（信号与信息处理专业论文）基于互耦半导体激光器超前滞后同步转换的研究.pdf

独创性声明 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己在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者：掀；妫 签字日期： 抄，年 r 月土日 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：j 九硷季 导师签名： 签字日期：a b ，f 年，月工日 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 混沌的基本理论2 1 2 1 混沌的定义2 1 2 2 混沌的基本特性3 1 2 3 通往混沌的道路4 1 3 混沌同步4 1 4 激光器混沌同步研究现状6 1 5 激光混沌通信存在的问题7 1 6 本文研究的内容和意义7 参考文献：一8 第二章基于互耦半导体激光器的激光混沌同步性能研究1 3 2 1 引言l 3 2 2 实验装置一：1 3 2 3 实验结果1 4 2 4 系统模型及理论分析。1 6 2 5 小结1 8 参考文献：18 第三章基于互耦半导体激光器超前滞后混沌同步转换研究2 l 3 1 引言21 3 2 实验结果与分析2 1 3 3 理论分析一2 4 3 4d 、结2 6 参考文献：一2 7 第四章基于互耦半导体激光器的混沌保密通信研究3 0 4 1 引言3 0 4 2 系统模型3 0 4 3 理论分析及信号传输3 l 4 4 卅、结3 2 参考文献：一3 2 第五章结束语。3 5 攻读硕士期间发表论文3 6 致谢3 7 两南大学石页十学伊论文 捅婴 基于互耦半导体激光器超前滞后同步转换的 研究 信号与信息处理专业全日制硕士研究生：沈金亭 指导教师：吴正茂教授 摘要 随着光混沌通信技术的发展，双向、多向乃至网络混沌保密通信将成为信息 安全传输发展的必然。因此，基于两个半导体激光器延时互耦的双向混沌保密通 信逐渐成为一个新的研究热点。在完全对称的互耦半导体激光混沌系统中，由于 自发辐射噪声的影响难以获得稳定的混沌同步。虽然通过引入光反馈或者采用极 端不对称的互耦可以获得稳定的混沌同步，但这必将增加系统的复杂程度。因此， 结构简单、便于控制、能实现稳定混沌同步的互耦系统将更具有实际的应用价值。 本文提出了一种简单的方案，即将两个互耦激光器的电流非对称偏置，实验 上实现了稳定的超前或滞后混沌同步，并深入研究了激光器偏置电流对超前或滞 后混沌同步的影响。选取两个内部参数一致的半导体激光器搭建了一个互耦系统， 通过改变两个激光器的偏置电流研究了该互耦系统的混沌同步性能。研究结果表 明：当两个激光器的偏置电流相同时，两个激光器输出的混沌信号的相关系数具 有两个近似相等的极大值，说明此时的混沌同步为不稳定同步，两个激光器之间 的超前和滞后关系会发生随机的变化；当固定一个激光器的偏置电流而改变另一 个激光器的偏置电流时，两个激光器之间将呈现稳定地超前或滞后同步，随着电 流的变化，这种稳定地超前或滞后关系将发生转换。在两个激光器输出的混沌信 号中，具有较大偏置电流的半导体激光器的混沌输出将超前于另一个激光器的混 沌输出。由于较大偏置电流下的激光器具有更长的波长，因此也可认为具有较长 波长的激光器占据领先地位。利用相关的理论模型对上述问题进行了数值仿真， 仿真结果与实验观测结果吻合。 最后，采用c s k 编码方式，理论研究了该互耦系统的保密通信性能。对于2 5 0 m h z 的随机信号，通过c s k 方式加载到发射激光器偏置电流中，在传输过程中信号可 以得到很好的隐藏同时在接收端能够得到很好的解调。 关键词：混沌；延迟互耦；半导体激光器；混沌同步；超前滞后同步；混沌保密 通信 i 一 co n v e r s i o nb e t w e e na n t i c i p a t i n ga n dl a gc h a o s s y n c h r o n i z a t i o n i nm u t u a l l yc o u p l e ds e m i c o n d u c t o r l a s e r s m a j o r ：s i g n a la n d i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g a d v i s o r ：p r o f z h e n g m a ow u a u t h o r ：j i n t i n gs h e n a b s t r a c t m e s s a g et r a n s m i s s i o nt h r o u g hb i d i r e c t i o n a l ，m u l