（光学专业论文）强光注入对光反馈vcsels混沌载波基频的影响.pdf

西南大学硕士学位论文摘要 强光注入对光反馈v c s e l s 混沌载波基频的 影响 光学专业硕士研究生刘胜芳 指导教师吴正茂教授 摘要 垂直腔面发射激光器( v c s e l ) 是一种新型的半导体激光器，较传统的边发射激光器来说具 有低阈值、单纵模工作、发散角小、动态调制频率高、易实现二维集成等优点，在光通信，光 互联，图像信号处理等方面有着重要的应用前景。 近年来混沌保密通信得到了广泛的应用。由于光混沌的动力学行为复杂，对参数相当敏 感，因此成为保密通信的一个热点。在混沌通信中，传输速率是最重要的指标之一，由混沌 载波基频决定。混沌载波频率与激光器的弛豫振荡频率密切相关，弛豫振荡频率限制了? 卜导 体激光器的最大调制频率，最近，通过强光注入到v c s e l ，实验上已获得5 0 g h z 的调制带宽， 因此可以预计，外部光注入可以使外光反馈v c s e l 输出的混沌载波基频得到很人的提高。 基于此本文研究了外部光注入对v c s e l 带光反馈的v c s e l 输出混沌载波基频的影响。研 究结果表明，在注入锁定区域内，当外部注入光频率与v c s e l 自由运行的振荡频率火谐一定 时，随着外部光注入强度的增加，混沌载波基频总体呈现上升的趋势，在增加的过程中伴随 着波动；同时失谐频率对混沌载波基频也有重人影响，在正失谐时，混沌载波基频随着火谐 频率的增加而增人，通过调整失谐频率和注入强度大小，外部光注入可以使混沌载波基频得 到大幅度的提高；当归一化的注入系数k = 3 3 0 ，失谐频率为4 2 g h z ，可得到基频位于4 7 3 g h z 的混沌信号输出。众所周知，混沌载波基频决定着最大的混沌传输速率，所以本文的研究对 提高混沌传输速率具有很高的价值。 关键词：v c s e l 注入锁定混沌载波基频 西南大学硕士学位论文aibstract i n n u e n c e so ft h e s t r o n gl i g h ti n j e c t i o no n t h ec h a o t i cc a r r i e rf h n d a m e n t a l f r e q u e n c yo f v cs e l sw i t ho p t i c a lf e e d ba c k m a jo r ：o p t i c s a d v i s o r ： p r o f z h e n g m a ow h a u t h o r ： s h e n g f a n gl i u a 七s t r a c t a san e wk i n do fs 日n i c o n d u c t o rl a s e r ， 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 g l 硒e r s ( v c s e l ) h a v es u c hm 丽t sa sl o wt h r e s h o l d ，s i n g l el o n 百t u d i n a lm o d e0 p e r a t i o n ， s m a l la n g l eo fd i v e r g e n c e ，1 l i 曲d y n a m i cm o d u l a t i n g 仔e q u e n c y ，e a s i l yi m p l e m e n t e d 觚o - d i m e n s i o ni m e 黟a t i o nw i l i c hm a l ( e sv c s e lh a v es i 鲥f i c a i l “m p l i c a t i o np r o s p e c t s i no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，o p t i c a li n t e r c o 衄e c t i o n ，i m a g es i g n a lp r o c e s s i n 岛e t c a sa r e s u l t ，t h er e s e a r c h e so nv c s e lh a v eb e e i lp a i ds p e c i a la t t e n t i o n r e c e n t l y ，c h a o sp r i v a t ec o m m u n i c a t i o nh a sg e ta ne x t e n s i v e 印p l i c a t i o n ，o p t i c a l c h a o sb e c o m eah o tt o p i co fp r i v a t ec o m m u i l i c a t i o nf o ra 劬d 锄e n t a lp h e n o m e n o no f n o n l i n e a rd y n 锄i c sa n d h i g h l ys e n s i t