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太原理工大学硕士研究生学位论文 混沌光通信中半导体激光器接收机的滤波特性分析 摘要 混沌信号具有隐蔽性，不可预测性，高复杂度和易于实现等特性，随 着混沌同步的实现，利用混沌信号作为载波进行保密通信越来越受到广泛 关注。混沌激光保密通信系统的通信质量由系统的同步性和接收机的滤波 特性所决定。半导体激光器由于其体积小、价格低、操作方便、使用寿命 长、易于封装且在外光反馈或外光注入下容易实现混沌光输出等诸多优点， 成为混沌激光保密通信系统中载波发射机和接收机的首选器件。 本论文利用全光学反馈闭环式半导体激光器混沌同步系统为研究对 象，针对混沌保密通信中半导体激光器作为接收机对信号的滤波特性作了 如下研究： 1 针对闭环混沌通信系统模型，利用光反馈半导体激光器的速率方程， 结合小信号微扰理论推导出接收机的响应函数。 2 理论研究了接收机对同一幅度不同频率及同一频率不同幅度信号的 滤波特性。得到传输信号的频率受接收机的弛豫振荡频率限制，信 号的幅度过大或过小都将降低提取出信号的信噪比。 3 通过对接收机滤波机理的研究，利用光注入提高接收机响应峰值的 方法，改进了原来的系统，突破了接收机的弛豫振荡频率限制，实 现了高频信号的传输。 太原理丁：大学硕士研究生学位论文 4 理论研究了系统的参数失配对接收机滤波特性的影响。采用两种不 同的加密方式对接收机的滤波特性进行研究。结果表明，频率失谐 对接收机的滤波影响较大，在频率失谐大于正失谐9 5 g h z 时信号很 难被区分出来。由于系统参数增益系数和载流子寿命同接收机的弛 豫振荡频率直接相关联，它们的失配对提取信号的信噪比影响较大。 关键词：混沌，混沌同步，半导体激光器，滤波，参数失配 太原理工大学硕士研究生学位论文 m e s s a g ef i i r e i u n gc h ar a c t e i u s t i c so f s e m i c o n d u c t o rl a s e ra sr e c e i v e ri n o p t i c a lc h ao sc o m m u n i c a t i o n a b s t r a c t w i t ht h ea c h i e v e m e n to ft h ec h a o s s y n c h r o n i z a t i o n ，m o r ea n dm o r e a t t e n t i o n sa r ep a i dt ot h ec h a o t i cc r y p t o g r a p h i cc o m m u n i c a t i o n ，i nw h i c ht h e c a r d e r sc h a o t i c s i g n a lw i t hg o o dc r y p t i c f u n c t i o n ，u n p r e d i c t a b i l i t y , h i g h c o m p l e x i t y t h eq u a l i t yo fc h a o t i co p t i c a lc r y p t o g r a p h i cc o m m u n i c a t i o ni sn o t o n l yd e p e n d e do nt h eq u a l i t yo fc h a o ss y n c h r o n i z a t i o nb u ta l s oo nt h ef i l t e r i n g c h a r a c t e r i s t i c so ft h er e c e i v e r a st h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r ，s e m i c o n d u c t o r l a s e r sh a v ep a r t i c u l a ra d v a n t a g e sb e c a u s et h e ya r es m a l li n s i z e ，r e a s o n a b l y e f f i c i e n t ，r e a d i l ya v a i l a b l e ，a n dw i d e l ye m p l o y e di nc o n v e n t i o n a lo p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h ec l o s e d l o o pt y p eo fs 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 ns y s t e m f o rt h er e s e a r c hi su s e di nt h i s p a p e r f o c u s i n g o n m e s s a g ef i l t e r i n g c h a r a c t e r i s t i c so fs e m i c o n d u c t o rl a s e ra