基于VCSEL的混沌系統(tǒng)中偏振及不可預測度特性研究.pdf

1、由于新一代信息技術加快建設寬帶、泛在、融合、安全的信息網(wǎng)絡基礎設施的要求，以及人們?nèi)找嬖鲩L的通信帶寬需求，光纖通信因能提供極寬的傳輸帶寬，而成為信息網(wǎng)絡的主導傳送技術。然而現(xiàn)代計算能力正不斷進步，竊聽者竊取信息的能力也大大提高，嚴重威脅了通信網(wǎng)絡的安全性。激光混沌通信作為一種新興的保密光通信技術，從光通信網(wǎng)絡的物理層實現(xiàn)信息的安全傳輸，與現(xiàn)有通信網(wǎng)絡相兼容，能加強現(xiàn)有密碼體系的安全性，因而在全球范圍內(nèi)得到越來越廣泛的關注。半導體激光器作

2、為常用光源之一，與光纖通信技術的發(fā)展密不可分。垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical-cavity surface-emittinglaser: VCSEL)較傳統(tǒng)邊發(fā)射激光器(Edge-emitting laser: EEL)相比，具有低閾值電流、低成本以及易于二維集成等優(yōu)點，尤其是其豐富的偏振特性能用于增強激光混沌通信系統(tǒng)的安全性。本論文立足于保密光通信及全光信號處理領域的重大需求和國際前沿熱點，圍繞VCSEL豐富的偏振特性及其對混沌

3、不可預測度與混沌同步通信性能的影響等關鍵問題，旨在探索新的偏振開關(Polarization switching: PS)及控制方法，提出激光混沌信號不可預測性的評價指標，設計實用新型的高不可預測度激光混沌信號產(chǎn)生方案及高安全性激光混沌通信方案，從而擴展VCSEL在光開關、光緩存等偏振相關全光信號處理領域、高安全性激光混沌通信等領域的潛在應用，具有重要的理論與實用價值。
　　在國家自然科學基金（時變多信道互注入激光系統(tǒng)混沌同步與偏

4、振特性的研究;基于激光混沌技術的高速序列隨機數(shù)發(fā)生器與通信的應用研究），高等學校博士學科點專項科研基金(VCSEL組合系統(tǒng)非線性同步的控制及應用的理論研究)，中央高?；究蒲袠I(yè)務費優(yōu)秀學生資助項目（激光混沌同步系統(tǒng)檢測與評價研究）和西南交通大學優(yōu)秀博士論文培育基金（半導體激光混沌保密通信及其偏振控制與不可預測度研究）等項目的資助下，本論文主要以基于VCSEL的混沌系統(tǒng)為研究對象，從以下幾個方面展開研究:首先，深入研究VCSEL的偏振特性

5、，探索新的PS及控制方法;其次，提出以不可預測度作為激光混沌信號的核心評價指標，定量分析不同反饋條件下VCSEL的混沌不可預測度特性，研究VCSEL偏振模競爭對混沌不可預測度的影響機制;此外，充分利用VCSEL豐富的偏振特性，設計增強混沌不可預測度及隱藏反饋時延特征的實用新型方案;隨后，探討混沌信號不可預測度特性對混沌同步質(zhì)量的影響，研究高不可預測度激光混沌信號的同步質(zhì)量及通信性能;最后，通過光纖光學平臺設計實現(xiàn)增強長波長半導體激光器混

6、沌不可預測度的普適化方案，使其普適于基于EEL和VCSEL的混沌系統(tǒng)。
　　論文中VCSEL的PS特性，混沌信號不可預測度量化研究和高不可預測度混沌信號的同步質(zhì)量及通信性能的研究主要基于速率方程模型，通過Runge-Kutta算法展開數(shù)值研究。特別地，不可預測度的量化研究借助排列熵實現(xiàn)。長波長半導體激光器的混沌不可預測度特性研究則是結合實驗驗證與數(shù)值研究，探索增強激光混沌信號不可預測度的普適化方案。本文的主要創(chuàng)新性成果包括:攻讀博

