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西南大学硕士学位论文摘要 开环与闭环非相干光反馈半导体激光器混 沌同步系统性能比较 光学专业硕士研究生：张治理 指导教师：吴正茂教授 摘要 近年来，基于半导体激光器( s l s ) 的混沌同步与保密通信引起了学者们的广 泛关注。半导体激光器在受到如光反馈、光注入、光电反馈等扰动下，可得到混 沌输出。当两个半导体激光器可以实现较好的混沌同步时，掩藏在混沌混沌载波 中的信息信号在接收端就能被解调出来。相对于相干光反馈而言，非相干光反馈 因其对位相的变化不敏感，因而可降低系统对工作环境的要求；而相对于光电反 馈而言，非相干光反馈不存在带宽的限制，因此，一些学者提出了基于非相干光 反馈的混沌同步通信系统。 在本文中，我们对开环与闭环非相干光反馈半导体激光器混沌同步进行了数值 模拟分析，结果显示，即使运行参量满足最优运行条件( 1 c l 笱+ 硷对应闭环方案， 1 c 1 = o 对应开环方案) ，同步质量也会与耦合系数的大小密切相关。对于开环与闭 环，它们的同步系数达到0 9 所需要的最小耦合系数都随着发射激光器反馈系数 的增加而增加：与开环结构相比，闭环系统比开环系统对参数失配更敏感 最后，我们采用混沌键控( c s k ) 加密方式比较了开环系统与闭环系统的通信性 能。结果表明，信号在两种系统中都能得到很好的掩盖，但开环系统比闭环系统 显示出更好的通信性能。这个结果与基于相干光反馈混沌同步系统是不一致的。 关键词t 半导体激光器非相干光反馈混沌同步闭环开环 西南大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p a r i s o no fc l o s e d - l o o pa n do p e n - l o o pi ni n c o h e r e n t o p t i c a lf e e d b a c kc h a o ss y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m 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 ：z h i l iz h a n g ( 11 2 0 0 7 31 5 0 0 0 0 3 0 ) a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，c h a o ss y n c h r o n i z a t i o na n ds e c u r ec o m m u n i c a t i o nb a s e do n s e m i c o n d u c t o rl a s e r s ( s l s ) h a v ea b s t r a c t e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o n as e m i c o n d u c t o r l a s e r , w h e ns u b j e c t e dt op e r t u r b a t i o ns u c ha so p t i c a lf e e d b a c k , o p t i c a li n j e c t i o n , o p t o e l e c t r o n i cf e e d b a c k , c a l ld i s p l a yc h a o t i co u t p u t w h e nt w os l s c a l lr e a l i z eg o o d c h a o ss y n c h r o n i z a t i o n , m e s s a g e sm a s k e di nt h ec h a o t i cc a r r i e rc a l lb ee x t r a c t e da tt h e r e c e i v e r r e l a t i v et ot h ei n c o h e r e n to p t i c a lf e e d b a c k ，t h ei n c o h e r e n to p t i c a lf e e d b a c k i sl e s ss e n s i t i v et of r e q u e n c yd e t u n i n g ，s oi tc a nd e d u c er e q u i r e m e n t so fs y s t e mt o w o r k i n gc o n d i t i o n s a n dr e l a t i v et ot h eo p t o e l e c t r o n i cf e e d b a c k ，b a n