t i d i r e c t i o n a l ，a n de v e n n e t w o r ki s t h ei n e v i t a b l ed e v e l o p i n gt r e n dw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g i e so ft h eo p t i c a l c h a o sc o m m u n i c a t i o n t h e r e f o r e ，b i d i r e c t i o n a lo p t i c a lc h a o t i cs e c u r ec o m m u n i c a t i o n h a sb e c o m ean e wr e s e a r c hf o c u s f o rc o m p l e t e l ys y m m e t r i c a lm u m a l l yd e l a y - c o u p l e d s e m i c o n d u c t o rl a s e r s ( s l s ) ，t h ec h a o ss 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 s b e h a v ei na n a n s t a b l ew a yd u et os p o n t a n e o u ss y m m e t r y - b r e a k i n gp h e n o m e n a b yi n t r o d u c i n ga n a d d i t i o n a lo p t i c a lf e e d b a c ko re x t r e m e l ya s y m m e t r i c a l l ym u t u a l l yc o u p l e ds l s ，s t a b l e c h a o ss y n c h r o n i z a t i o nc a nb er e a l i z e d h o w e v i tw i l lm a k e t h es y s t e mm o r ec o m p l e x s o t h ee a s y c o n t r o l l e dm u t u a l l yc o u p l e ds y s t e m ，w i t hs i m p l es t r u c t u r e ，s t a l ec h a o s s y n c h r o n i z a t i o nw i l lh a v e m o r ea c t u a la p p l i c a t i o nv a l u e t h i sp a p e rp r o p o s e sa l le a s i e rs c h e m e b a s e do nas i m p l em u t u a l l yc o u p l e ds c h e m e c o n s t r u c t e db yt w os i m i l a rs l sw i t ha s y m m e t r i c a lb i a sc u r r e n t s ，t h es t a b l ea n t i c i p a t i n g o rl a gc h a o ss y n c h r o n i z a t i o nh a sb e e ne x p e r i m e n t a l l yo b s e r v e d ，a n dw ea l s os t u d yt h e i n f l u e n c eo fb i a sc u r r e n t so na n t i c i p a t i n go rl a gs y n c h r o n i z a t i o n f o rt h et w os i m i l a r s l su s e di nt h ee x p e r i m e n tw h i c hh a v ec o n s i s t e n ti n t e r n a lp a r a m e t e r st oc o n s t r u c ta m u t u a l l yc o u p l e ds y s t e m ，t h ec h a o ss y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c e h a sb e e ns t u d i e dd u e t ot h ec h a n g e so ft h