s = l ( s l ，8 2 ) 一厂2 ( s 1 ，s 2 ) = p ，五( 乃，y 2 ) 6 y + o ( s 1 ，) ( 1 6 ) 其中，皿是响应系统的j a c b i a n 行列式，d ( _ ，s ：) 为高阶无穷小，当厶极小时， 有 a s = 皿正抚，y 2 。) 6 y ( 1 7 ) 如果s 2 是动力行为周期态，只要求出见六( 乃，咒) 的本征值就可以判断j ：的稳 定性。 1 3 2 混沌保密通信研究现状 经过几十年的发展，混沌同步在理论和实验上的研究已逐步成熟。混沌的类 4 两南大学硕十学何论文 绪论 噪声特性，以及对系统参数、初始条件的的高度敏感性，使得混沌信号具有极强 不可预测性和抗截获能力；另外，混沌同步系统本身又是确定的，由系统参数、 非线性动力学方程以及初始条件决定，使得混沌的产生和控制变得相对容易。将 源信号调制到近乎随机的混沌信号中，由接收机解调到与发射机参数相同或很小 一个范围时，两者同步，信号被还原出来，这样信号在传输过程中具有很高的保 密性，因此，混沌信号非常适合于保密通信【3 0 】。混沌系统行为不可预测，要使两 个或者多个混沌系统实现同步几乎不可能。但是可以通过适当的控制混沌系统， 使两个混沌系统在一段时间后实现同步。 混沌保密通信研究的发展状况主要表现在混沌同步法和保密通信方式的多种 多样 3 1 3 9 1 。到目前为止，常用的混沌同步方法：驱动一响应同步法、主动一被动 同步法、耦合同步法、自适应同步法、误差反馈同步法、嗍同步法、键波同步 法以及脉冲同步法等。这些同步方法主要可以归纳为三类，即一致同步、广义 同步【4 、相位同步【4 2 】。而混沌保密通信方式目前主要有混沌键控【4 3 1 、混沌遮掩【删、 混沌调制【4 5 】三种。这些方式的主要思想是把需要传输的信息按某特定的方式加载 到由一混沌系统( 发射系统) 产生的混沌信号上，该载波信号经由信道传输到接 收端后，由另一混沌系统( 接收系统) 重建出混沌信号，进一步解调出混沌载波 所携带的源信号。 1 9 9 0 年，c a r r o l l 和p e e o r a 首次发现并实现了混沌同步；次年，他们指出混沌 系统可以分解成两个子系统，驱动系统和响应系统，当满足一定条件时，这两个 子系统可以实现混沌同步。这一年，h u b e r m a n 等根据混沌控制思想提出了自适应 同步方法m 。1 9 9 2 年，i cp y r a g a s 提出了另外一种控制方法，连续变量反馈微扰 法【4 7 】。该方法是通过对非线性的连续控制来减少系统达到同步的时间，从而实现 混沌同步。同年，r o n g d 等提出了“l y a p u n o v 函数”法【4 s j ，通过判断最大l y a p u n o v 指数的正负来确定子系统的渐进稳定性。如果最大l y a p u n o v 指数为负，则子系统 是渐进稳定的，即两个混沌系统是渐进同步的。1 9 9 5 年，两位科学家vp a r l i t o z 和l k o c a r e v h 提出了主动一被动混沌同步方法【4 9 】。该方法可以无限制选择驱动信 号的优点，使其受到广泛的应用。 另外，对混沌保密通信方式的研究也有很大的进展。1 9 9 3 年，a vo p p e n h e i m 和k m c u o m o t 提出了混沌隐藏( c m ) 和混沌调制( c m ) 模拟通信【舡5 1 】，按照 这两种方式，他们在混沌电路系统中实现了混沌保密通信。此外，d e d i e u 等又人 提出了混沌数字键控( c s k ) 5 2 】等数字通信方式，随后的学者相继提出了改进的 混沌数字通信方式，如o o p s k 5 3 】、c o o k 等。为了增加混沌信号破解能力，l m p e c o r a 和t l c a r r o l l 又提出了串联混沌同步方案。 随着同步研究的进一步深入，d o u g l a s 等于1 9 9 4 年提出了混沌数字调制解调 5 。 两南大学硕十学伊论文绪论 方法【5 4 1 ，这一方法可以实现多路混沌保密通信。另外，h d e i e u 等又提出了利用 采样脉冲信号可以控制混沌态【5 5 】，根据这一思想，t s t o j a n o v s k i 等提出了一种基 于脉冲的混沌脉冲同步方法【5 引。 尽管混沌保密通信的理论和实验研究已经比较成熟，但目前还存在一些问题 需要展开进一步的研究，如： 参数匹配【57 1 、信道干扰、噪声影响以及如何提高抗 破译能力等。 1 4 激光混沌同步以及在保密通信的研究进展 在电路通信系统中，由于受到带宽的限制和系统的损耗，电通信已难以满足 现代高容量、远距离高速通信的需求。而光通信系统具有极大的带宽和低损耗， 很适合远程高速通信；另外，激光混沌的高复杂性使其又很适合于保密通信。