d w i d t hl i m i t a t i o n i sn o te x i s t e df o rt h ei n c o h e r e n to p t i c a lf e e d b a c k s ot h ei n c o h e r e n to p t i c a lf e e d b a c k s y n c h r o n i z a t i o ns y s t e mi sp r e s e n t e db ys o m es c h o l a r s i nt h i sp a p e r ，w en u m e r i c a l l ys t u d yt h es y n c h r o n i z a t i o no fi n c o h e r e n to p t i c a l f e e d b a c ks e m i c o n d u c t o rl a s e ru n d e rc l o s e d l o o i ) a n do p e n l o o ps c h e m e s t h er e s u l t s s h o wt h a t ，e v i lt h o u g ht h i so p t i m a lc o n d i t i o n ( k 1 = o 斗1 晓f o rc l o s e d l o o pa n d1 c 12 0f o r t h eo p e n l o o ps c h e m e ) i ss a t i s f i e d ，t h es y n c h r o n i z a t i o nq u a l i t yi sr e l a t e dt ot h ev a l u e o ft h ec o u p l i n gc o e f f i c i e n t u n d e rb o t ho p e n l o o pa n dc l o s e d - l o o ps c h e m e s ，t h e m i n i m u mn e c e s s a r yc o u p l i n gc o e f f i c i e n tt or e a c hac o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to f0 9 ， i n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo ft h ef e e d b a c ks t r e n g t ho ft r a n s m i t t e rl a s e r c o m p a r e d w i t ht h eo p e n l o o ps c h e m e ，t h ec l o s e d l o o ps c h e m ei sm o r es e n s i t i v et op a r a m e t e r s m i s m a t c h f i n a l l y , w ec o m p a r ec o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c e su n d e rt h e s et w os c h e m e sw i m c s k t h er e s u l t ss h o wt h a t ，m e s s a g ec a nb eh i d e de f f e c t i v e l yu n d e rb o t hs c h e m e s ， w h e r eo p e n l o o ps c h e m es h o w sb e t t e rp e r f o r m a n c et h a nc l o s e d l o o ps c h e m e t h i s r e s u l ti si nd i s a g r e e m e n tw i t ht h ec a s eo fc o h e r e n to p t i c a lf e e d b a c k k e y w o r d ：s e m i c o n d u c t o rl a s e r ，i n c o h e r e n to p t i c a lf e e d b a c k , c h a o ss y n c h r o n i z a t i o n ， d o s e d - l o o p ，o p e n l o o p 1 1 独创性声明 学位论文题目：开环与闭环非相干光反馈半导体激光器 混沌同步系统性能比较 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：劭乏：乞叫冕 签字日期：文卅p 年0 月口日 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：狼喔导师签名：。