eb i a sc u r r e n t s t h er e s u l t ss h o wt h a t ：w h e nt h eb i a sc u r r e n t so f t h e s l sa r ee q u a l ，t h ec h a o so u t p u t sh a v et w oa p p r o x i m a t e l ye q u a lm a x i m a , t h i s m e a n st h e c h a o so u t p u t sa r eu n s t a b l es y n c h r o n i z a t i o n , a n dt h ea n t i c i p a t i n go rl a gs y n c h r o n i z a t i o n w i l lo c c u rr a n d o mc h a n g e s t h r o u g ha d j u s t i n gt h eb i a sc u r r e n to f as la n df i x i n gt h a to f t l l eo t h e ro n e t h et w os l sw i l lb e h a v es t a b l ea n t i c i p a t i n go rl a gs y n c h r o n i z a t i o n , a n d w i t ht h ec h a n g e so fb i a sc u r r e n t s ，t h es t a b l ea n t i c i p a t i n go rl a gr e l a t i o n s h i pw i l lc h a n g e i i t h ec h a o so u t p u ti nt h es lb i a s e da tar e l a t i v e l yh i g h e rb i a sc u r r e n tl e v e la n t i c i p a t e s t h a to ft h eo t h e rs l 。c o n s i d e r i n gt h a tt h es lw i t hah i g h e rb i a s c u r r e n tl e v e lw i l l o s c i l l a t ea tal o n g e rw a v e l e n g t h , s ow ec a i lt h i n kt h e s lw i t hal o n g e rw a v e l e n g t h b e c o m e sm el e a d e r f u r t h e r m o r e ，t h ec o r r e s p o n d i n gt h e o r e t i c a la n a l y s e s h a v eb e e n g i v e n ，a n dt h et h e o r e t i c a lr e s u l t sc o i n c i d ew i t ht h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s f i n a l l v t 1 1 es e c u r 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 em u t u a l l yc o u p l e ds y s t e m a r et h e o r yi 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 m h z r a n d o ms i g n a ll o a d e di n t ot h e b i a sc u 订e n to ft r a n s m i t t e rl a s e r ,m e s s a g e s c a nb ew e l lh i d d e na n de x t r a c t e d s a t i s f a c t o r i l yf r o mr e c e i v e r1 a s e r k e y w o r d s ：c h a o s ；d e l a y e dm u t u a l l yc o u p l i n g ；s e m i c o n d u c t o rl a s e r ；a n t i c i p a t i n ga n d l a gs y n c h r o n i z a t i o n ；c h a o ss e c u r ec o m m u n i c a t i o n i l i 两南大学硕十学位论文 绪论 第一章绪论 1 1 引言 混沌现象在我们的物质世界里无处不在，从宇宙到分子、原子，都要受到混 沌理论的支配。