sr e c e i v e r i n o p t i c a l c h a o s c o m m u n i c a t i o n ，t h i st h e s i sm a i n l yi n c l u d e st h a t ： 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 f o c u s i n go nt h ec l o s e d l o o ps c h e m eo fc h a o t i cc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， u s i n g r a t e e q u a t i o n s w h i c hc o n s i d e rt h es e m i c o n d u c t o rl a s e rw i t h o p t i c a lf e e d b a c kt od e s c r i b et h ed y n a m i c so fc h a o ss y s t e m ，w ee d u c e t h er e s p o n s ef u n c t i o n o ft h er e c e i v e rb ys m a l l s i g n a la n a l y s i s 2 t h e f i l t e r i n gp r o p e r t i e s o fs e m i c o n d u c t o rl a s e rw i t hm o d u l a t i o n m e s s a g eo fd i f f e r e n tf r e q u e n c i e s a n da m p l i t u d e sa r en u m e r i c a l l y s i m u l a t e d t h ef r e q u e n c yo ft r a n s m i s s i o n s i g n a l i sl i m i t e db yt h e r e l a x a t i o no s c i l l a t i o nf r e q u e n c yo ft h er e c e i v e rl a s e r ，a n dt h es i g n a lt o n o i s er a t ew i l lb ed e c r e a s e dw h e nt h ea m p l i t u d eo fm e s s a g ei st o ob i g o rt o os m a l l 3 b a s e do i lt h er e s e a r c ho ff i l t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h er e c e i v e r ，w e i m p r o v et h ep r i m a r yc l o s e d l o o ps c h e m eb ye n h a n c i n gt h er e s p o n s e p e a kv a l u eo ft h er e c e i v e rw i t ho p t i c a li n j e c t i o n t h et r a n s m i s s i o no f h i g hf r e q u e n c ym e s s a g ei sr e a l i z e d ，w h i c hb r e a kt h r o u g ht h el i m i to f r e l a x a t i o no s c i l l a t i o nf r e q u e n c yo ft h er e c e i v e r 4 t h ee f f e c to fp a r a m e t e rm i s m a t c h e so fs y s t e mo nt h ef i l t e r i n g c h a r a c t e r i s t i c so ft h er e c e i v e ri sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e d w ea n a l y z et h e e f f e c tb yt w oe n c r y p t i o nm e t h o d ，c h a o sm a s k i n ga n dc h a o ss h i f tk e y t h er e s u l ti st h a tt h ef i l t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fr e c e i v e rw i l lb e d e p r e s s e dg r e a t l yw i t ht h ei n c r e a s i n go ff r e q u e n c yd e t u n eb e t w e e nt h e t r a n s m i t t e ra