圾暑取 签字日期：出吼一年瑚o 日签字日期：乙o ( o 年扩岁月d 日 西南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 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( 信息高速公路) 概念和建设规划的提出，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，信息已经成为当今社会的一种重要财富。面对“时 代日益信息化，社会日益网络化， 一场信息化的风暴震憾全球，信息战将成为 未来各国，各个集团较量老大主战场，谁掌握了信息，谁就拥有绝对性的主动权 和制胜权。但是，我们也应该看到，目前的信息安全存在着诸多隐患。就以 i n t e r _ n 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【l 】。随着现代计算机技术的发展和 安全性要求的不断提高，寻找一个新的途径，采取新的保密通信方法来确保信息 通信的安全性已迫在眉睫。 混沌保密通信的基本思想是：利用混沌信号作为载波，将传输信号隐藏在 混沌载波之中，赋予不同的波形以不同的信息序列，在接收端，利用混沌的属性 或同步特性解调出所传输的信息。由于混沌信号具有宽带类噪声的特点，将信息 信号隐藏或叠加到混沌信号上发送后，一般接收端会以为是噪声信号，窃听者难 以从中窃取到信息信号。只有通过混沌同步解调，才可以得到发送端发送的信息 信号，由此达到保密的效果。 1 1 其次，混沌信号还具有由于系统对初始值的敏感 性而带来的不可预见性和内在随机性的特点，使它具有天然的屏蔽性。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， 因此使得混沌信号易于产生和复制。而且，混沌通信具有高保密性，高容量的动 态储存能力，低功率和低观察性以及设备成本低等特性，因此，混沌保密通信引 起了物理学，信息科学工作者以及从事交叉学科研究的学者们的广泛兴趣【2 五4 1 。 近年来，基于半导体激光器( s l s ) 的混沌同步与保密通信已经引起了学者 们的广泛关注b - 2 铂。与电通信相比，光混沌保密通信有诸多独特的优点，比如， 保密性高，频带宽以及较高的信号传输能力。在满足一定条件的情况下，如果半 西南大学硕士学位论文 第一章绪论 导体激光器受到一个或更多的扰动，如光回馈、光学注塑、光电反馈和光学调制， 它便可以输出混沌信号。如果两个半导体激光器可以实现良好的混沌系统同步， 掩藏在混沌信号载体下的信号通过滤波作用在接收端能够被很好的解调出来。相 关研究表明，在基于相干光反馈或注入的单向耦合激光器系统中，g b i t 信息能够 在高维的混沌载体中实现加密和解调1 8 - 1 2 3 。然而，发射激光器与接受激光器的频 率失谐严重降低了系统的同步性能。因此，人们需要研究对系统的频率失谐具有 一定容忍性的加密方案。基于这一考虑，一些学者提出了基于非相干光反馈的混 沌同步系统的概念f 1 7 - 2 0 | 。 在这样的系统中，因为反馈光只作用于载流子密度而没有作用于光场，因此它 是一种不依赖载流子频率的高速混沌同步。最近，人们已经对基于非相干光反馈 开环系统的混沌同步与通信进行了研究1 1 7 - 2 0 1 。然而，据我们所知，还没有关于非相 干光反馈闭环系统的研究报道。在本文中，我们对基于非相干光反馈开环与闭环 两控制方案下的混沌同步与信息传输进行了数值模拟分析，并对两种控制方案的 相关性能进行了比较。 1 2 混沌的基本理论 1 2 1 混沌的定义 混沌”是非线性系统的一种内在类随即过程的体现，它是自然界中的 大类现象，它比有序更为普遍。在现实世界中绝大部分现象都不是有序， 稳定和平衡的，而是处于无序的，变化的和涨落起伏之中，也就是处于混 沌之中。非线性科学中的混沌现象指的是一种确定的但不可预测的运动状 态。它的外在表现和纯粹的随机运动很相似，即都不可预测。但和随机运 动不同的是，混沌运动在动力学上是确定的，它的不可预测性是来源于运 动的不稳定性。或者说混沌系统对无限小的初值变动和微扰也具有敏感性， 无论多小的扰动在长时间以后，也会使系统彻底偏离原来的演化方向。混 沌现象是自然界中的普遍现象，天气变化就是一个典型的混沌运动。混沌 现象的一个著名表述就是蝴蝶效应：南美洲一只蝴蝶扇一扇翅膀，就会在 佛罗里达引起一场飓风。 混沌系统具有三个关键要素：是对初始条件的敏感依赖性；二是临界 2 西南大学硕士学位论文第一章绪论 水平，这里是非线性事件的发生点；三是分形维，它表明有序和无序的统 一。混沌系统经常是自反馈系统，出来的东西会回去经过变换再出来，循 环往复，没完没了，任何初始值的微小差别都会按指数放大，因此导致系 统内在地不可长期预测。 