（光学专业论文）基于非相干光反馈半导体激光器的混沌保密通信.pdf

摘要 基于非相干光反馈半导体激光器的混沌 保密通信 光学专业硕士研究生许黎 指导教师吴正茂教授 摘要 随着计算机和各种通信网络的日益普及，保密通信己成为计算机通信、网络、 应用数学、微电子学等有关学科的研究热点。混沌运动是指在确定性非线性系统 中出现的类似随机的行为。混沌信号具有遍历性、非周期、连续宽带频谱、似噪 声的特性，特别适合于保密通信领域。混沌同步的实现为混沌保密通信提供了理 论基础，使得混沌同步及其应用研究成为2 1 世纪大有发展前景的高新科技。作为 光通信系统中最理想光源的半导体激光器，通过反馈或外部注入可以产生较大混 沌载波带宽和高维混沌，从而成为目前的研究热点。基于此，本文将对半导体激 光器基于外部光反馈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。 本文首先系统的介绍了混沌理论的产生与发展，混沌的定义，混沌的基本特 征，通向混沌的道路及混沌同步的定义，混沌同步的一般判别法，并在此基础上 对基于反馈的混沌同步方法进行详细介绍。 然后研究半导体单模激光器的混沌特性。单模激光器的输出经过短时间的弛 豫振荡之后便达到稳定，不会出现混沌，因此本文研究通过反馈使其增加一个自 由度而达到混沌。反馈主要有两种方法：光电反馈和全光反馈；其中全光反馈同 步系统分为：相干光反馈和非相干光反馈，本文简要介绍了光电反馈，然后分类 介绍全光反馈。 相干光反馈同步系统又分为：完全同步系统和强注入同步系统。从m a t l a b 模 拟的发射系统和接收系统的输出可以知道，完全同步系统中两激光器的输出完全 一致，这必须要求两激光器高度一致；而强注入同步系统中，接收端的激光器处 于锁定的状态，副激光器的输出只会呈现出和主激光器的输出轨道相似的运动， 因此对两激光器没有特别的要求。在对参数失配模拟中我们也可以看到，完全同 步对参数失配非常敏感，只要存在很小的频率失谐或参数失配将很大程度的影响 阳南大学硕士学位论文 系统的同步性能，因此完全同步在实际中是很难实现的，而强注入同步对参数失 配又具有极好的容忍性，这就很可能导致数据在传输过程中被偷听者窃取。 本文重点研究的非相干光反馈同步系统是近年来提出的一种新型的混沌保 密通信方式中，由于非相干光反馈同步系统中的反馈光仅作用于载流子密度而不 作用于光场，因此频率失谐不影响系统的同步。本文根据非相干光反馈同步系统 的理论模型，数值模拟了系统的内部参数失配对系统同步性能的影响。结果显示： 非相干光反馈对参数失配的敏感度相对于相干光反馈同步系统来讲介于完全同步 与强注入同步之间，因此它既具有强注入同步系统一样易于实现的优点，也保留 了对参数失配的一定敏感性。 最后在非相干光反馈同步系统中对三种频率信号的调制和解调进行数值模拟 后得到，在信号调制时，不同频率的信号都能很好地隐藏于混沌光中。在信号解 调时，调制频率为2 5 0 m 时，采用c s k ( c h a o ss h i rk e y i n 曲，c m s ( c h a o sm a s l 【i n g ) 都能很好地解调出信号；但随着频率的增大到2 5 g 时，c s k 便不能解调出信号， c m s 的解调质量变差；当频率再次增大到1 2 5g 时，c s k ，c m s 都不能解调出信 号；而a c m ( a d d i t i v ec h a o sm o d u l a t i o n ) 即便在调制频率高达1 2 5 g 时，也能很好 地解调出信号。 关键词：半导体激光器混沌混沌同步相干光反馈非相干光反馈 a b s 缸a c t c h 舳s 驴c h r o n i z 舭n 0 fs e i i l i c o n d u 咖rl 嬲e r ss u b j e c t t 0o p 恤a l 做肋a c k 肌d i t s 印p c a 咖n s i ns e c u r e m a j o r ：o p t i c s a d v i s o r ： p r o z h e n g m a ow | u a u t h o r ：“x u ( s 2 0 0 5 0 9 9 9 ) a b s t r a c t w i t ht h ew i d eu s eo ft t l ec o n l p u t e ra i l dv 撕o u sc o m m u i l i c a t i o nn e 似，o r k s ，s e c r e t c o 瑚瑚u n i c a t i o nb e c o m e san e wr e s e a r c h i n gf o c u si nt h es c i e i l c ef i e l d so fc o r i l p u t e r c o m m u n i c a t i o n ，n e 觚o r k ，a p p l i c a t i o nm a t h e m a t i c s ，m i c m e l e c t r o n i c sa n ds oo n c h a o t i c m o t i o ni sac o m p l e xn o n