n dt h er e c e i v e r , a n dt h em e s s a g ec a n n o tb er e c o v e r e dw h e n f r e q u e n c yd e t u n eu pt o9 5 g h z t h em i s m a t c h e so fp a r a m e t e rg a i n i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 c o e f f i c i e n ta n dc a r d e rl i f e t i m ep l a ya ni m p o r t a n tr o l eo nt h ef i l t e r i n g c h a r a c t e r i s t i c so ft h er e c e i v e r , b e c a u s et h e s et w op a r a m e t e r sh a v ed i r e c t e f f e c to nt h er e l a x a t i o no s c i l l a t i o nf r e q u e n c yo ft h es e m i c o n d u c t o r l a s e l k e y w o r d s ：c h a o s ，c h a o ss y n c h r o n i z a t i o n ，s e m i c o n d u c t o rl a s e r , f i l t e r i n g ， p a r a m e t e rm i s m a t c h v 声明户明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果口对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：二查盔舡日期：2 垡氆且叫且一 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：趣竭：日期：丝圣垒司五日 导师签名：日期：2 竺查：亟日期：2 竺查：委 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着计算机技术、信息技术和通信技术的迅猛发展，网络信息的安全问题存在许多 隐患。传统的信息保密技术的安全性已不能完全满足要求。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。保密通信的要旨 是用某种方法将被传送的信息加密，在其接收端只有掌握适当的密钥，才能对收到的信 息解密；否则即使信息被截取，也难以破译。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信。所以，自1 9 9 0 年美国海军实验室研究的 p e c o r e 和c a r r o l l c l 2 j 首次提出并实验实现混沌保密通信以来，混沌保密通信在近年来 得到广泛的研究。与电子器件产生的混沌载波相比，利用光学系统可以产生宽带高维混 沌载波，更易实现高速混沌保密通信口1 。 然而，目前实现了的混沌激光保密通信的误码率( 1 0 1 ) 较高哺引，因此混沌激光保密 通信系统的通信质量是急需解决的首要问题。接收机对传输信号的滤波性能又直接决定 了系统的误码率。所以研究接收机对传输信号的滤波特性就成为混沌激光保密通信中的 重中之重。许多实验与理论研究了混沌接收机对混沌载波的同步响应( 弱注入时的预期 同步和强注入时的即时同步) ，但其主要研究混沌同步响应与注入锁定的关系、混沌同 步的条件、发射机和接收机参数失配对同步的影响等口3 ，5 4 1 。同步响应仅从表象上被解释 为“光放大”陋1 、“混沌驱动响应”侧等，此外，混沌接收机对信号的抑制也缺乏深入 的分析，因此，混沌接收机滤波特性的物理机制及其决定性因素仍然不明确。本课题的 目的就是通过研究激光混沌通信中半导体激光器接收机对信号的滤波特性，更有效的提 高激光混沌通信的质量。 1 2 混沌保密通信 通信技术被称为是世界经济和军事的生命线，任何这方面的新发现及其高科技的进 展都将引起世界各国的关注，混沌通信将成为未来国际上通信方式竞争的热点。随着现 代科技的发展，对混沌通信研究的步伐也越来越快，国际著名刊物i e e e 电路与系统学 太原理工大学硕士研究生学位论文 报上每年都有一个专刊用于介绍混沌通信应用研究方面的最新进展。2 0 0 1 年底， l k i c a r e v 主编的专刊“在现代通信系统中混沌的应用 中确定了几种可能的方案，并刻 画了其特征。这次专刊涉及混沌通信的最新研究成果主要有9 个方面：( 1 ) 混沌键控调制 技术；( 2 ) 混沌相干通信系统；( 3 ) 混沌非相干通信系统：( 4 ) 混沌脉冲位置调制技术；( 5 ) 混沌扩 频技术；( 6 ) 混沌信号的滤波；( 7 ) 基于混沌通信的非线性电路；( 8 ) 利用混沌的光通信技术；( 9 ) 混沌和密码学。 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，才能对收到的信息解密：否则即使信息被截取，也难以破译。