i v i t yt ot h ep a r 锄e t e r s ，t h er a t eo ft r a n s m i s s i o ni s o n eo ft h em o s ti m p o r t a l l th l d e xs i g ni nc h a o t i cc o m m u n i c a t i o nw h i c hi sd e t e m l i n e db y m ec h a o t i cc a m e rf h n d 锄e n t a lf b e q u e n c y c 硎e r 仔e q u e n c yi sc l o s e l yr e l a t e dt ot h e r e l a ) 【a t i o no s c i l l a t i o n 仔e q u e n c y ，a n dt h er e l a x a t i o no s c i l l a t i o nf k q u e n c yi sc o n s i d e r e d t ob et h ec h a r a c t 耐s t i c 仔e q u e n c yt h a td e f i n e st h em a ) 【i m u mm o d u l a t i o nf e q u e n c yo fa s 锄i c o n d u c t o r a tp r e s e n t ，t h ee x p 甜m e n t sf o c u s e do nt h ev c s e l s ，、h e r ear e l a ) 【a t i o n o s c i l l a t i o n 矗e q u e n c y5 0 ( 猾【zw 雒a c l l i e v e d ，t h e r e f o r ew ec a n 柚t i c i p a t e ，t h ec h a o t i c c a r r i e r 血n d 锄e n t a l 丘e q u e l l c yo fv c s e l so u t p u tw i mo p t i c a l f e e d b a c kc a l lb e e i l l l a n c e db yu s i n gt h ee x t e m a lo p t i c a l i 坷e c t i o nt e c h n i q u e h 1t l l i sp a p e r t l l ei n n u e n c e so ft l l ee x t e m a l1 i 9 1 1 ti n j e c t i o no nt h ec h a o t i cc a r t i e r 劬d a m e n t a l 行e q u e l l c yo fv c s e l w i t ho p t i c a lf e e d b a c kh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h e r e s u l t ss h o wt h a ti nt h ei n j e c t i o nl o c l ( i n ga r e a ，f o rt h ef i x e df 诧q u e l l c yo f f s e tb e t w e e l lt l l e m 硒t c r1 弱e rd i o d e 锄dt l es l a v ev c s e l ，m ec h a o t i cc a 玎i e r 胁d 锄e n t a l 行e q u e n c yw i u b ei n c r e a u s e dg e i l e r a l l yw i t ht h ei n c r e a s eo fi 面e c t e ds t r e n g t h ，a c c o m p a l l yw i t hm o t i o ni n t h ep r o c e s so fi n c r e a s e ；s i i i l u l t 她e o u s l y ，t h e 仔e q u e l l c yo f f s e th a v em ei m p o r t a n t i i l n u e n c et 0t l l ec h a o t i cc 枷e r 劬d 锄e r i t a l 丘e q u e n c y ，w h e nt i l ef e q u e n c yo f f s e ti s l i 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。