混沌是一种貌似无规则运动，指在确定性的非线性系统中，不需 要附加任何随机因素也可以出现类似随机行为。混沌科学与其他学科相互交错渗 透，在通信、激光物理、信息科学、电子学、人脑科学等多个领域中得到了广泛 的应用。因此混沌科学是随着现代科学技术的迅速发展，特别是在计算机技术出 现和普遍应用的基础上发展起来的新兴学科。 近年来，利用计算机来窃取军事或经济情报等犯罪活动屡见不鲜。保密通信 的主要目的是用某种方法把被传送的信息加密。只有掌握正确的密匙，才能对接 收到的信息解密，否则即使截取了信息，也难以破译。然而，在计算机技术迅速 发展的今天，它为破译加密系统提供了非常有力的工具。在目前的情况下，非常 有必要寻找一种切实有效地保密通信方法来确保网络通信的安全。混沌系统的最 大特点是在于系统的演化对初始条件非常敏感，两个完全相同的混沌系统，即使 是从极为相似的初始条件开始演化，它们也很快会变成互不相干的两个轨迹。因 此从长期意义来讲，系统的未来行为都是不可预测的【m 】。但是对于混沌系统又是 确定的，可以由参数、初始条件和非线性方程所决定，从而使得混沌信号容易产 生和复制【3 训。所以，可以利用混沌信号的复杂性，不可预测性以及易于实现等特 点，把它作为一种信息传输的载体来进行保密通信。 然而，利用混沌的特性进行保密通信需要解决的一个重要的问题就是怎样实 现混沌同步【5 】。混沌同步，是让混沌通信系统中的发射系统的混沌载波信号与接收 系统的混沌信号同步，并且要与初始条件无关。在自然界及实验室里有大量的同 步现象，非常具有普遍性。然而，在早期的研究中，人们一直认为在实验室内要 制成重构相同的完全同步的混沌系统是绝对不可能的事情。直到上世纪九十年代 美国海军实验室研究员p e c o r e 和c a r o l l 等人首次证明了混沌同步，并且在电路系 统中观察到了混沌同步现象【6 】。这个令人吃惊又欣喜的发现，冲破了人们思想的禁 锢，并开启了混沌研究的新领域。随后，许多国家投入大量的人力、物力研究混 沌，在各个方面取得丰硕的成果，混沌以及混沌同步己成为热门研究领域j ，先后 提出了多种电路混沌同步的保密通信方案睁1 1 】然而，典型的电路混沌系统中带宽 较窄以及产生较高的损耗，且产生的是低维混沌信号，利用重构混沌吸引子，从 而信号很容易被截获，这使得电路混沌系统在远程通信中的应用受到了限制。光 混沌系统与前者相比，具有很大的优势。光混沌系统具有极大的带宽和极小的传 输衰减，且动力学行为更加复杂，并且对参数具有高度敏感性，因此更适合远程 两南大学硕十学伊论文绪论 保密通信。因此，光混沌同步保密通信具有更为重要的研究和实用价值【l 二2 5 j 。 半导体激光器由于具有体积小、价格便宜、可集成性强，在光反馈、光注入 或者光电反馈等外部扰动下可产生大带宽的混沌输出，因此基于半导体激光器的 混沌同步逐步成为高速保密通信领域的研究热点。2 0 0 5 年，a a r g y r i s 等人在希腊 雅典利用商用光通信网络成功实现了速率1 g b i t s ，距离达1 2 0 k m 的单向光混沌保 密通信现场实验【2 引。然而，只能单向进行的通信传输是很不够的。信息的双向、 多向、乃至网络化传输是信息的必然发展趋势。因此基于延迟互耦半导体激光器 的混沌同步是本文的主要内容。 1 2 混沌的基本理论 “混沌( c h a o s ) 也作“浑沌”， 因素亦可出现类似随即过程的表现。 普遍。 1 2 1 混沌的定义 是非线性确定性系统中不需要附加任何随机 它是现实世界中的一大类现象，比有序更为 由于混沌系统的奇异性和复杂性至今仍未被人们完全了解，所以至今混沌还 没有一个统一的定义。1 9 7 5 年，李天岩( t yl i ) 和j a y o r k e 【2 7 】在他们著名的 论文“周期3 意味着混沌”中给出了闭区间上连续自映射的混沌定义2 8 1 ，在文中 首次提出了c h a o s 这个名词，并为后来的学者所接受，现被人们称为l i y o r k e 定 义。描述如下【2 9 】： 设f i x ) 是 a ，b 上的连续白映射，若f 【x ) 有3 周期点，那么对任何正整数n ，f x ) 有n 周期点。 混沌定义( l i y o r k e ) ：区间i 上的连续自映射f ( x ) 如果满足下面的条件，便可 称f 【x ) 在s 上是混沌的： ( 1 ) f 的周期点的周期无上界； ( 2 )闭区间i 上存在不可数子集s 满足： 对任意为y s ， x y 时，有l j m s u p l ”( x ) - f ”( y ) l 0 对任意而y s ，有! i m i n f f “( x ) 一f “( y ) i = o 对任意x s 和f 的任意周期点y ，有o m s u p l ”( x ) 一f 4 ( 少) l o 根据上述定义，对于连续函数f 【x ) ，如果存在一个周期为3 的周期点时，就一 定存在任何正整数的周期点，那么一定会出现混沌现象。