目前保密通信应用产 品多采用基于密钥的方法。这种方法又可分为对称方法和非对称方法。对称方法的特点 是解密密钥和加密密钥相同。这种结构使用对称方法实现的保密通信系统容易被破译， 此外，密钥管理比较复杂。 近来混沌的同步控制理论开始成熟，为混沌在通信中的应用准备了理论基础。与其 他加密方法不同的是，混沌加密是一种动态加密方法，由于其处理速度和密钥长度无关， 因此这种方法的计算效率很高，尤其是它可用于实时信号处理，同时也适用于静态加密 的场合。用这种方法加密的信息很难破译，具有很高的保密度。与传统的通信技术相比 较，混沌保密通信主要具有如下的优点： 1 信号的隐蔽性 混沌信号具有非周期、宽频谱、似噪声等特性，混沌的功率谱与纯粹的随机过程几 乎毫无区别，窃听者无法利用频谱信息来对混沌信号进行跟踪分析，往往误认为噪声而 加以忽略，因而可以达到保密通信的目的。 2 不可预测性 利用混沌系统构造的混沌序列具有对初始条件的敏感依赖性，因此，混沌序列信号 的长期行为不可预测。 3 混沌序列及其变换序列具有较大的复杂度 复杂度一般定义为序列的等效线性长度。由于混沌序列是由非线性系统产生的，因 而复杂度等于序列的长度。根据密码学原理，复杂度越大，系统就越难破译。混沌系统 的奇怪吸引子和空间遍历等特性保证了混沌序列的复杂度。 4 易于产生和复制 混沌是由确定性系统产生的，这就保证了混沌信号很容易产生和复制。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 信号的种类繁多，数目巨大 混沌系统是自然界普遍存在的一类现象，不必担心混沌信号会被使用殆尽。同时， 新的混沌系统不断被发现，各种混沌信号的变换也保证了混沌系统这一丰富的信息源能 够在保密通信中获得广泛的应用。 6 实时性强，计算效率高，保密度高 将混沌应用于保密通信，是一种动态方法。由于其处理速度和密钥长度无关，因此 这种方法计算效率很高。用这种方法加密的信息很难破译，具有很高的保密度。而且这 种方法具有实时性强，保密度高，运算速度快等明显优势。 1 9 9 3 年，k m c u o m o t 和a vo p p e n h e i m 等提出两种”混沌调制( c h a o t i c m o d u l a t i o n ) 和混沌隐藏( c h a o t i cm a s k i n g ) 模拟通信n 2 h 引，并在l o r e n z 混沌电路系统 中实现了混沌同步和混沌通信，d e d i e u n 钔等提出“混沌数字键控( ( c h a o t i cs h i f t k e y i n g ) ”等数字通信方式，以后许多学者都提出了改进型的混沌数字通信方式，主要有 c o o k ( c h a o t i co no f fk e y i n g ) n 引，o o p s k ( o n o f fp h a s es h i f tk e y i n g ) 哺1 等，在混沌保 密通信中为了增加破译信息难度，1 9 9 3 年，t l c a t r o l l 和l m p e c o r a 提出串联 ( c a s c a d i n g ) 混沌系统的同步思想方法。 随着同步理论的研究和发展，1 9 9 4 年，d o u g l a s n 7 1 等提出混沌数字调制解调方法， 实现了多路混沌数字保密通信。随后两年，t s t o j a n o v s k i 等提出基于脉冲新的“混沌 数字脉冲同步”方法n 8 憎1 。 近几十年来混沌理论和混沌信号的加密与解密初步取得了丰硕的成果，但在实际 运用中还存在许多实际问题，其中主要有： l 信道干扰。现在对混沌同步的研究大部分是基于理想信号的，而实际上任何一种 传输信道在一定程度上都存在幅度衰减，相位的线性和非线性失真啪1 。当混沌信号经过 这样的信道时，必然会产生畸变。如何消除这一影响，将是一个重要的研究课题。 2 参数匹配幽1 。从理论上讲，混沌系统对参数匹配精度要求越高，混沌通信的保密 程度也就越高。但是在实际应用中，要制作两个或者多个参数精确匹配的系统是根本不 可能的。因而在混沌同步通信中，需要找到一种比较好的同步方法，使得系统在一定程 度的参数失配下，仍然具有良好的同步性能。找出符合安全要求且可以实现的同步通信 系统。 3 噪声干扰。混沌信号的实际传输中，噪声的干扰是必然存在的。由于混沌信号对 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 条件敏感的特点，噪声的干扰对混沌系统的同步将产生直接的影响m 1 ，在混沌同步通信 中，传输过程中的噪声和传输过程中的特殊效应( 非线性效应和色散的影响) ，都有可能 影响系统的同步性能，甚至使系统失去同步，因此必须采取适当的措施来降低或消除接 收到的信号中的噪声成分的影响。 4 提高抗破译和抗干扰的能力。目前研究较多的混沌密码和混沌加密方案，仅仅利 用了混沌信号对初始条件敏感性，还没有进一步利用混沌信号的全部。研究表明，采用 两个或者两个以上的正的l y a p u n o v 指数的超混沌系统即几个混沌系统级联，以及将混 沌数字化，混沌编码等手段，都可以大大增加窃听的难度。随着对混沌研究的深入和扩 展，混沌同步技术和混饨保密通信将会在众多领域发挥巨大的作用。 