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1、太原理工大学 硕士学位论文 全光反馈半导体激光器混沌的产生及同步 姓名：张秀娟 申请学位级别：硕士 专业： 指导教师：杨玲珍 20090501 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 全光反馈半导体激光器混沌的产生及同步 全光反馈半导体激光器混沌的产生及同步 摘 要 激光混沌信号的宽带、随机和不可预测性，使其具有天然的屏蔽性和 保密能力，成为近年来保密通信领域的研究热点。混沌同步是实现混沌保 密光通信的关键，为了适应目前高速大容量信息传输保密的需要，对光混 沌同步系统的带宽和保密性提出了更高的要求，因此，不断地提高和完善 同步系统的性能显得至关重要。 本文基于环形长腔光反馈半导体激光器得到了平坦宽
2、带的混沌载波及 混沌同步，具体进行的工作如下: 1.利用光反馈半导体激光器的速率方程数值研究了外腔长度的变化对 输出的混沌激光的频谱的影响，得到长腔和弱反馈的情况下混沌载波的频 谱平坦光滑，光滑平坦的混沌载波有效的隐藏了外腔的谐振峰，增加混沌 保密通信系统的保密性。 2. 基于数值模拟的结果，利用环形长腔光反馈半导体激光器全光纤链 路实验得到的平坦宽带的混沌载波。 3. 采用开环结构，单向耦合强注入的方式实现了混沌同步，同时实验 分析了注入接收机的注入光强和发射机与接收机之间的频率失谐对系统同 步性的影响，得到在强光注入锁定下，最佳的同步状态出现在正失谐处， 而且随着注入光强的增加，同步性提高
3、，实验得到最好的同步相关系数为 0.84。 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 4. 利用开环结构的速率方程对实验系统进行了数值模拟，得到了混沌 同步，分析了发射机的反馈光强的大小对系统同步的影响，并且讨论了注 入光强和频率的失谐对同步的影响，模拟结构和实验基本吻合。 关键词：混沌，混沌同步，频谱平坦，光反馈，半导体激光器。 太原理工大学硕士研究生学位论文 III CHAOS GENERATION AND SYNCHRONIZATION USING ALL-OPTICAL FEEDBACK SEMICONDUCTOR LASER ABSTRACT Chaotic light is selec
4、ted as the source of optical secure communication, due to its characteristics of broadband, random and indeterminism. Chaotic optical communications with semiconductor lasers have attracted extensive attention recently. Chaos synchronization between the transmitter and receiver is mandatory in chaos
5、 secure communication systems. However, the present optical secure communication with high speed and capacity brings higher demand of bandwidth and secrecy in chaotic secure communication. So it is significant to improve and perfect the synchronization system. In this thesis, based on semiconductor
6、laser with ring external long-cavity optical feedback, we have implemented the flat and broadband chaos wave and synchronization. The main works are summarized as follows: 1. The dependence of the spectrum of chaotic carrier on the change of external cavity length has been numerically simulated usin
7、g the rate equation of semiconductor laser with optical feedback. The flat and broadband chaos wave is generated in condition of long cavity and weak feedback. The external cavity characteristic parameter can be effectively concealed in the smooth spectra of chaotic carrier so the security is improv
8、ed in chaotic optical communication. 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV 2. Based on the simulated result, we have experimentally achieved the flat and broadband chaos carrier using the ring external long-cavity optical feedback laser diode with all-fiber link. 3. Chaos synchronization has been implemented experimen