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： 刍慨 签字日期：m 男年y 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：母尔保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：刍1 州锄 导师签名：缓伊翟 签字日期：渺多年均月冶日 签字日期： ，譬年争月老日 西南大学硕士学位论文绪论 第一章绪论 1 1引言 由于长距离大带宽高速光通信、高速存取光信息处理、高性能低成本光互连 器件的需求驱动，v c s e l 作为一种新型的半导体激光器，在低阈值、单纵模工作、 小发散角、高动态调制频率、二维集成等方面都取得了长足的发展。目前8 5 0 n m 、 9 8 0n mv c s e l 较为成熟，已实现了高性能、低成本、大批量生产，并已上市出售。 当然，目前生产能够工作在1 3 0 0 咖一15 0 0 n m 波段较高功率水平的v c s e l 非常困难， 这限制了v c s e l 应用于单模光纤。另外，即使比起d f b 激光更为有效，但v c s e l 不能产生d f b 激光那样大的功率。这些弱点以及波长的局限使v c s e l 目前仅仅应 用于较短距离的l a n 和光背板。而1 3 1 0 n m 、1 5 5 0 n mv c s e l 工艺正逐渐成熟，其作 为长距离通信光源也呈现出新的增长趋势。使得它在万兆以太网、高速并行光互 连等领域已经得到广泛的应用，未来在光纤局域网( l a n ) 中，v c s e 有机会与常规 边射型激光器一较长短，并大有取代传统的边发射激光器的趋势。同时由于波长 可调谐的v c s e l 阵列在局域网、长距离超大容量信息传输方面的应用有着巨大的 潜力，发展也非常迅速。v c s e l 的诸多技术优势必将推动v c s e l 技术的不断成熟和 广泛应用，市场前景和应用前景广阔。 1 2 垂直腔面发射激光器的发展历史 自从1 9 7 9 年日本科学家s o d a 和i g a 等开发出垂直腔面发射半导体激光器 ( v e r t i c a lc a v i t ys u r f a c ee m i t t i n gl a s e r ，v c s e l ) 以来，v c s e l 取得了很大的进 展。v c s e l 的第一个发展高峰出现在二十世纪八十年代，它主要是由于光计算和光 互联的需要而引发的。v c s e l 的第二个发展高峰出现在二十一世纪初，这主要是由 于光通信的高速发展而引发的。起初，当时一他们主要是想通过采用缩短腔长的办 法来获得稳定的动态单纵模工作的半导体激光器，但由于这种激光器的单程增益 长度极短( 4 0 g h z 、工作效 率达4 7 、可以1 0 g b it s 速率传输信息1 。9 8 0 n m 波段i n g a a s g a a s 系列的v c s e l 也趋于成熟，部分产品已进入市场。 由于v c s e l 价格非常低廉，一般各大公司不会推出单独的v c s e l 模块，而是 应用在自己的并行光收发器上推出其成熟的应用v c s e l 的产品。如，电源3 3 v 供电，l v d s 接口，1 2 路并行光传输，每路速率2 5 0 一1 6 0 0 m b i t s ，总传输速率达到 1 9 g b i t s ，采用8 5 0 n mv c s e l 技术和6 2 5 m 多模光纤，传输距离可达2 0 0 m ，其 模块如图2 所示。 图2 ：i n f i n e o n 公司并行v c s e l 光模块 m 0 1 e x 公司相应的v c s e l 产品如图3 所示，它的单道速率可达2 5 g b p s ，总传 输速率达3 0 g b i t s 。从图中可以看出采用v c s e l 的系统都具有小型化、集成度高、 使用方便的特点。 1 2 西南大学硕士学位论文v c s e l 的制造技术及应用 錾麓囊 图3 ：m i e x 公司1 2 路并行v c s e l 光模块 s i r e sl a b s 公司推出适用于甚短距离( v s r ) 应用的单片集成光收发器 s r l 3 1 0 1 n s ，传输速率达3 1 2 5 g b p s 。s r l 3 1 0 l n s 集成了互阻放大器( t i a ) 、限幅放 大器( l a ) 、v c s e l 驱动器及l v d s 接口，可作为独立的器件。该产品发送及接收的 传输速率为1 g b p s 至3 1 2 5 g b p s 且消耗功率最高为2 5 0 m w ，具有数字及模拟控制和 监测功能，s r l 3 1 0 1 n s 裸片尺寸为1 6 2 2 i i l m 。 目前，0 8 5 m 波段g a a s a 1 g a a s 系列v c s e l 技术己成熟，已实现了高性能、 低成本和大批量生产。8 5 0 n m 的v c s e l 在采用多模光纤的短距离光互连领域应用已 经相当广泛，同时己经主宰了单通道短距离光学互连的市场，如i e e e8 0 2 3 千兆 以太网1 0 0 0 b a s e s x 系列标准中就采用低成木8 5 0 n mv c s e l 作为光源，用在并行 传输多通道发送机模块中的一维v c s e l 阵列也有产品进入市场。 