近 年来，激光混沌保密通信的研究受到广泛的关注。 实际上，激光的输出不稳定性【5 8 , 5 9 早在1 9 6 0 年就被人们发现了。1 9 7 5 年， h h a k e n 预言了激光器的输出会有混沌现象出现。1 9 8 5 年，w e i s o 等发现并证实 了h h a k e n 预言的激光混沌现象。1 9 9 9 4 年，k s t h o m b u r g 和r r o y 在激光系统 中首次实现了混沌同步【删。同年，s u g a w r a 也在实验室实现了激光混沌同步。1 9 9 6 年，va n n o v a z z i l o d i 等按照混沌同步方法，实现了注入激光混沌同步系统的混 沌同步。1 9 9 7 年，va n n o v a z z i l o d i 利用反馈方法实现了反馈激光混沌系统的混 沌同步【6 1 】，此后，该小组相继用l d 、d f b 半导体激光器、v c s e l 、可调谐激光 器等激光混沌系统实现了混沌同步【6 2 拼】。1 9 9 9 年，a u c h i d e 等按照主动一被动同 步方式实现了基于n d y v 0 4 激光器的长时间稳定混沌同步【6 5 | 。同年，s p e n c e r 和 c l a u d i o 分别对基于v c s e l 和d f b 半导体激光器的混沌同步进行了研究，分析了 延时、频差、反馈对同步的影响嘲】。2 0 0 0 年，c j u a n g 等按照驱动一响应同步法 实现了激光二极管的混沌同步，并且讨论了同步误差及同步的全局稳定性。同年， j m l i u 和h ec h e n 利用同样的方法提出了开环混沌同步方案，分析了参数失配 以及激光相位对同步的影响【67 】；i f i s c h e r 和l y u n 实验研究了可调谐激光器之间 的混沌同步以及单向注入开环外腔延时反馈激光器混沌同步【6 8 】；h f u j i n o 等实验 研究了单向注入闭环外腔延时反馈激光器混沌同步【6 9 】。2 0 0 1 年，a u c h i d a 等根据 p c 同步方法，在实验上实现了单向注入光反馈多模半导体激光器之间的混沌同 步。同年，s s i v a p r a s a m 实现了一个光反馈半导体激光器与多个半导体激光器之 间的混沌同步，为混沌通信的波分复用技术提供了实验基础。此外，j m l i u 和 s t a n g 在试验上实现了光电反馈半导体激光器的高频混沌同步【7 0 】。2 0 0 2 年，很多 学者分别在理论和实验上对基于光反馈、光注入、光电反馈、非相干光反馈等各 种不同结构的激光混沌同步系统的同步特性进行了更为深入的研究，主要分析了 6 西南大学硕十学位论文 绪论 各种同步系统的同步类型、同步区域以及激光器一些重要参数对同步质量的影响 7 1 - 7 5 o 激光混沌同步的实现使得激光混沌保密通信在理论和应用上得以发展。激光 混沌保密通信的思想在激光混沌同步实现时便已提出。1 9 9 4 年，p c o l e t 等提出了 利用激光混沌来实现保密通信的想法【7 6 】。随后，va n n o v a z z i l o d i 等提出了两种 激光混沌保密通信系统一反馈混沌系统和注入混沌系统，并且基于该系统在理论 上实现了5 m h z 随机方波信号的保密通信。1 9 9 6 年，c r m i r r a s s o 等对光反馈半 导体激光器混沌保密通信系统进行了理论研究，研究结果表明加载在光混沌信号 中的信息经2 0 0 公里的光纤传输后能完好的恢复【7 。1 9 9 9 年，c r m j _ r r a s s o 研究 了加密信号比特率和光纤非线性效应对同步稳定性的影响【7 引。2 0 0 0 年，s s i v a p r a k a s a m 在实验上实现了9 5 k h z 方波在激光混沌通信系统中的加密和解密。 2 0 0 2 年，kk u s u m o t o 等在在实验上成功恢复了加载在混沌载波信号上的1 5 g h z 正弦信号。此后，j m l i u 在各种不同激光混沌保密通信系统中成功实现了2 5 g b s 随机非归零码的光混沌保密通信。2 0 0 5 年， 次实现了远距离激光混沌通信 7 9 】。近年来， 沌同步的研究上。 1 5 本文的研究意义和内容 a p o s t o l o sh r g y r i s 等在雅典和希腊首 研究学者又把注意力放在了多信道混 半导体激光器因具有尺寸小、寿命长、成本低、可集成、可直接高速调制等 众多优点，而成为通信、信息处理等领域不可缺少的基础器件。同时，半导体激 光器的非线性特性同样非常吸引人。在合适条件下，半导体激光器可以产生带宽 为数g h z 到数十g h z 的宽谱光混沌输出。这种宽谱混沌在高速远程保密光通信、 超高速率随机码获取、高精度混沌雷达的开发等多个领域初步展现出十分诱人的 应用前景。