l i n e a rn l o t i o n c h a o t i cs i 印a l s a r ee r g o d i c i t y a p 耐o d i e ， u i l c o n e l a t e d b r o a d b a i l da 1 1 dn o i s e l i k ea n dh a v eb e e np r o v e dt ob eu s e m lf o rs e c u r e c o m m u n i c a t i o n t h e r e f o r e ，c h a o t i cs y n c h r o n i z a t i o na i l di t s 印p l i c a t i o nh a v er e c e i v e d a 1 1 dg r o w i n gr e s e a r c hi n t e r e s t s e m i c o n d u c t o rl a s e r ( s l ) ，a st h eb e s to p t i c a lr e s o u r c ei n t h eo p t i c a lc o m m u m c a t i o n ，w t l i c hc a nr e d i z e1 a r g eb a n d - w i d t h ( a b o u ts e v e r a lg h z ) a n d h y p e r - d i m e n s i o nc h a o ss i 印a l( w i t h s o m ep o s i t i v ee n t h u s el y a p 眦1 0 ve x p o n e n t s ) t h r o u 瓯f e e d b a c ko ri n i e c t i o n ，h a sb e e ne n m u s i a s t i c a l l ys t u d i e d m t h i sp a p e r m e c h a o t i cc h a r a c t e r i s t i ca n ds y i l c h r o l l i z e dp r i n c i p l eb a s e do ns ls u b je c t t oo p t i c a l f e e d b a c ka 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 ni n v e s t i g a t e d f i r s t l y ，t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e ss y s t e m a t i c a l l yb a s i cc o n c 印t so fc h a o sa 1 1 dc h s s y n c h r o i l i z a t i o n ：( d e f i l l i t i o n ，m a i nf e a t u r e ，t h ew a yt oc h a o sa 1 1 dh o w t oj u d g ec h a o s s y i l c h r o n i z a t i o n ) ；a n dt h ec h a o ss y i l c h r o n i z a t i o ns u b j e c tt of e e d b a c ki sa l s oi n 仰d u c e d s e c o n d l y ，t h ep a p e rd i s c u s s e dm ec h a o so fs l t h e r ea r et w of e e d b a c kw a y s l e a d i n gt h el a s e rt oc h a o s ：o p t o e l e c 仃o n i cf e e d b a c ka i l do p t i c a lf e e d b a u c k ，w h e r et h e o p t i c a lf e e d b a c ki n c l u d e sc o h e r e n to p t i c a lf e e d b a c ka i l di n c o h e r e n to p t i c a lf e e d b a c k c o h e r e n to p t i c a lf e e d b a c ks y n c h r o n i z a t i o ns y s t e mc a l lb ed i v i d e di n t o 俩o c a t e 9 0 d e s ：c o m p l e t es ) ，i l c h r 0 i l i z a t i o na i l d 咖e c t i o n l o c k i i l gs y n c h r o i l i z a t i o n c o m p l e t e 西南大学硕十学位论文 s y n c h r o n i z a t i o