2 1 31 3 0 0 n m 波段 长波长v c s e l 的研究，可以追溯到最早的面发射激光器，使用的是g a i n a s p i n p 体系虽然研究时间很长，但由于存在很多问题，器件水平不如8 5 0 n m 区。主要有 以下几个原因n0 1 ：( 1 ) 价带间吸收较大；( 2 ) 俄歇电子复合电流大；( 3 ) 流向量子阱 势垒几包层的漏电流大；( 4 ) 体系d b r 折射率差太小，需要多层，热导率也很小， 难以高温操作。虽然可以通过晶片融合技术使用g a a s 基的d b r 做出性能不错的器 件，但不能一次生长，批量生产工艺复杂，不如单片一次生长。 为了制成性能好的长波长1 3 1 5 5 聊的v c s e l ，就应先考虑合适的材料，g a a s 基i n g a a s n 作为一种长波长通信用新材料，受到科学家们的广泛关注1 引。i n g a a s n 西南人学硕士学位论文v c s e l 的制造技术及应用 g a a s 有着非常好的电子限制，导带差大于3 0 0 m e v ，因此特征温度t o 可望有显 著的提高( 超过1 5 0k ) 。当i n 原于引入g a a s 形成g a i n a s 合金时，晶格常数将增 大，禁带宽度将减小。而当n 原于引入g a a s 形成g a n a s 合金时，晶格常数将减小， 禁带宽度将减小。因此，调整i n g a a s n 中i n 与n 的含量，可以得到与g a a s 晶格 匹配的直接带隙材料或应变量子阱材料，而其波长范围可从1 o m 覆盖到 2 o 聊。同时这个体系可以用a l a s g a a sd b r ，并且可以引入a l a s 氧化技术限制 电流来降低阈值电流，并能一次生长，而且无须用介质d b r ，有望制成高性能的器 件一般地说，典型的1 3 所发射需要3 5 一3 8 的i n 和1 5 一2 o 的n ，但这样的 考虑曾经遇到限制，如利用m o c v d 和m b e 制成v c s e l ，最多只能在1 2 所获得良 好性能。但后来这种限制得到克服，成功地制成顶部发射的单模v c s e l ，波长为 1 2 9 3 所，输出功率1 4 朋矽，能在2 5 连续波运用。上述g a i n n a s 的v c s e l 材 料包含n ，因而当波长稍增加时将使功率性能显著降低。为了克服这种困难，最近 考虑加入s b n 3 。15 1 ，具有g a i n n a s s b 有源区的v c s e l ，可在波长1 3 m 工作，c w 输 出功率在2 0 为1 聊矿，甚至可在高温8 0 情况下运用这样的v c s e l 结构利用p 的d b r 和氧化物孔径，对于长波长激光管很有用，甚至同样适合于1 5 5um 的运 用。1 3 m 的v c s e l 曾经考虑利用i n g a a s 的量子点( q d ，g u a n t u md o t s ) 的有源区。 这种利用量子点的办法可能改进光电子器件的性能，提高增益也便于调整激光波 长。最近制成的1 3i lmq d _ v c s e l 能够发射1 2 5 朋形的功率，并在室温条件供c w 运用，它的d b r 是利用g a a s a 1 0 x ，电流注入和局限于a l o x 孔径。 因1 3 1 0 的v c s e l 除处于常规单模光纤的低色散和低衰减窗口外，更具有上述 v c s e l 的种种优点它可作为低成本高性能激光光源，在光纤通信网络、高速数据 传输、并行光互连等方面具有重大应用前景。特别是在中、长距离高速传输方面 具有短波长v c s e l 无法比拟的优点。光纤接入网的发展和将来的光纤到户和光纤 到路边等的实施必将给长波长v c s e l 提供广阔的市场需求空间。因此1 3 m 波段 v c s e l 有较大发展，瑞典r o y a l 技术大学研制出在室温下具有创纪录的1 2 6 朋波 长大应变双q wi n g a a s g a a sv c s e l ，可在宽的温度范围( 1 0 一1 2 0 ) 连续工作， 最大输出功率 1 所；l y t e k 研制成功的1 3 1 m 波长v c s e l 输出功率o 2 5 埘形、 阈值电流o 5 m a ；g o r e 公司1 3 所波段i n p 系v c s e l 的典型器件功率约为1 聊形、 阈值电流约4 m a 、上升下降时间 3 0 0 p s 。美国n o v ac r y s t a l s 公司研制开发的一 种新型1 3 朋波段v c s e l 在无主动制冷下获得1 聊的连续波( c w ) 输出功率， 带宽为2 5 g b s ，工作电压 2 v ，可靠工作温度达1 0 0 。2 0 0 3 年在美国亚特兰大 举办的o f c 会议上，i n f i n e o n 展示了可批量生产1 3 1 0 n mv c s e l ，输出功率为 0 4 m 形，可用于2 5 g b i t s 传输，传输距离可达1 5 l ( n l 。 1 4 西南大学硕十学位论文v c s e l 的制造技术及应用 2 1 415 5 0 n m 波段 在1 5 5 0 n m 波段，俄歇吸收和价带内的带间吸收严重影响v c s e l 器件的性能， p 型材料尤为严重。 