在国内对混沌保密方面的研究也很多，2 0 0 1 年禹思敏啪1 等提出了用蔡氏电路实现 两极混沌调制的语音保密通信方案和用环形蔡氏电路实现混沌反馈调制的语音保密通 信方案。同年，赵耿等提出并改进了双向数字混沌保密语音通信系统，该系统不同于混 沌数字编码，吸收了连续流混沌系统的三大保密通信思想。2 0 0 2 年胡国杰乜7 1 等提出一 种基于自同步序列密码的混沌加密系统，并将产生的混沌序列用于识别语音保密通信。 2 0 0 3 年鲍新毅啪1 等利用j m p r tp a p l s 技术开发实时语音通信程序并可以开发音视频的实 时通信。在医学领域人们把它作为研究心跳的重要手段，在计算机应用领域人们又把它 与神经网络相结合。在通信领域，人们则更是提出了很多方案将其应用于语音和数据通 信中，以提高系统的保密性能。例如：中科院物理所、北京科技大学、广西师范大学与 中国原子能科学研究院、清华大学、南京大学声学物理所、武汉大学、北京邮电大学、 北京师范大学通信兵工程学院等均有所研究，但大多侧重于混沌编码技术的研究尤其 值得注意的是，在我国“8 6 3 高科技计划的信息技术领域就包括了：信息获取与处理 技术，通信技术，以及中国高速信息示范网等。这样，新兴的混沌保密通信技术正可以 为该领域高科技发展提供了一个新的生长点。 1 3 激光混沌保密通信的研究进展 激光混沌保密通信的理论以及方案是随着激光同步的实现而发展建立的。自从1 9 9 4 年实现了激光混沌同步以来，激光混沌保密通信的思想也就随之被提出，应用大量的电 学混沌通信的研究成果，出现了各种各样激光混沌保密通信体系。1 9 9 4 年，p c o l e t 等提出激光混沌数字通信思想1 随后，1 9 9 6 年、1 9 9 7 年，v a l o d i 等跪纠就给出 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 全光激光混沌保密通信的注入混沌同步系统和延时混沌同步系统，并对模拟通信和数字 通信进行了研究，分析了参数失配、同步误差和系统参数的影响。1 9 9 6 年，c r m r i r a s s o 等数值模拟了在光纤中传输长度2 0 0 公里的激光混沌保密系统，1 9 9 9 年又给出此混沌 保密通信系统的实验结果乜l2 引。2 0 0 0 年，相继提出几种激光混沌通信体系四_ 驯。2 0 0 1 年，r a m o s 等建立了非线性光纤环振荡器系统的激光混沌通信体系m 3 。y l i u 口u 等模拟并 实验实现了可传输达g h z 以上的保密通信系统。f r o g i s t e r d 2 1 等提出了一个新颖的激光 保密通讯系统，使主激光器产生混沌的反馈光和注入从激光器的注入光均不是连续的， 且对两激光器的频率失配性要求不高。这使得更多的人关注激光保密通信系统。同年对 于该系统的理论和实验研究还有许多口3 3 4 1 。2 0 0 2 年，提出了采用单个接收系统的混沌键 控汹1 。同年又提出了开关相移键控的混沌保密通信方案汹1 。2 0 0 3 年，f z h a n g 啪1 考虑 了采用掺饵光纤激光器同步通信系统中光纤传输对混沌系统的影响。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口7 1 ，从而提出了利用多模半导体进行波分复用的 设想并进行了分析。同年，j o np a u l 啪1 等人研究了双信道的外腔混沌光通信系统。2 0 0 5 年，混沌保密通信的研究又上了一个新的台阶。一个2 4 g h z 的t v 信号应用混沌保密通 信系统成功传输口9 | 。s h o r e 教授等人用一个多模激光器同两个单模激光器实现了混沌同 步m 1 并提出混沌接收机对混沌波和周期信号的相应是独立的h 5 1 。2 0 0 6 年，为了解决长距 离传输问题，提出了采用一个激光器作为中继器连接主从激光器实现混沌通信的方案 “。2 0 0 7 年，双向同步获得较多的研究h 2 瑚1 并数值实现了半导体混沌应用的双向通信m 1 。 1 4 论文的主要研究内容和结构安排 1 4 1 论文的主要工作 对于混沌在信息隐藏和保密通信等领域的发展和存在的问题，本论文主要放在对闭 环结构的混沌保密通信系统中半导体激光器作为接收机对信号的滤波特性的研究。分析 了半导体激光器作为接收机的滤波机理，实现了高频信号的传输。研究了系统的参数对 接收机滤波特性的影响。 ( 1 ) 对于给定的系统模型，给出了描述其动力学过程的速率方程，利用公式 推导出接收机的响应函数。 ( 2 ) 研究了接收机对同一幅度下不同频率和同一频率下不同幅度的信号的滤 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 波特性。 ( 3 ) 通过对接收机滤波机理的分析，改进了系统的模型，实现高频信号的传 输。 ( 4 ) 利用两种加密方案，研究了系统的参数失配对接收机滤波特性的影响。 1 4 2 论文的结构安排 论文主要针对混沌保密通信中半导体激光器作为接收机滤波作用的应用，对它的滤 波机理，系统参数对接收机滤波的影响等方面作了一些研究工作。各章节的主要内容安 排如下。 第一章综述了混沌保密通信的历史，研究现状，应用前景。