基于VCSELs的光混沌應(yīng)用研究.pdf

1、激光物理學(xué)中的混沌研究，特別是半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)中的光混沌，已經(jīng)取得了很好的成果，并正處在飛速發(fā)展階段。其中，光混沌不僅有望為混沌的基礎(chǔ)研究提供豐富的成果，而且還可以為動(dòng)力工程學(xué)中的應(yīng)用提供有價(jià)值的參考。例如，各種各樣豐富的混沌動(dòng)力學(xué)行為已經(jīng)出現(xiàn)在半導(dǎo)體激光器中，包括傳統(tǒng)的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器（edge-emitting semiconductor laser，EEL）和新型的垂直腔面發(fā)射激光器（vertical-cavity surfac

2、e-emitting laser，VCSEL）。對(duì)于這些激光器來說，混沌動(dòng)力學(xué)甚至這些激光器的孤立振蕩有著非凡的意義，并且動(dòng)力學(xué)行為的控制在當(dāng)前的實(shí)際應(yīng)用中是非常重要的研究話題。至于光混沌的應(yīng)用方面，光混沌保密通信已經(jīng)取得了巨大的突破?；诎雽?dǎo)體激光器系統(tǒng)間的混沌同步，多種數(shù)據(jù)加密到混沌載波及其解密的方法已被應(yīng)用到了保密數(shù)據(jù)傳輸與通信中。此外，利用現(xiàn)有的公共光通信鏈接，許多混沌保密通信已經(jīng)成功通過了測試，并取得了相當(dāng)好的成果。
　

3、　相比于EEL，VCSEL吸引了許多研究者們的注意，這都?xì)w功于VCSEL可以提供EEL所無法比擬的優(yōu)異性能，如亞毫安級(jí)的閾值電流，低閾值電壓，高功率輸出，低損耗和高轉(zhuǎn)化效率等?，F(xiàn)如今，VCSEL的操作波長范圍一般在670 nm到1550 nm之間。這些都使得VCSEL可以成為許多應(yīng)用中的潛在光波源，包括高速率光通信和光互連應(yīng)用等。為了滿足信息傳輸與通信速率的快速增長，基于光混沌的平行光波系統(tǒng)是目前迫切需求的，而這些都是離不開VCSEL的

4、。因此，本文基于多個(gè)VCSELs產(chǎn)生的光混沌，提出了兩種通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并將信息與圖像分別應(yīng)用于光保密通信中，由此展開對(duì)光混沌應(yīng)用價(jià)值的相關(guān)研究。
　　首先，本文基于兩個(gè)同步的VCSELs，提出了一個(gè)長距離多通道雙向混沌保密通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過多條路徑連接。這兩個(gè)同步的響應(yīng)VCSELs（responding VCSELs，R-VCSELs）在受到來自主驅(qū)動(dòng)VCSEL（driving VCSEL，D-VCSEL）的相同混沌信號(hào)注入后，

5、可以在各自的兩個(gè)線性偏振模式中輸出相似的用作混沌載波的光混沌信號(hào)。而D-VCSEL將同時(shí)受到光反饋和光注入的作用。通過數(shù)值仿真，兩個(gè)R-VCSELs之間可以獲得高質(zhì)量的混沌同步。并且，在采用混沌掩蓋（chaos masking，CM）技術(shù)后，通過調(diào)整不同的內(nèi)部參數(shù)失配，研究了不同質(zhì)量的混沌同步對(duì)單模光纖（single mode fiber，SMF）信道中通信性能的影響。結(jié)果表明，隨著兩個(gè)R-VCSELs間最大互相關(guān)系數(shù)的減小，解密信息的

6、誤碼率（bit error rate，BER）將增大。當(dāng)系統(tǒng)引入色散補(bǔ)償光纖（dispersion compensating fiber，DCF）鏈接后，基于R-VCSELs之間的高質(zhì)量混沌同步，4n路速率為10 Gbit/s的信息可以在R-VCSELs間長度為180 km的SMF信道中的n條路徑中同時(shí)雙向傳輸。通過以上徹底的測試和詳盡的分析，證明了基于VCSELs的長距離、多通道、雙向混沌通信的可行性。
　　其次，本文還利用多個(gè)

7、VCSELs產(chǎn)生的光混沌提出了一個(gè)新型的對(duì)稱圖像加密及傳輸系統(tǒng)。在受到來自主VCSEL（master VCSEL，M-VCSEL）的相同信號(hào)注入后，兩個(gè)從屬VCSELs（slave VCSEL1和slaveVCSEL2，即S-VCSEL1和S-VCSEL2）可輸出相似的光混沌信號(hào)作為混沌載波，用以傳輸圖像。同時(shí)，S-VCSEL1的混沌信號(hào)還可用于生成加密模型中的密鑰空間。在采用三維貓映射和混沌邏輯斯諦映射后，不僅像素點(diǎn)的位置被打亂了，而

8、且密文圖像和原始圖像之間的相關(guān)性也同時(shí)被破壞了。因此，該系統(tǒng)能夠抵御統(tǒng)計(jì)攻擊、微分攻擊以及蠻力攻擊之類的常見攻擊。通過數(shù)值仿真，兩個(gè)S-VCSELs之間可以獲得高質(zhì)量的混沌同步。當(dāng)采用CM技術(shù)后，由所提出加密模型加密后的圖像可以于SMF信道中從S-VCSEL1端傳輸?shù)絊-VCSEL2端，并得以成功解密，相應(yīng)的BER將小于6.18×10-19。最后，本文做了關(guān)于安全性分析的詳細(xì)測試，證明了所提出基于光混沌的圖像加密及傳輸系統(tǒng)的可行性與高保