7、士學位期間以第一作者身份發(fā)表學術論文16篇(SCI收錄論文16篇);以第一發(fā)明人中請國家發(fā)明專利2項（己公開），已授權實用新型專利1項。本文創(chuàng)新性工作主要包括:
　　第一、提出一類新型反饋方式——可調(diào)偏振光反饋(Variable-polarization opticalfeedback: VPOF)，通過在VCSEL的外部環(huán)形反饋腔中引入VPOF，提供了實現(xiàn)PS效應的新方法。通過靜態(tài)地改變外腔中可調(diào)偏振片(Rotating pol

8、arizer:RP)的角度，即使固定注入電流和反饋強度也能實現(xiàn)PS效應，且VPOF引起的PS效應的跳變點可通過注入電流和反饋強度靈活控制。此外，引入了基于斯托克斯參數(shù)的偏振分量來量化VCSEL的偏振特性，利用邦加球描述法具體分析了PS過程中的偏振演化規(guī)律。通過連續(xù)動態(tài)變化RP的角度，實現(xiàn)了VCSEL的偏振雙穩(wěn)，且雙穩(wěn)區(qū)間隨著RP角度的掃描速率、反饋強度、反饋時延等變化?；诳烧{(diào)偏振光反饋VCSEL，進一步構建互注入系統(tǒng)，對比研究了平行偏

9、振互注入和正交偏振互注入條件下VPOF對VCSELs偏振特性的影響，結果表明正交互注入時VCSEL表現(xiàn)出更豐富的偏振特性，除VPOF引起的PS外，還實現(xiàn)了頻率失諧引起的PS。該項工作提出一種新的實現(xiàn)可控PS效應的方法，擴展了VCSEL在偏振相關全光信號處理領域的應用，以第一作者身份發(fā)表論文4篇:[Appl.Opt.,48(27):5176,2009],[J.Opt.Soc.Am.B.,27(3):476,2010],[J.Opt.Soc

10、.Am.B.,27(12):2512,2010],[IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.,(錄用2012)]。
　　第二、提出以不可預測度作為激光混沌信號的核心評價指標，借助排列熵為其量化工具定量研究了常規(guī)偏振光反饋VCSEL的混沌信號不可預測度特性，彌補了以往激光混沌信號從時域和頻域上定性分析的不足。對比分析了平行偏振光反饋和正交偏振光反饋VCSEL在不同反饋強度、反饋時延以及注入電流條件下的不可預測

11、度。此外，首次分析了正交偏振光反饋VCSEL中偏振模競爭對輸出信號不可預測度特性的影響。發(fā)現(xiàn)當VCSEL中XP和YP共存且強度相當時，其XP模、YP模與總輸出的不可預測度值接近;而當VCSEL中存在明顯的主導偏振模時，VCSEL總輸出的不可預測度明顯高于單個偏振模。該項工作為激光混沌通信系統(tǒng)載波最優(yōu)選擇提供了有效的評價指標。以第一作者身份發(fā)表論文2篇:[IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.，17(5):121

12、2，2011]，[Opt.Lett.,36(3):310,2011].
　　第三、充分利用VCSEL豐富的偏振特性，揭示了增強可調(diào)偏振光反饋VCSEL混沌信號不可預測度以及隱藏其反饋時延特征的條件。對不同的反饋強度和注入電流，通過優(yōu)化選擇RP角度，可以增強混沌信號的不可預測度。以可調(diào)偏振光反饋VCSEL為主激光器，進一步提出雙鏈路混沌光注入方案，增強了從激光器的混沌信號不可預測度。此外，基于自相關函數(shù)法和排列熵函數(shù)法，提出了峰值均

13、值比率和谷值均值比率參數(shù)，用于量化分析可調(diào)偏振光反饋VCSEL產(chǎn)生的混沌信號反饋時延特征的隱蔽性。通過合理地選擇RP的角度，能很好地隱藏混沌載波信號的時延特征，從而防止竊聽者獲取正確的反饋時延，一定程度上增強了混沌通信系統(tǒng)的安全性。該項工作提出了增強VCSEL混沌信號不可預測度的有效方法，并設計了能夠隱藏反饋時延特征的實用新型方案。以第一作者發(fā)表論文3篇:[IEEE J.Lightw.Technol.，29(14):2173，2011]