从实际需要和科学技术 发展出发，引入研究接收机滤波特性的重要性，并阐述了本论文的具体研究工作。 第二章综述了半导体激光器的优点。详细介绍了半导体激光器产生混沌的方法。混 沌同步的类型，方案及评价标准及混沌保密通信的加密方案。 第三章利用给定的系统模型，研究了半导体接收机的滤波机理。公式推导出了接收 机的响应函数。数值模拟了接收机对不同频率不同幅度下的信号滤波特性。改进了先前 给出的系统模型，实现高频信号的传输。 第四章研究了两种加密方案条件下，系统参数对接收机的滤波特性的影响。先就模 拟通信方式进行研究，信息通过混沌隐藏的方法进行加密，引入信噪比表征系统信号的 传输质量。通过对比同步质量和提取信号的质量，来说明接收机的滤波质量。随后，采 用数字通信方式对其进行相同的研究，得到相同的结果。 第五章总结全文研究内容，并对今后的研究工作做了一些展望。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 引言 第二章半导体激光器混沌同步的分析 2 0 世纪6 0 年代，激光器的发明，开创了光信息理论和技术发展的时代，激光器成 为了光通信主要光源，然而，半导体激光器与其它激光器相比具有如下几方面显著特 征：( 1 ) 有很强的自发辐射：( 2 ) 激光介质的折射率随着光强而变化并强烈依赖于载流子 或粒子数分布及反转密度，而激光增益和频率依赖于载流子密度，外场注入和激光的产 生使得载流子耗尽，极大地影响了半导体激光器动力学行为：( 3 ) 激光腔端面反射率较 小，激光器对外界的微扰是“开放”的：( 4 ) 体积小，重量轻，价格便宜，使用寿命长， 具有直接调制能力和很高光电转换效率。由于半导体激光器对外光学扰动极其敏感，系 统具有十分丰富的动力学行为，且半导体激光器在一定条件下能产生一定范围混沌区 域，因此半导体激光器成为激光混沌在光纤保密通信中的理想光源，基于此，本章对半 导体激光器混沌系统基本理论进行讨论。 2 2 半导体激光器混沌系统的理论模型 单模半导体激光器可以用l a n g k a b a y a s h i 所提出的理论模型来描述，其速率方程 如下： 警= 扣训瓯一扣， ， 型：等一_ 1 ( f ) 一吼m 1 2dt q y 乙 “。 这里q = g ( 一) ，为方便分析，将半导体激光器的参量及各参量的关系分别列 入表2 - 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2 1 激光器参量的意义 t a b l e2 1q u a n t i t yo fp a r a m e t e r s 经过数值模拟可知，半导体激光器在无外部扰动时，当注入电流超过阈值( 满足产 生激光的条件) ，激光器的输出经历短时间驰豫振荡，系统很快就达到稳定。只有在半 导体激光器中增加一个自由度，才能实现半导体激光器的混沌输出。增加混沌自由度可 以通过外部光注入、光反馈和光电反馈来实现。 1 外部光注入 半导体激光器中增加一个外部光注入就是在半导体激光器上注入适当强度的外部 光。图2 1 是这种外部注入半导体激光器混沌系统的方案图。其中历。和州，分别为 外部注入的光场强度和注入的失谐量。根据l a n g k o b a y a s h i 方程，光注入半导体激光 器理论模型的速率方程组可以表示为： 掣= 圭( 1 + 缸) g ( r ) 一o 卜丢) e ( f ) + ( f f ) e x p ( - i a m r ) ( 2 _ 3 ) 百d n = 等一专) _ g ( f ) o 】1 2 ( 2 4 ) 其中为注入系数，位外部注入光场的慢变振幅，= 。一州是外部注入光 与激光器中心频率的失谐量，t o o 为激光器的中心频率。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 l m j l dl d e x t e r n a l s o u r c e o p t i c a l i s o l a t o r c h a o s s o u r c e 图2 - 1 外部注入半导体激光器混沌系统 f i g 2 1t h ec h a o ss c h e m ew i t he x t e r n a lo p t i c a li n j e c t i o nl a s e r 2 外部光反馈的半导体激光器 外部光反馈就是在半导体激光器的外部，通过放置反馈的器件使得激光器输出经反 射器件返回到激光器。外部反馈可以是相干光的反馈，可以是非相干光反馈，可以是一 般的平面镜反馈也可以是相位共扼反馈或过滤光反馈。我们就以一般的平面镜反馈来进 行描述，它的结构如图2 - 2 所示。 为： 一日 c h a o s s o u r c e r e f l e c t o r 图2 2 光反馈型半导体激光器混沌系统 f i g 2 - 2t h es e m i c o n d u c t o rw i t ho p t i c a lf e e d b a c k 根据l a n g k o b a y a s h i 方程，光反馈半导体激光器理论模型的速率方程组可以表示 警= 扣训g - 0 】一扣卅蝴h ) e x p ( - i a c o r ) ( 2 一s ) 警= 等一扣) - g 【( f ) - o 】1 2 其中辟为反馈系数，下是光在激光器中往返一次所用的时间。