即“周期3 意味着混沌”。 l i y o r k e 定义是影响最大的一个，根据该定义，1 9 8 3 年，d a y 认为并准确地描述 了混沌运动的三个重要特征：第一，存在可数无穷多个稳定的周期轨道；第二， 2 两南大学硕十学伊论文绪论 存在一个不可数无穷多个稳定的非周期轨道，且该集合不存在渐进周期轨道；第 三，混沌轨道至少存在一个不稳定的非周期轨道。但是该定义很难判断一个系统 是否为混沌系统。所以在1 9 8 9 年，r l d e v a n e y 给出了一个更为直观、更容易理 解的定义【3 u j ： 设v 为一集合，一个连续映射f ：v v 称为f 在v 上是混沌的，如果满足一 下三个条件： ( 1 ) f 时拓扑传递的 ( 2 ) f 有对初始条件的敏感依赖性。 ( 3 ) f 的周期点在u 中稠密。 该定义说明混沌的映射具有三个要素：不可预测性、不可分解性、规律性。 由于混沌系统对初值具有敏感依赖性，使得混沌系统是不可预测的；又由于拓扑 传递性使得混沌系统不能被细分为两个在f 下相互影响的子系统。而周期点在u 中稠密表明系统具有很强的确定性和规律性，即形似紊乱而实则是有序的。 1 2 2 混沌的基本特性 混沌运动是一种不稳定有限定常运动，即为全局压缩和局部不稳定的运动， 或者除了平衡、周期、准周期以外的有限定常运动。这里的有限定常运动是指运 动状态并不随时间而改变，这个定义指出了混沌的两个基本特征【3 l j ：不稳定性和 有限性。混沌运动具有复杂的运动形态，它的定常状态不是确定性运动的三种定 常状态：静止、周期运动和准周期运动，而只存在于有限区域且轨道永不重复且 形态极为复杂的运动，它通常被描述成为具有无限大周期的周期运动或貌似随机 的运动等。这使得混沌运动有着自己的特性【3 l - 3 2 】： ( 1 ) 稳定性。混沌运动的轨迹最终会局限在一个确定的区域里，这个区域叫 混沌吸引域。不管混沌运动多么不稳定，它的运动轨迹都不会走出这个混沌吸引 域。所以混沌整体上是稳定的。 ( 2 ) 遍历性。在混沌系统的时间演化过程中，混沌运动是各态历经的，即系 统可以经过混沌区域内部的每一个不稳定的周期轨道的任何邻域。 ( 3 ) 内随机性。在一定条件下，当系统中的某个状态可能出现，也可能不出 现时，就可以认为系统具有随机性。一般来说是在系统受到外界干扰时才会产生 这种随机性。 ( 4 ) 普适性。它是指某些系统在趋向混沌态时所表现出来的共同特征，且不 依赖于具体的系统方程或参数。具体表现为几个常见的混沌普适参数，如 f e i g e n b a u m 参数。普适性是混沌内在规律的一种体现。 ( 5 ) 对初始条件的敏感性。混沌的本质特征通常是指混沌系统对初始条件的 3 两南大学硕十学伊论文 绪论 高度敏感性及不稳定性。这一特性导致了混沌系统的不可预测。在很多应用领域， 当一个确定性系统非常依赖于系统的初始条件时，就称这个系统是混沌的。 ( 6 ) 统计特性。混沌系统，必须有一个正的l y a p u n o v 指数或者具有连续功 率谱等。 1 2 3 通往混沌的道路 当系统参数变化时，系统从简单的运动状态( 平衡、周期、准周期运动) 过 渡到混沌运动状态的过程，即为通向混沌的道路，有以下几种 3 3 】： ( 1 ) 倍周期分叉道路 这条道路是由p m y r b e r g 和b b m a n d e l b o r t 等一批科学家共同努力发现 的。其基本特点是：系统从稳定状态，经过两倍周期点、四倍周期点直至无限周 期凝聚即极限点最后到达奇怪吸引子。1 9 7 6 年，著名学家p m y r b e r g 在一篇对 混沌理论发展非常重要的一篇综述性文章中指出，生态学中一些简单的数学模型， 具有非常复杂的动力学行为，其中包括分岔和混沌。随后，m f e i g e n b a u m 发现 了倍周期分岔中的普适参数和标度性。而这两个常数是一切倍周期分翁所共有的， 鉴于m f e i g e n b a u m 的出色贡献，有时也称这种倍周期分岔道路为f e i g e n b a u m 道 路，它是通向混沌的主要道路之一。 ( 2 ) 阵发( 间歇) 混沌道路 法国科学家p m a n n e v i l l e 和y p o m e a u 于1 9 8 0 年提出了一条通向混沌的道 路，即阵发混沌道路，又称p m 类间歇道路 3 4 1 。当系统的某一参量接近某一阈值时， 系统会呈现出明显的周期运动或者近似周期的行为。