9、tally when the chaotic light is injected into a solitary DFB laser diode. Meanwhile, the influences of the injection strength and the frequency detuning on the synchronization have been measured. The results show that the chaotic oscillation synchronization is tolerant to frequency detuning under th
10、e strong chaotic optical injection and the good synchronization is achieved at the positive frequency detuning. The synchronization quality improves obviously with the increasing of injection power. The correlation coefficient of optimum chaos synchronization is 0.84. 4. Using the rate equation of o
11、pen-loop scheme, we have numerically simulated the experiment system. The synchronization was achieved and the dependence of the synchronization quality on the frequency detuning was investigated. The simulated results are consistent with experimental results. KEY WORDS: chaos, chaos synchronization
12、, flat spectrum, optical feedback, laser diode. 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 引言引言 混沌是20世纪开始兴起的一门新的学科， 早在20世纪初被法国科学家庞加莱(Henri Poincar)发现， 一直以来， 混沌作为一门新的学科以其涉及的应用领域之广而倍受关注。 混沌现象是在确定性系统中产生的随机不规则的现象，这种现象对其初值条件极其敏 感。由于混沌含有丰富的信息并在保密通信，神经网络，医学生物等方面有很好的应用 前景，因此对混沌现象的研究具有很大的意义。 自 1990 年提出并实验验证了电路系统的混沌同步
13、并建议利用混沌同步实现保密通 信以来，混沌在保密通信中的应用引起了人们的关注。混沌的加密是一种物理层面上的 硬件加密，混沌信号的随机、不可预测等特性，使其具有天然的屏蔽性和保密能力；由 于其处理速度与密钥长度无关，因此用这种方法的计算效率很高，而且这种加密的信息 很难破译，只有当接收者具有与发射机参数相同的接收机时，发射机和接收机实现混沌 同步，才能接收到信息，否则，接收者（窃听者）只能收到类似噪声的混沌信号。这些 年来混沌保密通信以其独特的优势得到研究人员的重视并迅速发展。 1.2 混沌研究的发展历程混沌研究的发展历程 20世纪70年代初掀起了混沌学的研究热潮， 但是最早研究混沌现象是20世
14、纪初法国 科学家庞加莱(Henri Poincar)，他在天体力学的三体问题时发现混沌现象，并创立了一 些数学方法来研究混沌1，由于当时不具备研究混沌的足够的数学工具，早期并没有得 到很好的发展，直到20世纪60年代，KAM定理的确立被公认为创建混沌学理论的历史 性标记2，其次，lorenz在耗散系统中首次发现了混沌运动3。Lorenz揭示了一系列混沌 运动的一系列混沌运动的基本特征：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-lorenz吸引子，为混沌的研究 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 提供了一个重要模型。 70年代以后， 混沌作
15、为一门新兴的学科， 得到了重视并迅速发展。 1975年李天岩和美国数学家J. Yorke 提出了 “周期三意味着混沌” ， 给出了闭环系统中连 续自映射的混沌定义4，紧接着1977年在意大利组织了第一次有关混沌研究的科学性会 议，相继各国都相关的混沌科学会议。1978年，Feigenbaum发现了表示分岔序列收敛速 率的普适常数5，并由此导出说明分岔谱缩小因子的普适常数。1980年美国数学家建立 了分形几何，并用计算机绘出了第一张Mandelbort集的混沌图像6。美国工业和应用数 学协会(SIAM)在1988年发表的一份题为控制理论未来的发展方向的指导性文献7 中，特别把“混沌的控制”作为一
16、个新的研究方向。到1990年，美国马里兰大学的物理 学家Ott，Grebogi和Yorke提出了通过参数的微调以控制混沌的OGY方法8，开始了混沌 应用与控制的第一个里程碑； 1994年，Schiff等提出了混沌反控制的概念及方法9。进 入90年代后，混沌研究得到了快速的发展，有了一些新的理论和方法，而且混沌控制等 方面也取得了进一步的研究进展，这些研究打开了混沌更广阔的应用前景，近10年中， 混沌科学渗透到生物医学，信息科学等很多领域并得到广泛的应用，混沌在现代的科学 中起着越来越重要的作用。 1.3 混沌同步的发展和研究现状 1990年美国海军实验室研究员Pecore和Caroll等人10,11首次提出混沌同步思想并建 议利用混沌同步实现保密通信，开启了混沌同步的研究热。1993年，美国Cuomo等人利 用Lorenz混沌电路实现了混沌同步实验12。在后来的研究中，人们把混沌同步分为几种 不同类型的同步，1995年，N.F.Rulkov等人提出广义同步概念13，指驱动系统和响应系 统之间的状态有一个函数关系；1996年，