nh a sh i 曲s e c r e c y ，b u ti ss e n s i t i v et om ep a r a m e t e r sm i s m a t c h i ft h e r e e x i s t ss m a l lo s c i l l a t i n g 丘- c q u e n c yd e t u n i n go rp a r 锄e t e r sm i s m a t c hb e t w e e nt h e 锄i t t i n gl a s e ra i l dr e c e i v i n gl a s t h es ) ，n c l l r o n i z e dp e r f 0 m a n c ew i l l 铲e a t l yd e c 陀a s e t h e r e f o r e c o m p l e t es y n c h r o n i z a t i o n i s h 2 u r d l y r e a l i z e di n p r a c t i c e a sf o r i 坷e c t i o n l o c k i n gs y n c l l i 。o i l i z a t i o n ， i th a u s g o o dt 0 1 e 啪c et op a r 锄e t e r sm i s m a t c h h o w e v e r ，t h es e n s i t i v i t yl o w e r i n gt op a r 锄e t e rm i s m a t c hw i l ll e a dt 0t l l es e c u r i t y d e c l i n e u n l i k ec o h e r e n to p t i c a lf e e d b a c k ，t h es y n c h r o n i z a t i o ns y s t 锄s u 功e c tt oi n c o h e r e n t o p t i c a lf e e d b a c ka c t so n l yo nt h ec a r r i e rd e n s i t yi nt h el a s e rr a t h e rt h a l lm eo p t i c a lf i e l d ， s oi td o e sn o td 印e n do n1 0 c l ( i n go fo p t i c a lc 枷e r 丘e q u e n c y i i lt h i sp 印e r ，b a s e do nt h e m e o r e t i c a lm o d eo ft h ei n c o h e r e i l to p t i c a lf e e d b a c ks y s t e m ，m ei n f l u e n c eo fm ei n t e m a l p 觚眦e t e rm i s m a t c ho nt 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 c so fm e c h a o t i cs y s t e mh a sb e e n i n v e s t i g a t e d c o i n p a r i n gw i t ht w os t y l e so fc h a o t i cs y s t e mw i mc o h e r e n t 叩t i c a l f e e d b a c k ，t h ec h a o t i cs y s t e mw i t hi n c o h e r e n to p t i c a lf e e d b a c ki sn o to n l ye a s i e rt op u t i n t op r a c t i c et h a nt h ec o m p l e t es y n c l l i 。o i l i z e dc o h e r e n to p t i c a lf c e d b a c ks y s t e mb u ta l s o h 嬲h i 曲e rs e c u r i t yt h a i li 坷e c t i o n - l o c k i n gs y n c h r o i l i z a t i o nc o h e r e n to p t i c a lf e e d b a c k s y s t e m u s i n ge 1 1 c o d i n go fc h a o ss h i f tk e y i n g ，t h em e s s a g ec a i lb eh i d d e ne 伍c i e n t l y d 嘶n gt h et r a n s m i s s i o na n d d e c o d e de a s i l yi nt h er e c e i v e r f i n a l l y ，b a s e do nt h em e o r e t i c a lm o