如果是其他的反馈类 型，速率方程中的反馈项b 需要用相应反馈所对应的函数形式来代替。我们可以看到 反馈的半导体激光器混沌系统表现出极为复杂的混沌动态，我们这篇文章中所采用的混 沌源即为反馈的半导体激光器混沌系统产生的。 3 延迟光反馈的半导体激光器 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 延迟光电反馈就是把半导体激光器的输出用光电检测器件检测后，采用适当的电路 进行处理( 放大，时间延时或者其他的手段) 转化成电信号，这个电信号反馈到激光器并 与激光器的偏置进行迭加，进而控制半导体激光器产生混沌的方式。另外，半导体激光 器在外部电流调制的情况下也可以产生混沌输出，但是这种方式并没有应用于保密通信 的报道。因此我们只对延迟光电反馈的混沌系统进行分析，延迟光电反馈的大致结构如 图2 3 所示。 里扣咽 i p d l 图2 3 光电反馈的半导体激光器混沌系统 f i g 2 3t h ec h a o ss c h e m ew i t hp h o t o e l e c t r i cf e e d b a c k 延迟光电反馈的半导体激光器可以使用下面的速率方程来描述4 8 删： 詈一坍s ( 2 7 ) 百d n2 卦善半卜肛筘 ” 其中的5 是内腔的光子数密度，岛是激光器在自由运行时内腔光子数密度，载流 子数密度，j 是偏置电流密度，g 是光学增益系数，c 是反馈延迟时间，堤无标度的反 馈系数。对于正的反馈( p o e f ) ，争0 ，这个时候实际的注入电流就是反馈的电流和激光器 的偏置电流之和；对于负的反馈类型( n o e f ) ，乒0 ，这个时候实际的注入电流就是偏置的 电流与反馈的电流之差。由于本文的主要工作是基于光反馈半导体激光器进行的，故文 中对光电反馈类型的混沌没有进行更多的分析。 2 3 半导体激光器的混沌同步 激光系统中混沌同步一般可以分为两种：强度同步和位相同步。激光输出强度变化 一致是最为常见的同步现象，叫做强度同步( i n t e n s i t ys y n c h r o n i z a t i o n ) 。强度同步又可以 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 分为：超前同步 ( a n t i c i p a t i o ns y n c h r o n i z a t i o n ) ，强光注入锁定同步( s t r o n g i n j e c t i o n l o c k i n gs y n c h r o n i z a t i o n ) ，间隙同步 ( i n t e r m i t t e n ts y n c h r o n i z a t i o n ) 等等。完全 同步略吲是指激光器的输出强度完全一致的情况：强光注入锁定同步口刮是指两台激光器 的输出关系不是相等关系的一致，而是满足一定的函数关系，也就是说两台激光的强度 输出的位相不是一条直线，而是一条单值的函数曲线：在最近的研究中，人们发现外腔 半导体激光器系统e c s l s ( e x t e r n a lc a v i t ys e m i c o n d u c t o rl a s e r s ) 中的间歇同步，在这种同 步中，强度某些时候是同步的，在另外一些时候是不同步的或者准确的说是不关联的， 同步状态和不关联状态两种状态交替出现，形成间歇同步：而位相同步的特点是激光输 出强度可能是不相关的，但是他们的输出相位却是相关联的，譬如说输出位相有锁定的 关系。本文主要研究强度同步。 2 3 1 混沌同步类型 前面我们理论上分析了半导体激光器混沌同步，半导体激光器可实现的混沌同步类 型主要是超前同步和强光注入锁定同步。超前同步是当两个系统达到同步时，接收端激 光器的输出波形超前于发射端激光器的输出。完全同步是超前同步的一个特例，完全同 步就是发射端的输出和接收端的输出完全相同。强光注入锁定同步是指外部注入系数足 够大时接收激光器在外部注入的驱动下实现混沌振荡。在这种情况下接收端激光器表现 为注入端的线性响应；而且实现混沌时，接收端输出一般是发射端输出的倍数。 我们以反馈型半导体激光器混沌同步系统来分别对几种混沌同步的特点进行分析。 ( 如图2 4 ) 图2 4 开环单向耦合的反馈型半导体激光器的混沌同步结构 f i g 2 - 4t h eo p e n l o o pc h a o ss y n c h r o n i z a t i o ns c h e m eo fs e m i c o n d u c t o rl a s e rw i t ho p t i c a lf e e d b a c k 发射机和接收机的动力学过程可用考虑光反馈与光注入的半导体激光器l a n g l l 太原理工大学硕士研究生学位论文 一k o b a y a s h i 单模速率方程来描述： 主激光器可表示为： 掣= 弘r eh ) + 辟驰小o s ( 蝴 学= 竺2 ( q 一廿弓帮s i n ( ) d n i r 厂( t ) = i i t ( 矿t ) 一i 1 坼o ) 一瓯i 辟( f ) 1 2 从激光器为： 掣2 水一扣+ 易( ) c o s 叭，) ) 了d c r ( t ) = 水一舟掣s i n 叭咖 d n 五r 广( t ) = i i r ( 矿t ) 一i 1 心( r ) 一qi k ( f ) 1 2 其中： q = g 坼j 一o 岛，月( f ) = 研，r f + 办( ，) 一办( t - r ) 矽f ，) ：a o t + r o r r i i + 矽。