随后，这种近似的周期运动 将会被突发的短暂的混沌运动所扰乱，之后又变成周期运动；随着参量进一步的 变化，这种突发现象变得越来越频繁，近似的周期运动几乎完全消失，而整个系 统最后完全进入混沌状态。 ( 3 ) 准周期混沌 由法国科学家f t a k e n s 和d r u e l l e 于7 0 年代提了准周期混沌道路，它认为 只要四次分岔甚至三次分叉就可以进入混沌状态。其基本特点是：系统从稳定状 态到周期运动，进而进入准周期运动，直至最后的混沌运动。除了以上三种通向 混沌的道路之外，还有k a m 环面破裂混沌道路。 1 3 混沌同步 混沌同步，就是要通过适当的方法，让两个混沌系统( 处于不同初始条件出 发) ，随着时间的推移，运动子轨道趋于一致。从总体上讲混沌同步是混沌控制的 范畴。迄今为止人们已经提出很多种类型的混沌同步方案。最早提出来的混沌同 4 两南大学硕十学伊论文绪论 步方案是驱动响应混沌同步，它是在1 9 9 0 年由p e c o r a 和c a r r o l l 6 共同提出来的。 混沌同步有四种不同的类型 3 5 。4 3 1 ，即完全同步，相同步、滞后同步和广义同步。 驱动一响应系统由下述方法描述：对于系统 r i 文= 石 乃f ) 1 夕= 五 蚋x 毗y 1 u o d 令z = ( x ，y ) 7 ，称系统( 1 1 ) 的轨道矽( z ，t ) 关于性质g ，和g ，同步，如存在与时间无 关映射h ：r ”r ”专r ，使得 熙m g ， i | = 0 ( 1 2 ) 则认为该系统与驱动系统达到同步。 另一种同步方案是基于耦合的混沌同步，即通过适当的方式由两个系统互相 耦合达到混沌同步。半导体激光器混沌同步可分为单向耦合混沌同步和双向耦合 混沌同步。图1 1 中给出了半导体激光器的单向耦合的混沌同步结构，图1 2 为双 向耦合混沌同步结构。 m a s t e rl a s e rs l a v el a s e r l 冷l l 1 日l rr i s o l a t o r 图1 1 半导体激光器的单向耦合的混沌同步结构 m a s t e rl a s e rs l a v el a s e r n d f 图1 2 半导体激光器的双向耦合混沌同步结构 5 两南大学硕十学伊论文 绪论 1 4 激光器混沌同步研究现状 激光和激光技术迅速的发展以及激光的普遍应用，极大地推进了科学技术的 发展。从而在非线性科学领域，也有了长足的进展。光学系统中的非线性现象极 为丰富，例如激光器输出的自脉动、周期、准周期以及混沌现象。激光器的参数 比较容易调节和控制，实验现象容易重复，所以光通信具有较大的带宽和较小的 传输损耗，从而非常适合远程通信；激光的混沌动力学行为对参数具有高度的敏 感性4 5 1 ，可以很好地弥补电路混沌通信的缺点，因此激光混沌通信具有非常重 要的研究价值和实用价值。 1 9 6 0 年激光器问世，它的输出不稳定性就被人们发现了，但直到七八十年代 这一现象才被人们重视起来。19 7 5 年，h h a k e n 通过运用m a x w e l l b l o c h 方程进行 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变化为大 气对流中的l o r e n 模型，并预言在“坏腔”条件下，将会有混沌现象出现。1 9 8 5 年，w e i s o 等人在n h 3 激光器中首先发现并且证实了h a k e n 模型的l o r e n z 型的激 光混沌现象m j ，并又在远红外激光器中进一步证实了h a k e n 模型中的许多激光混 沌性质。在同一年，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【4 丌。r r o y 和k s t h o m b u r g 在1 9 9 4 年首先在激光系 统中实现了混沌同步【4 8 1 。1 9 9 6 年，va l o d i 等人应用混沌反馈同步方法实现了 注入激光系统的同步以及延时反馈光混沌系统的同步【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、垂直腔表面发射激光器、激光二极管和掺饵光 纤激光器等的激光混沌系统实现了混沌同步，并对参数失配、反馈强度、噪声等 因素进行了研究【5 4 1 。1 9 9 9 年，a u c h i d e 等人利用主动被动混沌同步方法实现 了n d ：y v 0 4 激光器系统的长时间的稳定混沌同步【5 副；同年s p e n c e r 和c l a u d i o 分 别在垂直腔表面发射激光器和分布式反馈半导体激光器中实现了激光混沌同步， 并研究了频率失谐、反馈系数和延迟时间对同步性能的影响【5 7 1 。