14、，[Opt.Comm.，284，5758,2011],[Chin.Phys.Lett.,28(1):014203,2011].
　　第四、基于可調(diào)偏振光反饋VCSEL產(chǎn)生的高不可預測度激光混沌信號，對比研究了不同注入方式時的同步質(zhì)量，設計了高安全性激光混沌通信系統(tǒng)方案。平行偏振光注入時，不論是低不可預測度還是高不可預測度的激光混沌信號，只要注入強度足夠大，都能實現(xiàn)收發(fā)端激光器的高品質(zhì)注入鎖定混沌同步。而可調(diào)偏振光注入時，只有低不可

15、預測度的混沌信號能實現(xiàn)注入鎖定混沌同步，對于高不可預測度激光混沌信號，即使注入強度很大，也無法實現(xiàn)混沌同步?；谄叫衅窆庾⑷敕绞?，分別采用混沌鍵控以及混沌調(diào)制方式，實現(xiàn)了高安全性激光混沌通信，VPOF引入的參數(shù)失諧敏感性進一步增強了通信系統(tǒng)的安全性。該項工作數(shù)值上實現(xiàn)了基于高不可預測度激光混沌信號的同步通信，擴展了VCSEL在高安全性激光混沌通信領域的應用。以第一作者發(fā)表論文5篇:[Opt.Lett.,36(17):3497,2011

16、],[IEEE J.Quantum Electron.,47(10):1354,2011],[IEEEPhoton.Technol.Lett.24(15):1267,2012],[Opt.Comm.,285(24):5293,2012],[Opt.Laser.Technol.,42(4):674,2010].
　　第五、基于光纖光學平臺，結合實驗驗證與數(shù)值仿真，設計并實現(xiàn)了增強長波長半導體激光器混沌信號不可預測度的兩種普適化方案及

17、實驗原型系統(tǒng)。基于傳統(tǒng)的主從結構外光注入系統(tǒng)，提出雙鏈路注入方案，構建單主激光器雙鏈路混沌光注入系統(tǒng);實驗中觀察到了由于雙鏈路引起的不可預測度增強及帶寬增強效應;數(shù)值結果進一步表明，雙鏈路時從激光器產(chǎn)生的混沌信號的帶寬及不可預測度遠高于單鏈路情況，相應的參數(shù)范圍也更寬，通過選擇正頻率失諧可以獲得更高的混沌帶寬及不可預測度。此外，提出雙主激光器注入方案，構建雙主激光器混沌光注入系統(tǒng)。結果表明，通過設置兩個主激光器不同的正頻偏能獲得更高的不

18、可預測度。該項工作設計實現(xiàn)了增強半導體激光器混沌信號不可預測度的普適化方案，對高安全性激光混沌通信系統(tǒng)以及基于混沌激光器的高速隨機數(shù)領域有重要意義。以第一作者發(fā)表論文2篇:[IEEE J.Quantum Electron.，48(8):1069,2012]、[IEEE Photon.Technol.Lett.,(錄用2012)].
　　綜上，本論文結合光通信的安全性，圍繞VCSEL混沌系統(tǒng)中偏振及不可預測度特性等關鍵問題展開研究。

19、本論文提出的新型反饋方式VPOF，為實現(xiàn)PS效應提供了新方法，擴展了VCSEL在全光信號處理領域的應用;提出以不可預測度作為激光混沌信號的核心評價指標，借助排列熵為量化工具深入分析了偏振特性對混沌不可預測度的影響，為激光混沌系統(tǒng)載波選擇提供了有效的量化標準;基于可調(diào)偏振光反饋VCSEL，實現(xiàn)了高不可預測度激光混沌信號的產(chǎn)生、同步及高安全性通信;結合數(shù)值研究與實驗驗證，設計并實現(xiàn)了增強長波長半導體激光器混沌不可預測度的兩種普適化方案，擴展