所以方案第一种因此，为减小p 型材料的使用，在后来的1 5 5 0 n m 激光器中普 遍加入隧穿结瞄，6 j 引。经过隧穿结的作用，n 载流子转换成p 载流子，这样，直接 用n 型材料取代常规结构的p 材料，有利于减小因p 自由载流子的吸收而导致的 损耗，另外，加入隧穿结后上下电极皆采用n 型电极，也解决了i i i v 材料p 型 掺杂剂容易扩散的问题，获得优异的器件性能，在实际应用中，一般要求把隧穿 结放置在腔模的波谷处，以减小损耗。在文献n 7 1 中，r s h a u 等人报道了采用掩埋 式隧穿结结构，获得7 埘形的室温( 2 0 0 ) 连续激射，德国w a l t e rs c h o t t k y 研究所 的g e r h a r db o e h m 等人通过引入掩埋隧道结( b t j ，b u r r i e dt u n n e lj u n c t i o n ) 技 术，使用a l g a i n a s 有源区、a l i n a s a l g a i n a sd b r 和介质d b r ( c a f 2 z n s ) 混合， 制成了性能良好、波长范围1 3 2 脚的i n p 基的器件。激射波长1 3 朋时最大功 率为0 4 3 m 矿；激射波长1 5 5 聊时最大功率为7 聊矽，8 0 时最大功率为 o 5 m ，最高使用温度1 1 0 ，单模调制频率达到1 0 g b i t s 髓。 第二种方案是d b r 采用a l a s s b 和g a a s s b ，它们的较大带隙能量差可以导致较 大的折射率差，对d b r 很适合在1 5 5 朋，a 1 g a a s s b a 1 a s s b 的折射率差约1 5 ， 这几乎相当于a 1 a s g a a s 的折射率差，大于i n g a a s i n a l a s 的7 8 和i n p i n g a a s p 的8 5 。不过，它们的导热性能比g a a s 和a 1 a s 差得多。用于a 1 g a a s s b a 1 a s s b 作为d b r ，底部发射的1 5 5 小v c s e l 只要一次m b e 生长就可制成，但这种结构的 有源区需要散热措施。这样，可以制成在室温的c w 运用，例如在2 5 发射0 9 历形， 最高温度可以用到8 8 。 第三种方案是d b r 采用i n p 空气隙，折射率差很大，但导热率太差，须具备足 够有效的导热措施。曾经用这种方案制成1 5 5 mv c s e l ，可提供1 0 m 的单模 输出功率，并能在2 5 适合c w 运用。 第四种方案是d b r 采用g a a s a l g a a s ，折射率差大，导热率也高。但a 1 g a a s 的d b r 与i n p 的有源区的圆片熔合可靠性不佳，须采用特殊措施加以改进。这就 是使有源区在i n g a a l a s 的d b r 顶部形成，有一层空腔作为缓冲层，然后沉积松驰 的g a a l a s 的d b r ，好像是介质镜。这样从顶部发射的v c s e l 可以适用于 1 5 3 1 6 2 m ，在1 5 发射1 4 朋的单模输出功率。 由于1 5 5 0 姗也处于常规单模光纤的低色散和低衰减窗口外，同时e d f a 系统 在这个波段技术的成熟应用，使1 5 5 0 n m 的v c s e l 在光c 1 j i d m ，d w d m ，s d h 技术的应 用具有独特的优势，同时跟1 3 1 0 n m 的v c s e l 相似在光纤通信网络、高速数据传输、 1 5 西南大学硕士学位论文v c s e l 的制造技术及应用 并行光互连等方面具有重大应用前景。 2 2 可调谐v c s e l 的分类和研究进展 波长可调谐的v c s e l 阵列在局域网、长距离超大容量信息传输方面的应用有 着巨大的潜力。它可提供更多的波长，使v c s e l 的光空间并行性和波长特性实现 良好的结合，极大地提高系统的容量和传输速率，是用于波分复用( w d m ) 网络和 全光网建设的最佳选择。多波长激光器阵列也成为w d m 系统的关键器件之一。 目前，主要采用微机械技术( ( m e m s ) 的垂直腔面发射激光器( v c s e l ) ，由于其 腔长比较短，m e m s 可调谐v c s e l 从结构上可以将其分为：单悬臂型、可变形介质膜 型、半对称腔烈和掩埋隧道结型瞳2 圳，前三种即单悬臂型，可变形介质膜型和半对 称腔型均是采用中片集成技术，先由m b e 或m o c v d 等按预先设计的结构生长好外 延片，通过选择性腐蚀，腐蚀出空气隙，释放悬臂和上反射镜。图4 是采用m e m s 技术的单片可调谐波长v c s e l 的结构示意图。通常，器件主要由底部d b r 、量子阱 有源区和顶部d b r 组成。而顶部d b r 包括3 个部分，按由下往上的顺序分别为顶 部p d b r 、空气隙和顶部n d b r 。