2 0 0 0 年，c j u a n g 等人利用驱动响应混沌同步方法实现了自脉动激光二极管的混沌同步，并分析了 同步稳定性和系统的同步误差【5 8 】。同年，基于驱动响应同步方法，h f c h e n 和 j m l i u 等人提出了开环激光混沌同步的方法，从理论上分析了激光相位和参数失 配等对同步性能的影响 5 9 - 6 0 。而且，在这一年，l y u n 和i f i s c h e r 等人在实验上 验证了两个可调谐的激光器跳模混沌同步【6 卜6 2 以及单向耦合开环外腔延时滞后反 馈激光器的光混沌同步【6 引。2 0 0 1 年，r a m e s 等人实现了非线性光纤振荡器系统的 激光混沌同步畔j 。同年e a v i k t o r o v 利用l k 速率方程组的扩展，分析并表明了 多模半导体激光器也可以产生混沌同步【6 5 1 。同年，s s i v a p r a s a m 等实验小组实验 上实现了多个激光器的互耦同步【6 6 】，这为混沌的波分复用的实现提供了可能，紧 6 两南大学硕十学位论文 绪论 接着观察了外腔反馈下的混沌同步以及er o g i s t e r 提出的非相干光反馈同步方案 【d 7 1 。2 0 0 2 年，yl i u 在实验中实现了完全同步。2 0 0 6 年，e k l e i n 等通过在引入 额外光反馈实现了延迟互耦s l s 的零时延混沌同步【6 8 1 。近几年，人们开始研究串 联激光器以及并联激光器的混沌同步特性以及各种模型的混沌保密通信【6 吵7 1 】，提 高了激光混沌保密通信的传输距离和保密性能。 1 5 激光混沌通信存在的问题 过去的十几年里，人们对激光混沌通信从理论上和实验上都进行了大量的研 究，取得了丰硕的成果，但在实际的运用当中，仍然存在一些问题。其中主要有： ( 1 ) 信道干扰。目前混沌同步的研究主要是基于理想信号，在实际的传输过 程中，任何一种信道都会有衰减，例如：相位的线性和非线性失真。混沌信号通 过具有失真的信道，必然会发生畸变。如何消除这一因素的影响，将会是一个重 要的研究课题。 ( 2 ) 噪声干扰。在混沌信号的实际传输过程中，噪声的干扰是不可避免的。 由于混沌信号对初始条件敏感的特点，噪声的干扰会对混沌系统的同步性能产生 直接的影响，如传输过程中的噪声和非线性效应以及色散的影响，都有可能对系 统的同步性能产生影响，甚至使系统失去很好的同步性，因此必须采用适当的措 施，降低或者消除信号中噪声成分的影响。 ( 3 ) 参数匹配。从理论上讲，混沌系统对参数的匹配精度要求很高，精度要 求越高，混沌通信保密程度也就越高。而在实际应用中，要制作两个或者多个系 统，且他们的参数精确匹配是根本不可能的。所以在混沌同步通信中，找到一个 比较好的混沌同步方法，使得在一定程度的参数失配下，系统仍然具有比较好的 同步性能。 ( 4 ) 提高抗干扰以及抗破译的能力。目前对混沌加密和混沌流密码方案研究 较多，但只是利用了混沌信号对初始条件的敏感性，并没有利用到全部的混沌信 号。研究结果显示，采用几个超混沌系统( 具有两个或者两个以上正的l y a p u n o v 指数) 的级联，或者利用混沌数字化、混沌编码等方法，都可以增加窃听的难度， 大大提高保密程度。随着人们对混沌系统的不断研究和扩展，混沌同步以及混沌 保密通信技术将会在众多领域中发挥巨大的作用。 1 6 本文研究的内容和意义 近年来，由于半导体激光器重量轻、体积小、价格便宜等优点，基于半导体 激光器的混沌以及混沌同步特性引起了人们的广泛关注，并在光混沌保密通信领 域得到了大量的应用。由于半导体激光器在光注入、光反馈、光电反馈等外部微 7 两南大学硕十学位论文绪论 扰下能够产生较好的混沌输出，所以这方面的研究越来越全面，但在实际的应用 当中，仍然存在很多需要研究的问题。本文从互耦半导体激光器的混沌同步、超 前滞后的特性以及混沌保密通信进行了研究，全文包括五部分： 第一章，主要介绍了混沌以及混沌同步的基本知识，并对进入混沌的途径、 混沌的特性以及激光混沌在保密通信中的研究现状进行了概括和归纳。 第二章，从实验和理论两方面研究了基于互耦半导体激光器的混沌同步特性。 第三章，从实验上研究了由偏置电流引起的互耦半导体激光器系统的超前或 滞后混沌同步的转换，并从理论上验证了结论的正确性。 第四章，研究了互耦半导体激光器系统的双向保密通信特性。 第五章，对本文进行了归纳和总结，展望了今后的工作方向。 