1 2 2 通向混沌的途径及研究方法 我们知道，一个非线性动力学系统运动的充分发展是进入混沌状态。进入混 沌状态有哪些方式呢? 这是非线性动力学研究中的一个重要问题。目前研究发现 通向混沌的道路4 种： 当系统的参数变化时，系统由简单的运动状态( 平衡、周期、准周期运动) 向 混沌运动状态过渡的过程就为通向混沌的道路。至今已经发现了四条通向混沌的 道路：倍周期分岔、间歇过渡、二次h o p f 分岔、删环面破裂。前三条机 理在理论上已基本清楚，第四条机理在理论上尚未解决。另一导致混沌的重要机 理是同宿和异宿分岔，此时鞍点的稳定和不稳定流形在扰动下会横截相交，从而 产生双曲极限集s m a l e 马蹄，s m a l e 马蹄是混沌的一种基本结构。 ( 1 ) 周期倍化分岔导致混沌 倍周期分岔的特点是周期点由一分为二，二分为四，四分为八等等，这样无 限地分下去将导致混沌轨道的出现，它是通向混沌最典型的途径。运动轨道的分 岔通常是在失稳后出现的，以一维非线性单峰映射虫口模型( l o g i s t i c 方程) 为例， 当o u o 7 5 时有不动点u = o 7 3 2 0 5 0 8 0 8 ，在u = 0 7 5 时，此不动点失稳，从周期l 点分岔为周期2 点。当0 7 5 u 1 2 5 时有稳定的周期2 点，在u = 1 2 5 时，周期2 点又失稳，从周期2 点分岔为周期4 点。当1 2 5 u 1 3 6 8 1 时有稳定的周期4 点， 在u = 1 3 6 8 1 时，周期4 点再次失稳，分岔为周期8 点，如此等等。在区间 1 3 6 8 u 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，善 ( s e c o n de d i t i o n ) ( n e w y o r k ：v a nn o s t r a n dr e i n h o l d ) 19 9 3 2 2 】yl i u ，yt a k i g u c h i ，t a i d ae ta 1 i n j e c t i o nl o c k i n ga n ds y n c h r o n i z a t i o no f p e r i o d i c a n dc h a o t i cs i g n a l si ns e m i c o n d u c t o rl a s e r s ，i e e ej q u a n t u m e l e c t r o n i c s ，2 0 0 3 ，3 9 ( 2 ) ：2 6 9 2 7 8 ， 2 3 】j o h t s u b o ，c h a o ss y n c h r o n i z a t i o na n dc h a o t i cs i g n a lm a s k i n gi ns e m i c o n d u c t o r l a s e r sw i t ho p t i c a lf e e d b a c k ，e ejq u a n t u me l e c t r o n i c s ，2 0 0 2 ，3 8 ( 9 ) ：11 4 1 115 4 ， 【2 4 】f a n y i ，j i a - m i n gl i un o n l i n e a rd y n a m i c so fas e m i c o n d u c t o rl a s e rw i m d e l a y e dn e g a t i v eo p t o e l e c t r o n i cf e e d b a c ki e e e ，j o u r n a lo fe l e c t r o n i c s ，2 0 0 3 ， 3 9 ：5 6 2 5 6 8 【2 5 】h e n r yd i a b a r b a n e l ，m a t t h e wb k e n n e l ，l u c ai l l i n g ，s t a n g , h f c h e n , a n d j m l i u ，s y n c h r o n i z a t i o na n dc o m m u n i c a t i o nu s i n gs e m i c o n d u c t o rl a s e r sw i t h o p t o e l e c t r o n i cf e e d b a c k ，i e e ej q u a n t u me l e c t r o n i c s ，2 0 0 1 ，3 7 ：1 3 0 1 1 3 1 1 【2 6 】j m b u l d t l ，j go j a l v oa n dm c t o r r e n t ，m u l t i m o d es y n c h r o n i z a t i o na n d c o m m u n i c a t i o nu s i n gu n i d i r e c t i o n a l l yc o u p l e ds e m i c o n d u c t o rl a s e r s ，i e e ej q u a n t u me l e c t r o n i c s ，2 0 0 4 ，4 0 ：6 西南大学学位论文第三章半导体激光器的混沌同步特性及保密通信研究 第三章半导体激光器的混沌同步特性及保密通信研究 3 1 引言 由于混沌信号具有随机性，对初始值的敏感性，连续宽频带，类噪声的特点， 使得混沌信号很难破译，所以特别适用于混沌保密通信。