d eo ft h ei n c o h e r e mf e e d b a c ks y s t 锄，m e s s a g e e i l c o d i n ga i l dd e c o d i n go ft h ei n c o h e r e n to p t i c a lf e e d b a c ks y i l c h r o n i z a t i o ns y s t e ma r e s t u d i e dn u m e r i c a l l y t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h em e s s a g ec a nb eh i d d e ne m c i e n t l y d u n gt h et r a n s m i s s i o nf o ra l le n c r y p t i o ns c h e m e s ；f o rm eb i tr a t ei s2 5 0 m b s ，吐屺 m e s s a g ec a nb ed e c o d e de 弱i l yi nt h er e c e i v e rw i t hc s k ( c h a o ss h i rk e 姐n g ) a 1 1 dc m s ( c h a o sm a s l ( i n g ) ；w h e nt h eb i tr a t ei n c r e a s e st o2 5 g b s ，m em e s s a g ec a ni l o t b e d e c o d e dw i t hc s k ，m eq u a l i t yo fd e c o d i n gm e s s a g ew i mc m sb e c o m e sb a d ； f u r t h e m l o r e ，w h e nt h e 仃e q u e n c yi n c r e 嬲e st o1 2 5 g b s ，t h em e s s a g ec a l ln o td e c o d e d w i t hb o t hc s ka n dc m sb u tc a nb ed e c o d e de 弱i l yw i ma c m ( a d d i t i v ec h a o s m o d u l a t i o n ) 1 确唧o r d ： s 锄i c o n d u c t o rl 嬲e rc h a o sc h a o t i cs y n c h r o n i z a t i o ns e c u r e c o 瑚m u n i c a t i o nc o h e r e n t o p t i c a l f e e d b a c ki n c o h e r e n to p t i c a l f e e d b a c k 独创性声明 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 标注。 学位论文作者： 奄码 签字日期：沙场年绎月移日 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部可以将学位论文的 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：醋不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：暂锯 签字日期： 瑚年手月形日 鬣功叩z 7 日 签字日期：乙哪年垆月z 7 日 第一章绪论 1 1 混沌发展概述 第一章绪论 混沌【l 7 】本质上是由确定性系统产生的非常复杂的类似随机的非线性运动，广 泛地存在于自然界，诸如物理、化学、生物学、地质学以及技术科学、社会科学 等各种科学领域。混沌描述的系统，其动力学方程是完全确定的，然而这种系统 的长期演化行为却存在着随机性。在这里，确定性的动力学规律描述的系统出现 了统计性结果使矛盾的两个方面得到了辩证的统一。 混沌学的研究热潮开始于2 0 世纪7 0 年代初期，但这门新学科的渊源可以追 朔到1 9 世纪末。公认为真j 下发现混沌的第一位学者，是1 9 世纪伟大的法国数学 物理学家庞加莱( p o i n c a r e ) ，他是在研究天体力学，特别是在研究三体问题发现 混沌的。他以太阳系的三体运动为背景，证明了周期轨道的存在。他详细研究了 周期轨道附近流的结构，发现在所谓双曲点附近存在着无限复杂精细的“栅栏结 构”。他发现了三体引力相互作用能产生惊人的复杂行为，还有确定性动力学方程 的某些不可预见性，这就是我们现在讲的动力学混沌现象。1 9 0 3 年庞加莱在他的 科学与方法一书中提出了庞加莱猜想。他把动力学系统和拓扑学有机地结合 起来，并指出三体问题中的解在一定范围内是随机的，成为世界上最先了解混沌 存在的可能性的第一人【1 1 。1 9 1 8 年，gd u m n g 对非线性系统进行深入细致研究， 建立了b u m n g 动力学方程。