顶部n d b r 通过可升降的机械臂悬在顶部p d b r 上方，空气隙由干法刻蚀得到。调节波长时，向顶部的n d b r 和p d b r 加反向偏 压，则n d b r 就会被吸向p d b r ，这样，腔长就被缩短，激射波长就会蓝移，从而 达到调谐波长的目的口引。 象鬈竣嚣 图4 ：波长可调谐v c s e l 的结构示意图 而第四种则是采用双片集成的方式，制作工艺较前三种要复杂一些。而前三种均 采用静电激励驱动上反射镜，空气隙长度减小，波长蓝移：第四种则是采用热电激 的方式，空气隙长度增加，波长红移。这几种类型虽然在结构上有所差别，性能 上各有千秋，但其调谐原理是一致的即：都是通过改变空气隙的长度来实现调谐 1 6 西南大学硕士学位论文 v c s e l 的制造技术及应用 o p t i c a ll o s so x i d e a p e n u r e dv e m c a lc a v i t y1 a s e r s ，”i e e ep h o t o n i c st e c t l i l 0 1l e t t ，19 9 7 ， 9 ：1 1 1 3 7 】h a t o r in ，m i 肌t a i l ia ，n i s h j y 锄an ，e ta 1 0 v e r1o g b i t st 眦s m i s s i o n e x p e r i m e n t u s i n gap - t y p ed e l t a - d o p e d1 1 1 g a a s g a a sq u a n t u m w e l lv e r t i c a l c a v i t y s u r f l a c f 锄i t t i n gl a s e r ”i e e ep h o t o n i c s1 e c h n o ll e t t ，1 9 9 7 ，4 ：4 0 9 4 1 4 【8 】j 、mj a i l 岛c l c l l i c n ，w jm c h ) ，i ，e ta 1 a n e wp r o c e s st oi m p r o v et h e p e 响m a i l c eo f8 5 0 n mw a v e l e l l g t l lg a 舡v c s e l s ，”【j j s o l i ds t a t ee l e c 仃d n ，2 0 0 2 ， 4 6 ：2 2 8 7 2 2 8 9 9 1 张劲松、曹明翠、陈涛、谭伟，v c s e l 技术与并行光互联，光通信研究，2 0 0 2 1 1 4 ( 6 ) ：5 4 5 8 【1 0 】毛容伟、左玉华、成步文、于金中，王启明1 3 1 5 5 岬光通信v c s e l 的研 究进展，光子技术2 0 0 5 ，1 ：1 5 【l l 】、m ea ，s h e nk ，w a n grf ，e ta 1 “l o wt h r e s h o l dc u r r e n t1 3 mg a h l n 舡 v c s e l sg r o w nb ym o v p e ，”【j 】i e e ep h o t o n t e c l l l l 0 1 l e t t ，2 0 0 4 ，16 ( 3 ) ：7 17 7 1 9 【12 】l o u d e r b a c kda ，f i s hma ，k l e mjf ，e ta 1 “d e v e l o p m e n to fb o t t o m e m i n i n g 13 0 0 i l i i lv e r t i c a l c a v 时s 耐k e 一锄i t t i n gl 蠲e r s ，”【j 】i e e ep h o t o n t e c h n 0 1 l e t t ，2 0 0 4 ， 1 6 ( 4 ) ：9 6 3 9 6 5 1 3 n a k a g a w as ，h a l le ，a l m u n e a ug e ta 1 “1 5 5 p mi n p 一1 a t t i c e m a t c h e dv c s e l s w i t h 越g a a s s b a l a s s bd b 黜，”【j 】e ej s e l e c t t 0 p i c sq u a n t l 蛐e 1 e c t r o n ，2 0 0 1 ， 7 ( 2 ) ：2 2 4 2 3 0 【1 4 】b l 啪o ，h a f i c hmj ，k l 锄jf ，e ta 1 “e l e c t r i c a l 觚d0 p t i c a lc h a r a c t 丽s t i c so f a 【a s s b g a a s s bd i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r sf o rs u r f a c e e t t i n gl a s e r s ，【j 】a p p l p h y s l e t t ，1 9 9 5 ，6 7 ( 2 2 ) ：3 2 3 3 3 