( f ) 一磊f f t 1 式中脚标“丁和“尺”分别表示发射、接收系统；e 和分别是激光器腔内复电场 强度和载流子密度；函是相位：为线宽增强因子；g 为微分增益系数；n o 为透明载流 子密度；为光子寿命：z n 为载流子寿命；f 为光在外谐振腔的往返时间；为光从发射 激光器到接收激光器的延迟时间；0 3 为半导体激光器的输出角频率；a 6 0 = 0 9 r 呶为发射 机和接收机之间的频率失谐。t ( o 为半导体激光器的抽运电流密度，y 为激光腔的有源区 体积；留为电荷电量；同时定义带反馈半导体激光器的反馈系数缸和发射机注入到接收 机的注入系数分别为： 1 2 ( 2 1 4 ) ) 归 0 i 功 聊 埘 埘 q 弘 陆 弘 任 半一l = r 纷 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 1 5 ) 其中和_ 分别是激光器输出端面和外部反射镜面的反射率。是光在激光器谐振 腔内的往返周期：，= n i 为外光反馈注入到激光器谐振腔的注入比。 1 超前同步( a n t i c i p a t i n gc h a o ss y n c h r o n i z a t i o n ) 超前同步是指在混沌同步系统中接收端的输出超前于发射端输出的现象，这是一个 非常有趣的现象。在上面的系统中，发射端激光器外部反馈使得激光器的输出经过一定 的时间延迟返回到激光器，所需要延迟时间为t 而发射端的输出传输到接收端也会出现 时间延迟t ( 传输延迟) 。当主激光器采用光反馈系统时，如果发射系统( 主激光器) 的反 馈延迟时间t 大于光从发射系统传导到接收系统( 副激光器) 的延迟时间0 时，就有可能 出现超前同步5 1 1 。当然如果主激光器的反馈延迟时间t 小于副主激光器到达副激光器的 传输延迟时间t 时，接收 系统的输出会出现滞后于发射系统的输出，即所谓的滞后同步。实现超前同步的条 件可以表示为： e r ( 0 = e t ( t - a 0 ；吐k ( t ) = a i r ( t a 0 一m o a t ；n r ( t ) = n t ( t - a t ) ；k r - - - k t ；a o = 0 ；a t = - t t 完全同步是超前同步的一个特例，所谓完全同步就是当主激光器和副激光器的参数 完全相同时的同步现象，它要求副激光器的注入系数和主激光器的反馈系数相同，并且 具有相同的延迟时间，即r c = f 。那么经过一段时间后，副激光器的输出和主激光器的输 出完全一致，并且这个一致性不随初始条件的不同而改变。当系统实现完全同步时，系 统需要满足下面的条伊锎 蹦t ) 面“t ) ；n r ( 0 = n t ( t ) ；k r 嘞； t = t ； a t e = o ； 2 强光注入锁定同步( s t r o n gi n j e c t i o n l o c k i n gc h a o s ) 强光注入锁定同步是在接收激光器处于较强注入的情况发生的。在这种情况下，接 收激光器就类似一个“放大器”，把发射激光器的混沌输出进行放大，当然这个“放大 器”和其他的放大器不同，它只会把发射端激光器的输出混沌波形进行放大，而不会放 大发射端信号携带的其他信息，此时它又具有滤波的作用。要实现这种类型的同步，要 求外部注入系数足够大，以保证接收端的激光器是在外部注入的驱动下实现混沌振荡， 半上 = 七 太原理工大学硕士研究生学位论文 接收激光器的作用只是对另外一个激光的混沌输出进行放大和滤波。其注入系数幻一般 是反馈系数七r 的1 0 倍以上。对应的表达式7 黾 5 2 , 6 2 1 ： e r ( t ) o c e t ( t - a t ) ；仁t 2 3 2 混沌同步方案 目前人们基于光反锁半导体激光器系统的混沌同步，提出了比较多的方案。根据激 光器产生混沌机制的不同可以分为光注入【3 9 1 、光反馈4 6 1 和光电反剧4 7 1 。混沌同步也可 以根据激光器的类型进行分类，比如光纤激光器、半导体激光器等；也有根据发射端和接 收端的结构进行分类的，可以分为对称和非对称结构其中的对称和非对称是指接收端和 发射端的结构5 3 1 ；也有根据接收激光器的情况进行分类，把系统分为开环和闭环结构5 3 1 ； 因为半导体激光器的混沌同步方案种类繁多，我们仅以图中所示系统进行分析，图2 5 就是系统的结构示意图。 图2 5 闭环系统的结构示意图 f i g 2 - 5t h ec l o s e d l o o pc h a o ss y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e 由于发射端和接收端的结构是完全相同的，因而它属于对称结构；发射端是通过外部 光反馈产生混沌系统，因而它是光反馈的系统。发射端的输出光是单向注入到接收系统 的，因而它是一个单向耦合的系统；由