1 9 2 7 年，荷兰学者bv 抽d e rp o l 在研究非线性电路时， 建立了v d p 动力学方程，它和d u 伍n g 方程都是现代混沌学研究中的典型混沌动 力学方程。 直到2 0 世纪6 0 年代，混沌学的研究迎来了两个重大突破。第一个突破发生 在保守系统为研究对象的天体力学领域，k a m 定理被公认为创建混沌学理论的历 史性标记。另一个突破是l o r e n z 在耗散系统中完成的。l o r e n z 用计算机模拟一个 由三阶微分方程描述的天气模型时发现，在某些条件下同一个系统可以表现出非 周期的无规则行为。l o r e n z 对传统的理论产生怀疑，以巨大的勇气向传统理论提 出了挑战，揭示了计算机模拟结果的真实意义。在耗散系统中首次发现了混沌运 动。他于1 9 6 3 年发表了著名论文确定性非周期流，以后又陆续发表了三篇论 文，这些论文是混沌研究的第二个突破，成为了后来研究混沌现象的经典文献。 l o r e n z 揭示了一系列混沌运动的基本特征，如确定性非周期性、对周期的敏感性、 长期行为的不可预测性等，他还在混沌研究中发现了第一个奇异吸引子一l o 彻1 z 吸 引子，他为混沌研究提供了一个重要模型，并最先在计算机上采用了数值计算方 法进行具体研究，为以后的混沌研究开辟了道路。 西南人学硕士学位论文 1 9 7 5 年，美籍华人学者李天岩( t yl i ) 和美国数学家约克( j a y o r k ) 在美国数 学月干i j 发表了题为“周期3 意味着混沌”的著名文章，深刻地揭示了从有序到 混沌的演化过程。这被认为是对混沌的第一次正式表述，c h a o s 一词也自此被正式 使用【3 】。后来，l i 和y o r k 的观点在许多方面都得到了推广。1 9 7 6 年，r m m a y 研究了一维平方映射，并指出了非常简单的一维迭代映射也能产生复杂的周期倍 化和混沌运动。1 9 7 7 年夏天，物理学家j f o r d 和gc a s a t i 在意大利组织了关于混 沌研究的第一次国际性科学会议，仅一步营造了混沌研究的气氛。1 9 7 8 年，m j f e i g e n b a u m 等人在此基础上发现了倍周期分岔现象中的标度性和普适常数，从而 使混沌在现代科学中有了坚实的理论基础。1 9 7 9 年，p j h o h l l e s 作了磁场中曲片 受简谐激励时的振动试验，发现激励频率和振幅超过某个特定值之后，就会出现 混沌振动。1 9 8 0 年，意大利的v f 啪c e s c h 诚用计算机研究流体平流时，发现周 期倍化现象，验证了费肯包姆( f e i g e n b a u m ) 常数。1 9 8 1 年，美国麻省理工学院 的p s l i n s a y 第一次用试验证明了f e i g e n b a u m 常数。1 9 8 9 年，召开了美苏混沌讨 论会。1 9 9 0 年，在德国专门召开了分岔与混沌研讨会。1 9 9 1 年4 月，日本联合大 学与东京大学共同召开“混沌对科学与社会的影响”国际会议。1 9 9 1 年1 0 月，在 美国召开了首届混沌试验讨论会。这些会议的召开促进了混沌学研究的世界性热 潮的到来。进1 0 年来，混沌科学更是与其他科学互相渗透，无论是在生物学，生 理学，心理学，数学，物理学，电子学，信息科学，还是天文学，气象学，经济 学，甚至是音乐，艺术等领域，混沌都得到了广泛的应用，在众多学科中掀起了 一股借势混沌现象，研究混沌理论的热潮。如今，混沌的发现被认为是2 0 世纪物 理学三大成就之一，可以说“相对论消除了关于绝对空间与时间的幻想；量子力 学则消除了关于科控测量过程中的牛顿式的梦；二混沌则消除了拉普拉斯关于决 定论式克预测性的幻想”。正如混沌科学的倡导者之一，美国海军军部官员m s h l e s i n g e r 所说的那样“2 0 世纪科学奖永远铭记的挚友三件事，那就是相对论，量 子力学和混沌”，它在整个科学中所起的作用相当于微分学在1 8 世纪对数理科学 的影响。混沌学的创立，将在确定论和概率论这两大科学体系之间架起桥梁，它 将揭开物理学，数学乃至整个现代科学发胀的新篇章。 1 2 混沌同步的研究现状与应用前景 由于受混沌对初始条件扰动及其敏感的特性影响，人们一直认为混沌是不可 控的，从6 0 年代混沌研究的j 下式兴起到8 0 年代，仅有h u b l e r p e t t i n i 和f o w l e r 极少数的几个人对混沌控制的可能性进行了探讨，大多数的研究者都下意识地排 除了这种可能性。直到1 9 9 0 年美国马里兰大学的物理学家o t t ，g r e b o 百和y 0 r k e 所做的开创性工作，提出了通过对参数的微调以控制混沌的o g y 方法，这项工作 2 第一章绪论 可以说是混沌开始应用于控制的第一个里程碑；同年，美国海军实验室的专家 p e c o r a 和c a m l l 【8 】提出了混沌同步的概念；1 9 9 4 年，s c m 伍等提出了混沌反控制的 概念及方法。这些开创的方法激发了人们对于混沌控制【9 l 理论与实验室研究的浓厚 兴趣，并向世人展开了诱人的应用前景。 随着混沌研究的兴起，混沌理论研究和应用研究相互促进。进入9 0 年代，混 沌迎来了快速发展时期，尤其一些研究格外活跃，混沌的一些新理论和方法也在 应用中得到了拓展。