基于互注入半导体激光器的混沌同步系统研究

摘要

由半导体激光器产生的混沌光信号具有独特的宽带特性和保密性，因此在全光保密通信领域备受关注。半导体激光器混沌同步系统已经被应用于全光保密通信、密钥协商、以及公用信道加密通信等领域。与此同时，伴随方法和技术的不断创新，半导体激光器混沌同步系统的研究和应用迎来了新的机遇和挑战。在国家自然科学基金、教育部科学技术研究重点项目、高等学校博士学科点专项科研基金、四川省应用基础研究项目和西南交通大学博士创新基金的资助下，本论文立足于光通信和保密通信领域的重要需求和前沿研究态势，以互注入半导体激光器(MCSLs)混沌同步系统的研究及应用为选题，旨在探索新的混沌同步理论和方法，设计实用新型混沌同步方案和保密通信方案，提高混沌通信安全性，拓展半导体激光器混沌同步系统应用，具有重要的理论意义和实用价值。
　　鉴于上述研究背景，本文对不同结构的互注入半导体激光器系统及其拓展系统的混沌同步特性及通信应用进行了深入研究：从理论方面，系统地研究了外光反馈式互注入半导体激光器(EOF-MCSLs)的混沌同步条件、同步规律、及同步通信安全性等问题，将注入-锁定原理引入互注入半导体激光器系统，提出了基于外光注入式互注入半导体激光器(EOI-MCSLs)的混沌同步方案，有效解决了EOF-MCSLs系统混沌同步条件苛刻、鲁棒性弱、通信性能受限等难题；从拓展应用角度出发，探讨了高频混沌态多延时互注入外腔半导体激光器(MTDMC-ECSLs)的混沌同步及其多信道通信应用，提出了基于外光注入式多延时互注入半导体激光器(EOI-MTDMCSLs)的混沌同步和多信道同步通信方案，设计了基于EOI-MCSLs的多接入混沌通信方案和网络式SLs混沌同步系统。
　　MCSLs及其拓展系统的混沌同步研究主要基于速率方程模型，通过分析速率方程模型获得理论混沌同步条件，并借助Runge-Kutta算法对混沌同步规律、鲁棒性等特性进行数值研究。对通信应用研究侧重于实用新型混沌同步通信方案和高保密性加密方案的设计、安全性增强方法的探索，并通过搭建Simulink仿真模型对新方案和方法的有效性和优势进行论证。本文的主要创新性工作和成果包括：在攻读博士学位期间以第一作者发表期刊论文10篇(SCI收录论文9篇，2区及以上4篇，EI收录论文1篇)；以第一发明人完成国家发明专利1项(己公开)。
　　以互注入外腔半导体激光器系统和部分透明镜耦合互注入半导体激光器系统为例，深入研究了EOF-MCSLs系统的混沌同步特性，探索了增强双向同步通信安全性的方法。首先，结合传统互注入系统的同步机理-对称工作原理(Symmetric Operation Mechanism)，推导了EOF-MCSLs系统的理论混沌同步条件，发现：系统存在实时同步和引导-延迟同步两种混沌同步，前者要求反馈参量和互注入参量分别等同，而后者要求反馈强度和互注入强度交叉相等，且反馈延时之和等于互注入延时的2倍。其次，对实时混沌同步和引导-延迟混沌同步的分布规律、鲁棒性、以及同步通信性能进行了系统研究，结果表明：稳定高品质实时同步分布于反馈强度和互注入强度相近的工作区域，引导-延迟同步的工作区域较大，且同步延迟由反馈延时决定；引导-延迟同步相对实时同步具有更宽的同步工作区域、更强的鲁棒性、更明显的混沌滤波效应和更好的同步通信性能。同时，针对EOF-MCSLs系统的混沌同步通信安全性问题，提出通过适当提高信息速率、采用非对称速率信息传输方式进行带宽隐藏、监控同步品质和同步延迟时间、以及采用内部调制加密信息等方法进一步增强通信安全性。该项工作全面揭示了EOF-MCSLs系统的混沌同步特性和通信性能，以第一作者发表论文3篇：[PhysicalReview E，2010，81(066217)]、[Optics Communications，2009，282(2217)]、[Chinese OpticsLetters，2008，6(517)]。