2 3 5 【1 5 】n a l 【a g a w as ，h a l le ，a l m u n e a ug e ta 1 “8 8 c o n t i n u o u s - w a v eo p e r a t i o no f 印e r t u r e di n t r a c a v i 哆c o n t a c t e d1 5 5 p mv 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 舔e 玛叨 a p p l p h y s l 甜，2 0 0 1 ，7 8 ( 1 0 ) ：1 3 3 7 1 3 3 9 【16 】h a w t h o m e r a ，c ta 1 “r c l i a b i l i t ys t l l d y o f8 5 o i ：i mv c s e l sf o rd a t a c o 舢 i l u i l i c a t i o 鸺，”19 9 6i e e eh l t 锄a t i o n a lr - e l i a b i l i t yp h y s i c sp r 0 c e e d i n g s ，l9 9 6 ，3 4 ： 2 0 3 2 l o 【17 】s l 姗ro r t s i e 衙m ，r d s s k o p fj ，e ta 1 v 融i c a l c a v 埘s u 血c e e m i t t i n gl 勰e r d i o d e sa t1 5 5 所w i ml a 唱e o u u tp o w e r 锄dh i 曲o p c r a t i o nt e n l p e r a t u r e ， j 】 e l c c 协) n l 甜，2 0 0 1 ，3 7 ( 2 1 ) ：1 2 9 5 1 2 9 6 1 8 西南大学硕士学位论文v c s e l 的制造技术及应用 4 1 j t a t u m ，d l m a c f a r l a n e ，a i l dh b s e 玎e z e ，“s u s t a i n e do s c i l l a t i o n si n g a i i l p a l g a i l l pv i s i b l ed i o d el a u s e r s ，”o p t i c a l 觚dq u a i l t l 蛐e l e c 们i l i c s ，19 9 5 ，2 7 ： 1 0 1 1 1 6 2 l 西南人学硕士学位论文 强光注入提高光反馈v c s e l s 混沌载波基频 第三章强光注入提高光反馈v c s e l s 混沌载波基频 3 1 引言 近年来混沌保密通信越来越受到人们的关注，并得到广泛的应用n 。2 1 。由于光 混沌的动力学行为复杂，对参数相当敏感，因此成为保密通信的一个热点话题。h 1 。 在混沌通信中，保密性和传输速率是两大最重要的指标，其中传输速率取决于混 沌载波基频阳1 。混沌载波频率与激光器的弛豫振荡频率密切相关，弛豫振荡频率限 制了半导体激光器的最大调制频率。采用强光注入的方式可以提高半导体激光器 的最大调制频率n 引，通过强光注入到垂直腔表面发射半导体激光器( v c s e l ) ，实 验上已获得5 0 g h z 的调制带宽n 5 1 。因此可以预计，利用外部光注入，通过调整系 统参量，可以使外光反馈v c s e l 输出的混沌载波基频得到提高。 本文基于描述外部光注入下光反馈v c s e l 的速率方程，对外部光注入对光反 馈v c s e l 输出混沌载波基频的影响进行了研究。数值研究的结果表明，利用外部 光注入可大幅度地提高混沌载波基频。当v c s e l 的电流偏置在2 倍阈值电流，在 无外光注入下，其混沌信号载波基频为8 7 g h z ，采用强光注入，可实现载波基频 为4 7 3 g h z 的混沌光输出。 3 2 混沌的定义 1 9 8 6 年伦敦一次国际混沌会议上与会者提出：数学上的混沌系统是指确定性 系统中出现的一种貌似无规则的、类似随机的现象。从数学上来看，对于确定的 初始值，根据确定性的动力学系统就可以推知该系统长期行为，甚至追溯其过去 的性态。但是大量的实例表明，有很多系统当初值产生极其微小的变化时，其系 统的长期性态有很大变化，即系统对初值的依赖十分敏感，产生所谓的“蝴蝶效 应 现象。由于实际中误差不可避免，因而从物理上来看，对这种系统的长时间 行为的预测将完全是随机的，这就是混沌行为的不可长期预测；但这种随机现象 与系统本身具有的随机项或随机系数所产生的随机现象完全不同。对于一个真正 的随机系统，根据某一特定时刻的量无法知道以后任何时刻量的确定值，即系统 在短期内也是不可预测的j 而对于一个确定性系统，它的短期行为是完全确定的， 只是由于其对初值的敏感依赖性，使得系统长期行为不可预测，这正是它内在的、 固有的随机性引起的，这种现象只能发生在非线性系统中。正是混沌系统的这种 随机性和确定性，使得人们对混沌并没有确定的定义，不同领 x 西南大学硕士学位论文强光注入提高光反馈v c s e l s 混沌载波基频 ( 3 ) 周期点在u 中稠密。 