近年来，由于混沌控制等方面取得的研究进展，经取得了很 多成果。人们已提出了多种混沌系统同步方案，从早期的驱动一响应同步法、主 动一被动同步法、耦合同步法、反馈同步法等到近几年的自适应同步法、基于状 态观测器的同步法、脉冲同步等【l o 。2 1 1 。人们对混沌的控制从单纯的抑制或消除所 有的混沌行为发展为：一方面对于有害的混沌，如等离子体，电路，机械振动和 化学反应等许多视觉系统中的不规则行为，设法找到有效的控制方法使之变成规 则行为，实现从混沌到有序的转变；另一方面，对于有利的混沌行为，通过采取 某些控制方法来增强或产生混沌，以便于利用混沌特征，得到人们希望的具有更 高性能的系统，如混沌保密通信等。 混沌系统的同步化就是为一混沌系统施加控制，使该系统的轨迹和另一混沌 系统的轨迹相一致；或对两个混沌系统同时施加控制，使他们的轨迹相一致。因 而混沌系统的同步化问题其实是一类特殊的混沌控制问题，其希望轨迹为混沌轨 迹。混沌同步，从总体上来说，属于混沌控制的范畴。 1 3 混沌保密通信 早在1 9 9 3 年c u o m okm 等人便提出了混沌保密通信方案，其潜质也在实验 室得到了广泛的认可。混沌的宽带谱和伪随机特性，以及同步实现的可能性，使 其非常适合应用于通信中的信息传输和信息加密。采用混沌作为及函数和在波函 数传输数字、模拟信号的方法有多种。混沌被用于保密通信主要有两种方式，一 是利用混沌系统同步进行保密通信，二是利用混沌映射自身的特性构造密码，以 达到信息加密目的。利用混沌同步经行保密通信属于加密范畴；利用混沌构造密 码，属于信源加密范畴。 混沌信号并非随机却貌是随机，具有非周期性、连续宽带谱、类噪声的特性， 具有异常复杂的运动轨迹和不可预测性，使它具有天然的隐蔽性，适合作为保密 通信的载体。一般而言，混沌保密通信在发送端，把信息表示成具有混沌特性的 波形或者信息的载体。一般而言，混沌保密通信在发射端，把信息表示成具有混 沌特性的波形或者信息的载体，多数情况下，这个信号又作为同步发射端和接收 端混沌系统信号。另外，混沌系统本身是确定的由非线性系统的方程、参数和初 3 西南大学硕士学位论文 始条件所完全决定，从而易于产生和复制出数量众多、非相关、类随机而有确定 的混沌序列。混沌信号的隐蔽性、不可预测性、高度复杂性和易于实现的特点使 得它特别适用子保密通信。混沌保密通信要求发射端和解手端的混沌系统同步， 这样混沌同步就成为混沌保密通信的关键和重要的理论基础。 近年来，混沌控制理论趋于成熟，为保密通信奠定了理论基础。在基于混沌 同步的保密通信系统中，加密是一种动态加密方法，其处理速度与密钥长度无关； 混沌自同步是通过混沌载体流对接收端的驱动作用实现的。 1 4 激光混沌及激光混沌同步研究现状 激光混沌是近几年来崛起的一个新领域。激光混沌同步系统具有动力学行为 复杂，对参数失配具有极高的敏感性，结构简便，能与其他的一些光学器件很好 兼容，并且没有电路系统中带宽的限制以及较高的损耗，因而人们开始把注意力 转移到激光混沌保密通信中。更在2 0 0 5 年，a p o s t 0 1 0 s 衄妒s 等人首次在希腊， 雅典的网络中实现了激光混沌通信，证实了激光混沌通信的实际可行性【2 2 1 。 激光器输出的不稳定性在1 9 6 0 年问世时就被人们发现，但直到7 0 8 0 年代这 一现象才被人们重新注意。1 9 7 5 年，h h a l 【e n 利用m 觚w e l l b l o c h 方程并通过坐标 转换，把描述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大气对流 中l 0 r e n z 模型，预言其将有混沌现象出现。1 9 8 5 年，w d s o 等首先在n h 3 激光器 中发现并证实h a l 【e n 模型的l o r e n z 型激光混沌现象，以后又进一步研究了激光混 沌的许多性质【2 3 】。1 9 8 5 年，c a s p e r s o n 在研究非均匀加宽x e 激光器中观察到由于 模分裂不稳定性而产生的激光自脉动，并用m a ) 【w e l l s c h r 6 9 e r 半经典方程模型解 释这一现象【z 4 。 在激光超混沌研究方面，1 9 9 6 年，中国原子能科学研究院方锦清提出复数洛 伦兹哈肯系统及其高阶级联系超混沌系统【2 5 1 。1 9 9 8 年，中国西北大学张纪岳和吴 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。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【2 6 】。 1 9 9 4 年，r r 0 y 和k s t h o n l b u r g 在激光系统中实现了激光混沌同步【2 7 1 。 同 年，t s u g a w r a 等也在实验室中实现了激光混沌同步【2 8 】。