基于940nm垂直腔面发射激光器的混沌通信研究

论文摘要

近年来,基于垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-emitting Lasers,VCSELs）的光混沌通信在理论和实验上都取得了重要的突破。和一般的边发射半导体激光器（Edge-emitting Semiconductor Lasers,EELs）相比,VCSELs拥有许多优势:低阈值电流、高调制频率、易输出单纵模。这些重要的特性让VCSELs成为了光通信研究领域的重要光波源。一般而言,VCSELs的发射波长大致位于670nm到1550nm之间。而其中940nm波段的VCSELs有着很宽的吸收峰,它的对温度有着极好的稳定性,此外可以在连续的输出环境中持续的运行。由于外腔的引入给VCSEL激光器带来了额外的延时,这一般被称为“延时信号”（Time Delay Signature,TDS）,TDS可能会降低基于混沌的通信的安全性,对于TDS的影响,众多学者也提出了许多方案,并在理论或实验上加以了论证,这些方案确实为TDS的隐藏提供了新的思路,但都是以增加系统的复杂性为代价,这和未来混沌光波源的光子集成电路方向是相悖的。因此,寻找新的产生光学混沌的替代方法显得至关重要。本文基于940nm波段的自旋VCSEL激光器产生的混沌现象进行了论述,在自旋反转模型（Spin-Flip Model,SFM）基础上数值计算了光注入型940nm主从结构的自旋VCSEL的速率方程组。当前,很少有对SFM模型的众多重要参数加以全面的讨论分析,数值计算分析了系统的混沌同步特性。着重研究了泵浦极化椭圆度、归一化泵浦功率、注入速率、频率失谐量等这些重要参数对于系统输出信号混沌同步的影响。并分别在有无噪声的情况下得到了比较全面的混沌区域的参数范围。研究表明:在归一化泵浦功率值大于3,频率失谐量为负数,注入速率大于35ns-1时可以实现较好地混沌同步。此外,计算了这些关键参数在±50%和±10%的参数失配下的混沌同步误差,分析表明泵浦极化椭圆度、线性双折射和线性二向色性的参数失配下的误差影响较小,而归一化泵浦功率、光衰减率和线宽增强因子在参数失配的误差影响中扮演着重要的角色。总的来说,如果参数失配率低于±5%的条件下,系统的同步误差将会低于10%。因此,基于SFM理论的光注入主从结构系统是稳健的。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 垂直腔面发射激光器的优势以及应用
•     1.2.1 垂直腔面发射激光器的主要优点
•     1.2.2 940nm的垂直腔面发射激光器的工程应用
•   1.3 光混沌及其同步理论
•     1.3.1 基于激光器的混沌通信
•     1.3.2 光混沌同步及其发展历程
•   1.4 本文研究内容及章节安排
• 第二章 VCSEL激光器的基本结构和理论模型
•   2.1 垂直腔面发射激光器的基本结构
•   2.2 VCSEL基本理论模型
•     2.2.1 Lang-Kobayashi（L-K）速率方程
•     2.2.2 自旋反转模型
•     2.2.3 引入噪声项
•   2.3 数值算法
•   2.4 本章小结
• 第三章 自由运行的940nm自旋VCSEL及其混沌现象
•   3.1 自由运行的自旋VCSEL理论模型
•     3.1.1 自旋VCSEL的优势
•     3.1.2 自由运行的自旋VCSEL自旋反转模型
•   3.2 混沌时间序列分析理论
•     3.2.1 混沌特征判定指标
•     3.2.2 排列熵的定义
•     3.2.3 互相关系数
•   3.3 自由运行的940nm自旋VCSEL混沌特性
•     3.3.1 自由运行940nm自旋VCSEL的混沌动态信息
•     3.3.2 参数对自由运行940nm自旋VCSEL的混沌影响
•     3.3.3 噪声对自由运行940nm自旋VCSEL的混沌影响
•   3.4 本章小结
• 第四章 光注入型主从结构940nm自旋VCSEL的混沌同步特性
•   4.1 光注入耦合下自旋VCSEL主从结构及其动力学
•   4.2 光注入主从结构940nm自旋VCSEL的混沌同步
•     4.2.1 光注入型主从结构940nm自旋VCSEL的混沌动态信息
•     4.2.2 参数对光注入主从结构940nm自旋VCSEL的混沌同步影响
•   4.3 噪声对光注入主从结构940nm自旋VCSEL的混沌影响
•   4.4 参数失配对光注入主从结构940nm自旋VCSEL的混沌影响
•   4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 本文工作总结
•   5.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 柯雄伟

导师: 陈树强

关键词: 垂直腔面发射激光器,自旋反转模型,光注入,自由运行,混沌同步,互相关系数

来源: 电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,物理学,无线电电子学

单位: 电子科技大学

分类号: O415.5;TN248

总页数: 74

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