　　将注入-锁定原理应用于实现MCSLs的混沌同步，提出了基于EOI-MCSLs的混沌同步方案。用一个混沌半导体激光器DSL向MCSLs施加单向驱动注入，利用驱动注入的注入-锁定效应弱化了混沌同步对对称性的苛刻要求，保证了混沌同步的稳定性；只要外部混沌注入足够强，MCSLs就可以实现稳定高品质的混沌同步，这不仅解决了EOF-MCSLs系统混沌同步条件苛刻的难题，而且能获得比EOF-MCSLs系统更宽的同步工作区域和更强鲁棒性；同时，外光注入还增强了混沌载波的有效带宽，因此EOI-MCSLs系统支持高速率的双向同步通信。该方案具有混沌同步条件简单、同步鲁棒性强、通信性能好等优点，而且其混沌同步和通信性能还可通过增大外部注入强度来进一步加以改善。上述工作发展了MCSLs混沌同步理论，提出了一种实用性强的互注入半导体激光器混沌同步方案；以第一作者发表论文[IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology，2010，28(13)：1978-1986]，获得2010年“IEEE优秀学生论文奖”。
　　探讨了高频混沌态多延时互注入外腔半导体激光器(MTDMC-ECSLs)系统的实时混沌同步特性及多信道同步通信应用。将传统互注入外腔半导体激光器系统拓展应用于构建MTDMC-ECSLs系统，深入研究了稳定高品质实时混沌同步的分布规律和鲁棒性，并将其应用于实现多信道同步通信。结果表明：显著区别于低频振荡态系统实时混沌同步对反馈延时和互注入延时的复杂要求，高频混沌态MTDMC-ECSLs系统仅要求有一条双向链路的互注入延时等于反馈延时；高品质实时混沌同步具有较强的参数失配和注入电流失配鲁棒性，但对频率失谐十分敏感；适当的反馈和注入条件下，MTDMC-ECSLs可通过n(n>1)条双向链路进行2n个信息的高性能传输。此项工作揭示了高频混沌态MTDMC-ECSLs系统区别于传统低频振荡态系统的混沌同步条件，成功实现了高性能双向多信道同步通信；以第一作者发表论文[Journal of Optical Society ofAmerica B，2011，28(5)：1139-1145]。
　　首次提出了基于外光注入式多延时互注入半导体激光器(EOI-MTDMCSLs)的混沌同步及多信道同步通信方案。利用外部混沌光注入引导多延时互注入半导体激光器的输出朝相同的方向演进，实现了稳定高品质的混沌同步和高速多信道同步通信。系统研究了EOI-MTDMCSLs的混沌同步分布规律和多信道通信性能，发现：只要外部光注入足够强，EOI-MTDMCSLs之间总能实现稳定高品质的混沌同步，且混沌同步性能不受各种注入延时的影响；外部注入越强，混沌同步区域越大，鲁棒性越强；采用混沌调制加密技术和相应的解密方法，可同时在每条双向链路上实现高速双向信息传输，即实现高速双向多信道混沌同步通信。该项工作提出了一种性能大大优越于MTDMC-ECSLs系统的实用新型混沌同步及多信道通信方案；以第一作者发表论文[IEEE Journal ofSelected Topics in Quantum Electronics，2011，17(5)：1220-1227]，以第一申请人申请国家发明专利1项[申请号：201110236861.6；公开号：CN102347832A]。
　　揭示了EOI-MCSLs系统的复合混沌同步规律，设计了基于EOI-MCSLs的多接入混沌同步通信方案和网络式SLs混沌同步系统。深入研究了EOI-MCSLs系统中各激光器输出之间相关性的分布规律，发现：在实现MCSLs之间稳定高品质实时混沌同步的同时，还能实现DSL与MCSLs之间的单向完全混沌同步或单向普通同步；结合该复合混沌同步特性，同时实现了MCSLs之间的双向同步通信和DSL到MCSLs的单向广播同步通信；在此基础上首次提出了一种高安全性加密混沌通信方案，即利用广播信道传输的信息作为加密/解密密钥，在MCSLs之间进行加密混沌通信，大大提高了MCSLs之间双向同步通信的安全性；该项成果以第一作者发表论文[IEEE Photonics Technology Letters，2010，22(10)：676-678]。另一方面，进一步拓展EOI-MCSLs系统，用DSL向多个串联MCSLs施加外部混沌光注入，设计了网络式SLs混沌同步系统；该系统可同时实现任意两个MCSLs之间的双向同步通信以及DSL到串联MCSLs的单向广播同步通信；该项成果以第一作者投稿论文[Science China Information Sciences，2012，Submitted]。基十EOI-MCSLs的多接入混沌通信方案和网络式SLs混沌同步系统开拓了MCSLs的新应用，有利于实现混沌通信网络。