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垂直腔面发射半导体激光器的混沌与混沌同步及其应用

王伟  
【摘要】:VCSELs(垂直腔面发射半导体激光器)作为一种新型微腔激光器,具有极低的阈值电流、较小的远场发散角、调制频率高、易于实现圆形出光、单纵模工作和二维面阵集成等优点,是光互连,并行光信号处理,混沌通信等方面的理想选择。VCSELs的混沌、混沌同步的研究能够为其在光学保密通信中的应用提供重要参考,因此具有重要意义。 本文研究了VCSELs的混沌、混沌同步及其混沌同步在保密通信中的应用。论文主体分三个部分。第一,VCSELs的混沌动力学特性;第二,VCSELs的混沌同步;第三,VCSELs混沌同步在保密通信中的应用。 第一,首先介绍了垂直腔面发射半导体激光器的基本理论,然后我们依据电流调制下的VCSELs动力学模型,给出了不同参数下的分岔图。通过分析时间序列和相应的功率谱确定了VCSELs系统处于混沌态和周期态的参数区间。研究了偏置电流,调制频率以及有源层厚度对VCSELs系统混沌动力学特性的影响:偏置电流较小时激光器出现了阵发混沌态,随着偏置电流的增大系统逐渐处于周期一态;调制频率较小时,激光器处于周期一态,随着调制频率的增大系统则出现了阵发混沌;有源层厚度较小的VCSELs始终处于周期一态,有源层厚度较大的系统出现了阵发混沌。 第二,依据混沌同步理论和正弦电流调制下VCSELs的混沌动力学特性,首先利用外部混沌信号参数调制同步方案实现了两个VCSELs系统的混沌同步,相关系数的计算表明随着调制强度的增大两个系统达到了精确同步,同时我们还发现调制强度越大,系统越容易达到同步。我们还把外部混沌信号参数调制同步方案推广到多个VCSELs系统。然后分别用光电互耦合方案,连续变量光电反馈方案,延迟光电反馈方案实现了两个VCSELs系统的精确同步,达到了很好的同步效果,并把连续变量光电反馈同步方案推广到多个激光器系统。 第三,以光学混沌保密通信原理和VCSELs混沌同步为基础,采用混沌掩盖技术,分别利用VCSELs光电互耦合同步方案和VCSELs连续变量反馈同步方案实现了模拟信号和数字信号的光学保密通信,并且比较了这两种VCSELs同步方案在光学混沌保密通信中的优劣,为VCSELs混沌同步在保密通信中的应用提供了重要理论参考。


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