基于半导体激光器的光混沌同步系统是未来实现高速远程保密光通信 的主要候选者之一，近年受到相关研究者的极大关注。而如何实验实现半导体激 光器之间的混沌同步，以及对混沌同步进行有效实验调控，是真正技术实现的基 础前提。目前，国内对半导体激光器的混沌及其混沌同步还主要集中在理论方面， 相关的实验研究还比较缺乏。本文实验研究了基于d f b 半导体激光器的开环单向 耦合混沌同步系统的完全混沌同步状态( c c s ) 和广义同步状态( g c s ) 。进一步 的，本文还研究了如何实验实现在两种混沌同步类型之间的切换，从而为混沌同 步的有效调控提供了基础。另外，本文还进行了相关理论仿真研究，理论模拟结 果与实验基本符合。本文的研究内容结构如下： 在第一章，总结了混沌的发展历程，对混沌同步及激光混沌保密通信的研究 进展进行了归纳。 7 西南大学硕十学位论文绪论 曼曼曼曼曼曼曼罡量曼皇曼曼蔓i ii i i , 一 i i 蔓曼曼皇曼蔓鼍曼鼍皇曼曼曼曼皇 在第二章，描述了半导体激光器产生混沌的几种方式，分析了光注入、光反 馈以及光电反馈三种类型半导体激光器的理论模型。 在第三章，阐述了混沌同步的定义，介绍了混沌同步质量的衡量方法，分析 了完全同步和广义同步实现的条件。 在第四章，从实验和理论两方面深入的研究了开环单向光混沌系统中完全同 步与广义同步，以及如何在实验上实现两种混沌同步状态的转换。 在第五章，对本文进行了总结，展望了今后工作的方向。 参考文献 【1 王兴远，复杂非线性系统中的混沌，北京，电子工工业出版社，2 0 0 4 2 】陈式刚， 印象与混沌，北京，国防工业出版社，1 9 9 2 3 郝柏林，分岔、混沌、奇异吸引子、湍流及其他一关于确定性混沌的随机性， 物理学进展，v 0 1 3 ，p p ：3 2 9 ，19 8 3 【4 利昂格拉斯，从摆钟到混沌一生命的节律，上海：上海远东出版社，1 9 9 6 5 】e n l o r e n z ，d e t e r m i n i s t i cn o n - p e r i o d i df l o w s ，ja t o m ss c i ，1 9 6 3 ，2 0 ，p p ：1 3 0 - 1 4 1 6 b z h a n g , e ta 1 “s t u d yo nc h a o sa n ds t a b i l i t yi np e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r s ”，2 0 0 0 ，v 0 1 2 8 【7 j z y a n g , g h u , j h x i a o ，c h a o ss y n c h r o n i z a t i o ni nc o u p l e dc h a o t i co s c i l l a t o r s 丽m m u l t i p l ep o s i t i v el y a p u n o ve x p o n e n t s ，p h y s r e v l e t t ，19 9 8 ，8 0 ，p p ：4 9 6 - 4 9 9 8 李栩神，汪克林，郭光灿，汪秉宏，非线性科学选讲，合j j v , ：中国科学技 术大学出版社，1 9 9 4 ，p p ：3 5 1 0 2 9 r f d o u g l a s c h a o t i cd i g i t a le n c o d i n g ：a na p p r o a c ht os e c u r ec o m m u n i c a t i o n i e e e ，t r a n sc i r c u i t ss y s t i i 19 9 4 ，4 0 ，p p ：6 6 0 6 6 6 1o 】g h u , j x i a o ，j y a n g , e ta l ，s y n c h r o n i z a t i o no fs p a t i o t e m p o r a lc h a o sa n di t s a p p l i c a t i o n s ，p h y s r e v e 19 9 7 ，v 0 1 5 6 ，p p ：2 7 3 8 2 7 4 7 【1 1 】l m p e c o r aa n dt l c a r r o l l s y n c h r o n i z i n gc h a o t i cc i r c u i t s i e e et r a nc a s 1 1 9 9 1 ，3 8 ，p p ：4 5 3 - 4 5 6 12 r v i c e n t e ，t p 白e z ，c r m _ i l a s s o o p e n - v e r s u sc l o s e d - l o o pp e