混沌在保密通信中的应 用已经成为目前信息科学界关注和研究的热点之一。混沌通信的关键问题是两个 非线性系统间的混沌同步。所谓混沌同步，就是让混沌通信系统中发射系统的混 沌载波信号与接收系统的混沌信号达到完全一致的振动，并且与初始条件无关。 3 2 开环系统与闭环系统 采用单向耦合混沌同步方法，半导体激光混沌发射系统和接收系统的混沌响 应一定存在延时关系。一般同步系统都存在延时滞后同步，然而对于延时光反馈 半导体激光器混沌同步系统而言，存在着多种延时同步类型，下面就以延时全光 反馈半导体激光器混沌同步系统为例，讨论延时全光反馈半导体激光器混沌同步 类型。 t r a n s m i t t e r r e c e i v e r ( a )( b ) 图3 1 延时光反馈半导体激光混沌同步系统示意图。( a ) 闭环系统( ”开环 系统 延时光反馈半导体激光混沌同步系统如图3 1 所示，两者的差别在于闭环系 统( c l o s e d 1 0 0 ps y s t e m ) 中，接受激光器不仅受到发射系统发出混沌载波经过信 道传输后的注入，还要受到平面镜的光反馈注入，而开换系统( o p e n 1 0 0 ps y s t e m ) 没有接受到平面镜的反馈注入，其理论模型为【1 ，2 引。 主、副激光器的光场分别用e x p i ( a j u t + 伊( f ) ) 和e se x p ( i m s f + 伊( r ) ) 】来表 示，其中伊( r ) 为初始相位，、b 为主激光器和副激光的振幅。假定 四阳灭孚罕伍佑又 第二草半导体、撤光器的混沌同步特性及保密通信研究 = ( 0 s = 国，可得其主激光器速率方程组可表示为 了d i u ( t ) = ( ) 一上t p , m l ( f ) + 2 k 以忑j 瓦而c 。s ( f ，f ) ( 3 1 ) 掣2 j a 刚) 一古h 材她i u ( t ) s m 训妒) ( 3 2 ) 丁d n u i ( t ) = 一等一g ( 忉( r ) f 2 ( 3 3 ) 其副激光器速率方程组为 掣桷( ) 一( f ) + 2 砧瓜两丽c o s 酏力 + 2 k 蚵托万写了丽x c o s 。s o ，乞) ( 3 4 ) 掣2 弘( 柳一寺一c s l ( t - r ) 梳撇力 一n i u ，( 5 t ( - f ) r c ) - 咖，s ( ( 3 5 ) 丁d n s ( t ) = 一等也( r 糨r ) 1 2 ( 3 6 ) 其中i m = e u 2 ，s = e s 2 分别为主、副激光器的强度， 另外， a ( a m0 ，f ) = 驴 ，( ，) 一矽村( t f ) + 彩f ， 伊so ，f ) = 伊0 ) 一缈o f ) - 4 - 国f ， a ( d u 。s ( f ，f 。) = ( f ) 一 p u ( t - z 。) + 婀。在这种系统中，存在着完全同步( c o m p l e t e s y n c h r o n i z a t i o n ) ；等时同步( i s o c h r o n o u ss y n c h r o n i z a t i o n ) ；广义同步( 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 ) 三种同步类型。 对于开环系统( 速率方程) 发射端为降1 0 】： 掣= 知蚴一n o ) 一和， n 7 ， 掣小了n t ( t ) 吲眦) 一n o ) l e , 1 2 ( 3 8 ) 格妇端为 p h 南，。学学位论文第三章半导体激光器的混沌同步特性及保密通信研究 掣= 知洲吨，一专舶_ “ n ， 塑磐：j 一掣2 咆( ，( ) 吨) m ) i 2 ( 3 1 0 ) 珊f 3 3 系统同步性能 3 3 1 表征同步性质量的参量 前面我们分析了同步实现和两种同步类型，我们知道很多方式可以产生混沌 但是哪一种同步的效果好一些可以通过引进一些参量来表征。 f a ) 相关系数( c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t ) ： 首先，较好的同步效果就要求发射系统和接收系统的输出具有较好的一 致性，一致性程度的高