1 9 9 6 年，v 岫o v a z z i l 0 d i 等应用混沌同步方法实现了注入激光混沌系统同步【2 9 】，次年，va m n o v a z z i l o d i 等再次利用混沌反馈方法实现了延时反馈激光混沌系统的同步【3 0 】，随后几个研究 小组分别用激光二极管、分布反馈半导体激光器、垂直腔面发射激光器、环形激 光器，可调谐激光器和掺铒光纤激光器等的激光混沌系统实现了同步【3 1 0 6 1 ，1 9 9 9 年，a u c l l i d e 等利用主动一被动混沌同同步方法实现了n d ：w 0 4 激光器系统的 激光混沌长时间的稳定同步【了7 1 ，同年，c l a u d i o 和s p e n c e r 分别对分布式反馈半导 4 第一章绪论 体激光器和垂直腔面发射激光器中实现了同步，并研究了频差、反馈量、延时效 应对同步的影响【3 8 刁9 1 。2 0 0 0 年，c j u a i l g 等利用驱动一响应混沌同步方法计算了 最大l y a p u n o v 指数，实现了自脉动激光二极管激光混沌同步，分析了同步的全局 稳定性和同步误差【4 0 1 ，同年，基于同样的方法，h f c h e n 和j m “u 提出了开环 激光混沌同步的方法，分析了激光相位，参数失配因素对同步的影响，这一年， l 和i f i s c h e r 等实验证实了两个可调谐激光器跳模混沌同步【4 卜4 2 】和单向耦合 开环外腔延时滞后反馈激光器光混沌同步，接着h f u j i n o 等实验上观察了单向耦 合闭环外腔延时滞后反馈激光器光混沌同步1 4 引。2 0 0 1 年，a u c l l i d a 等利用p c 同 步方法，实验上观察了单向耦合注入外腔时延光反馈多模半导体激光器各主要模 式的动态行为以及同步情况【4 4 1 ，同年，s s i v 印r a s 锄等实验小组实验上实现了多 个受到发射系统的光混沌载波注入的接收系统之间的同步【4 5 1 ，这为实现混沌解波 分复用的实现提供了可能，紧接着观察了延时光反馈半导体激光器系统预先混沌 同步【4 6 1 ，这一年，s 胁g 和j m “u 等实验观察了光电反馈半导体激光器高频 混沌同步【4 7 】。2 0 0 2 年，许多研究小组进一步从实验上和理论上对光注入半导体激 光器混沌系统、光反馈注入半导体激光器混沌系统等激光混沌系统的混沌同步特 性进行深入的分析，重点讨论了各种激光混沌系统同步区域以及同步类型【4 ”】。 最近几年，人们又开始关注多信道激光器混沌同步特性【5 5 。5 8 】，为激光混沌保密通 信在波分复用上的实际应用提供了理论依据和实验证明。 1 5 本文的研究内容和意义 半导体激光的混沌和混沌同步特性及区在保密通信中的应用成为目前研究的 热点，其中基于相干光反馈的混沌同步得到了人们的广泛关注，但是相干光反馈 的两种同步类型都存在着相应的缺点，目前有学者提出了非相干光反馈，集合了 光反馈的优点，又克服了相干光反馈某些缺点，是一种很有发展潜力的混沌保密 通信方式，但是非相干光反馈混沌同步没有得到人们的广泛关注。 在第一章，主要总结了混沌研究的发展，并对激光混沌的发展历程进行了简 单的归纳； 在第二章，简要介绍了混沌、混沌同步的的相关知识，并对基于反馈的混沌 同步方法进行了简单的概括性介绍； 第三章，研究半导体激光器的混沌特性，重点研究了延时光反馈半导体激光 器的混沌特性； 第四章，重点研究延时光反馈中相干光反馈的混沌特性。分别从相干光反馈 5 西南大学硕十学位论文 的两种类型：完全同步和强注入同步，分析相干光反馈的优缺点。 第五章，重点研究延时光反馈中非相干光反馈的混沌特性，并与相干光反馈 作对比，总结非相干反馈的优势； 第六章，模拟不同频率信号在非相干光反馈混沌同步系统中的传输。 参考文献： 1 】王兴远，复杂非线性系统中的混沌，北京，电子土业出版社，2 0 0 4 【2 】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 cf l o w s ，ja t o m ss c i ， 19 6 3 ，2 0 ：13 0 - 1 4 1 3 】t yl i ，j a y 0 r k e ，p 嘶o dt 1 1 r e eh n p l i e sc h a o s ，a m 丽c am a t l lm o n t h ，1 9 7 5 ，8 2 ： 9 8 5 9 9 2 4 】“uw e n b o ，y us h e i l g l i n ，c h a o sa p p l i c a t i o ni nm e 嬲u r 锄e m ，t r 趾s a c t i o no fn 锄i n g l n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c s & a s t r o n a u t i c s ，2 0 0 2 ，2 0 ( 2 ) ：1 4 5 】p a r e n a ，e ta 1 ，a ni n t e 黟a t ed c h u a l c e l lf o rt h ei m p l 锄即t a t i o no fac h u g ：a r r a y ， b i 向r a t i o na i l dc h u 舔，2 0 0 4 ，1 4 ( 1 ) ：9 3 1 0 5 6 】l m p e c o r a ，t l c a 玎0 1 1 s y r l c