该定义说明混沌的映射所具有三个要素：不可预测性、不可分解性、还有一种 规律性的成分。对初值的敏感依赖性，所以混沌的系统是不可预测的；因为拓扑 传递性它不能被细分或不能被分解为两个在f 下不互相影响的子系统；上述两条一 般说来是随机系统的特征。但第三条是周期点集的稠密性，意味着系统具有很强 的确定性与规律性，决非一片混乱，形似紊乱而实则有序，这正是混沌的耐人寻 味之处。 3 3 混沌的基本特性 混沌运动是一种不稳定有限定常运动，既为全局压缩和局部不稳定的运动， 或除了平衡、周期和准周期以外的有限定常运动。这里的所谓有限定常运动，指 的是运动状态在某种意义上不随时间而改变。这个定义指出了混沌运动的两个基 本特征乜们：不稳定性( 该性质可用平均l y a p u n o v 指数来精确刻画) 和有限性。混 沌运动是确定性非线形系统所特有的复杂运动形态，它的定常状态不是通常概念 下确定性运动的三种状态：静止、周期运动和准周期运动，而是局限于有限区域 且轨道永不重复、性态复杂的运动，它有时可以被描述成具有无限大周期的周期 运动或者貌似随机的运动等。与其他的复杂现象相区别，混沌运动有着自己独有 的特性，主要有心卜2 郇： ( 1 ) 有界性。混沌是有界的，它的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域。无论混沌运动多么的不稳定，它的轨迹都不会走出混 沌吸引域。所以整体上说混沌运动是稳定的。 ( 2 ) 遍历性。混沌运动在其混沌吸引域内是各态历经的，即在有限时间内混沌 轨道经过混沌区内每一个状态点。 ( 3 ) 内随机性。一定条件下，如果系统的某个状态可能出现，也可能不出现， 就可以认为该系统具有随机性。一般说来当系统受到外界干扰时才产生这种随机 性，一个确定的系统( 能用确定的微分方程来表示) 在不受外界干扰的情况下， 其运动状态也应该是确定的，既是可以预测的。 ( 4 ) 分维性。它是指混沌的运动轨迹在相空间中的行为特征。混沌系统在相空 间的运动轨线，在某个有限区域内经过无限次折叠，而分维性正好可以表示这种 无限次的折叠。分维性表示混沌运动状态具有多叶、多层结构，且叶层越分越细， 表现为无限层次的自相似结构。 ( 5 ) 标度性。它指混沌运动是无序中的有序。其有序可以理解为：只有数值或 者实验的精度足够高，总可以在小尺度的混沌区域看到其中的运动花样。 ( 6 ) 所谓普适性。它不同系统在趋于混沌态时所表现出来的某些共同特征，它 西南大学硕十学位论文 强光注入提高光反馈v c s e l s 混沌载波基频 线破断并在鞍点附近产生剧烈振荡。这种振荡导致等价于s m a l e 马蹄结构，从而 引起混沌运动，相应的区域称为混沌区。 3 4 混沌保密通信的应用 随着计算机技术，信息技术和通信技术的迅猛发展，特别是有关信息基础结 构( 信息告诉公路) 的概念和建设计划的提出，以计算机为核心的庞大信息网络正在 全世界范围内逐渐形成，信息已成为当今社会的一种重要财富。但是，我们也应该 看到，目前的信息安全存在许多隐患。就以i n t e m e t 为例，目前在电子商务和金融 证券的网上交易，用户的密码、身份认证、交易信息都是极为重要的信息，一旦 被非法入侵者窃取，就会造成很大的损失。因此，网络数据业务的发展，必须首 先解决网络信息安全问题，只有足够的安全保证，人们才能广泛的接受这种网络 业务2 引。 保密通信的要旨是用某种方法将被传送的信息加密。在接收端，只有掌握适 当的密钥，才能对受到的信息解密【2 7 】；否则即使信息被截取，也难以破译。然而 随着现代化计算机技术的发展，它为破译加密系统提供了强有力的工具，近年来， 利用计算机来窃取经济或者军事情报等犯罪活动屡有报道。在这种情况下寻找一 种新的途径，采用新的保密通信方法来确保网络通信的安全性，已迫在眉睫。 混沌信号的非周期性连续宽带频谱，类似噪声的特性乜8 t 驯，使它具有天然的屏 蔽性。另外，混沌信号对初始条件的高度敏感( 以正的l y a p u n o v 为特性) ，即使 是两个完全相同的混沌系统，并且从极为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和抗拦截的能力。 而且具有多个正的l y a p u l l o v 指数的超混沌系统，有着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，由非线性系统 的方程、参数和初始条件所完全决定，因此又使得混沌信号易于产生和复制。混 沌信号的隐蔽性、不可预测性、高复杂性和易于实现等特性都特别适用于保密通 k 佰。 由于电路系统中带宽的限制和较高的衰减，因而电路混沌在高速无线保密通 信中的应用以及在远程有线通信中的应用都受到严重的限制，而激光混沌系统具 有很大的带宽( 光频的特性) 和低的衰减( 光纤的低损耗) 、动力学行为复杂和系 统对参数的高度敏感性等特点，因而更适合于进行高速远程通信附3 羽。目前的研究 西南人学硕士学位论文 强光注入提高光反馈v c s e l s 混沌载波基频 中，信息在混沌通信系