参考文献： 【1 郝柏林，从抛物线谈起，上海科教出版社，上海，1 9 9 3 2 刘曾荣，混沌的微扰判据，上海科技出版社，上海，1 9 9 5 3 李栩神，汪克林，郭光灿，汪秉宏，非线性科学选讲，合肥：中国科学技术 大学出版社，1 9 9 4 【4 】郝柏林，分岔、混沌、奇异吸引子、湍流及其他关于确定性混沌的随机 性，物理学进展，1 9 8 3 5 关新平，范正平等，混沌控制及其在保密通信中的应用，国防工业出版社， 北京，2 0 0 2 6 l m p e c o r a , t l c a r r o l l ，“s y n c h r o n i z a t i o ni nc h a o t i cs y s t e m s ”，p h y s r e v l e t t ， 1 9 9 0 ，6 4 ：8 2 1 - 8 2 4 【7 l m p e c o r a ，t l c a r r o l l ，“d r i v i n gs y s t e m sw i t hc h a o t i cs i g n a l s ”，p h y s r e v a ， 1 9 9 1 ，4 4 ：2 3 7 2 3 8 8 】r ed 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 i la 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 et r a n s c i r c u i t ss y s t ，i i ，19 9 4 ，4 0 ( 10 ) ：6 6 0 6 6 6 【9 gp e r e z ，h a c e r d e i r a , “e x t r a c t i n gm e s s a g e sm a s k e db yc h a o s ”，p h y s r e v l e t t , 1 9 9 5 ，7 4 ( 11 ) ：1 9 7 0 - 1 9 7 3 10 k m ，c u o m o ，a vo p p e n h e i m ，s h s t r o g a t z ，“s y n c h r o n i z a t i o no fl o r e n z - b a s e d c h a o t i cc i r c u i tw i t ha p p l i c a t i o nt oc o m m u n i c a t i o n ”，i e e et r a n s c i r c u i t ss y s t ，i i ， 19 9 3 ，4 0 ( 10 ) ：6 2 6 6 3 3 11 0 m o r g u l ，m f e k i ，“ac h a o t i cm a s k i n gs c h e m eb yu s i n gs y n c h r o n i z a t i o nc h a o t i c s y s t e m s ”，p h y s l e t t a ，1 9 9 9 ，2 5 1 ：1 6 9 1 7 5 【12 l w u ，s q z h u , “c o m m u n i c a t i o n su s i n gm u l t i - m o d el a s e rs y s t e mb a s e do n 两南大学硕十学传论文绪论 c h a o t i cs y n c h r o n i z a t i o n ，c h i n p h y s ，2 0 0 3 ，2 ( 3 ) ：3 0 0 3 0 4 13 y m a s t s u i ，s k u t s u z a w a , “b i f u r c a t i o ni n2 0 g h zg a i n - s w i t c h e d1 5 5 m q wl a s e r a n di t sc o n t r o lb yc wi n j e c t i o ns e e d i n g ，i e e ej q u a n t u me l e c t r o n , 19 9 8 ，3 4 ： 1 2 1 3 1 2 2 3 【1 4 s q z h u , x l ux f c h e r t , “g e n e r a ls y n c h r o n i z a t i o no f c h a o si nas y s t e mo f t w o n o n - i d e n t i c a ll a s e r s ，c h i n p h y s ，2 0 0 3 ，9 ( 5 ) ：3 3 7 3 4 1 【15 y z h o u ，s q z h u , l w u ，“p r e f e r e n c eo fc h a o t i cs y n c h r o n i z a t i o ni nac o u p l e d l a s e rs y s t e m ”，c o m m u n t h e o r p h y s ，2 0 0 5 ，4 4 ：10 7 6 - 10 8 0 【16 t s u g a w a r a , m t a