h r 0 i l i z a t i o ni nc h a o t i cs y s t 唧s ，p h y sr e vk t t ，19 9 0 ， 6 4 ( 8 ) ：8 21 8 2 4 【7 】s c h e n ，j l i ，p a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o n 趾ds y n c h r o n i z a t i o no fc h t i cs y s t 锄s b 嬲e du p o na d a p t i v ec o n t r o l ，p h y sl e t ta ，2 0 0 2 ，2 9 9 ：3 5 3 3 5 8 【8 】p e c o r am ，c 棚ul ，s y n c h r o n j 翻t i i i lc h t i cs y s t e m s p h ) ，s i c a lr i e v i e wk 仕e 瑙1 9 9 0 ， 6 4 ( 8 ) ：8 21 8 2 3 【9 】吕锋，樊冰，吴丹雯四种新型加密技术的比较研究。计算机应用研究，2 0 0 2 ，1 1 ：5 7 【1 0 】j f e n g ，s c h e n ，ac l a s so fq u a d r a t i ch 锄i l t o n i 锄s y s t e mu n d e rq l 埘d m t j cp e n u r b a t i a c t a ，m a t h s c i e n t i a2 0 0 1 ，2 1 ( b ) ( 2 ) ：2 4 9 - 2 5 3 1 2 】a g i z ahn ，y 瓠s e nmt ，s y i l c h r o n i z a t i o no fl b s s l e r 锄dc h 锄c l l a o t i cd y m n l i c a ls y s t c m s u s i n ga c t i v ec o n 仃d lp h y sl e t t a ，2 0 0 1 ，2 7 8 ( 4 ) ：1 9 1 1 9 7 【13 】h om c ，h 岫gy - c ，s ”c h r o n i z a t i o no f 僦od i a 融砌吡s y s t e m sb y 璐吨g e i l e r a l i z e da c t i v e c o n 们lp h y sk t t a ，2 0 0 2 ，3 0 l ( 5 6 ) ：4 2 4 - 4 2 8 【1 4 】b o c a l e t t is ，i ；沁t l l s ，j ，o s i p o vg ，e t a l ，1 1 1 es ) ，i l c h r o n i z a t i 伽o f c h a o t i cs y s t e i 璐，p h y sr e p ，2 0 0 2 ， 3 6 6 ：l - 1 0 1 1 1 】l i a ot l ，a d 印t i v es y n c l o m z a t i o no f 铆ol o r a 【1 zs y s t e m sc 1 1 a o s ，8 0 i i t o 舾& f h c t a l s ，1 9 9 8 ，9 ( 9 ) ：1 5 5 5 一1 5 6 l 【1 5 】l i a ot - l ，l i i ls h ， a d a p t i v ec o n 血d la n ds y r k h r o n i 硪t i o no fk 鹏北s ) r s t e i l l s ，j o 咖a lo f f i 诎1 mi 璐t i t u t c ，1 9 9 9 ，3 3 6 ：9 2 5 9 3 7 6 第一章绪论 16 】d ib e m a d om ， ap u r e l ya d a p t i v ec o n 们l l e rt os y n c h m n i z ea i l dc o n 仃d lc h a o t i cs y s t e i i l s ，p h y s k t t a ，1 9 9 6 ，2 1 4 ：1 3 9 1 4 4 【l7 】s m t a d a p t i v ec o n 缸o l 锄ds y i l c h r o i l i z a t i o no fam o d i 矗e dc h u a sc 疵u i t s y s t e l i l ，a p p l i e d m a l e i m t i c s 孤dc o r n p u t a t i o n ，2 0 0 l ，( 1 1 ) ：1 9 【1 8 】h om c ，h u n gy c ，s y i l c h r o n i z a t i 似o t i v ec o n 廿0 l ，p h y sl 觥a ，2 0 0 2d i 虢r e n ts y s t e 傩b y u s i i l gg e n e r a l i z e d 3 01 ：4 2 4 _ 4 2 8 【1 9 】s e nm t ，c h a o ss y n c h r