基于集成硅光器件的光混沌保密通信研究

论文摘要

目前,激光混沌源所使用元件的材料大多数是III-V族的材料（比如GaAlAs）。然而III-V族化合物在互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺的兼容性方面存在很大障碍。对于基于硅材料的硅光子器件在与CMOS工艺的兼容性方面具有天然优势,非常有利于器件的批量化和低成本化,因此,在近几年掀起研究基于硅光子集成技术在保密通信中等相关领域热潮。本文提出了一种新型的利用硅光子谐振腔作为混沌源保密通信系统的方案,理论上研究了硅光子微腔中产生的激光混沌并实现硅光子微腔中混沌同步的设计,在激光混沌同步的基础上完成单向和双向的混沌保密通信系统。具体工作内容包括:（1）提出了一种基于硅光子器件的单向混沌保密通信系统的方案:系统方案是由两个硅光子微腔组成。在合适的参数设置条件下,通过调节外部光激励的参数,在硅光子微腔中产生高强度的局部光场,通过载流子吸收、热光效应等非线性的调制,在微腔中会产生机械振荡和双光子吸收效应从而有光混沌的输出。两个微腔中输出的激光混沌因初始条件设置的不同而存在差异,利用驱动-响应混沌同步的方法,其中一个微腔的输出作为激励混沌,注入到另外一个微腔中诱发响应激光混沌的输出,随着激励混沌的注入和参数的设置,使响应系统的混沌轨迹渐渐趋于激励系统的混沌轨迹,在合适的注入系数下实现在两个硅基光子微腔中输出混沌同步。基于微腔之间的混沌同步,设计了单向的混沌保密通信系统方案。结果表明,在两个硅光子微腔中可以实现较好质量的混沌同步,通过设置参数,最终实现了300km传输距离的单向保密通信。（2）考察了一种基于硅光子器件的双向混沌保密通信系统的方案:双向通信系统是由三个硅光子微腔组成。通过设置三个微腔的初始条件,三个微腔中都将输出不同的激光混沌。通过将激励微腔的光混沌信号注入到另外两个响应微腔中,在合适的条件下,两个响应微腔的混沌轨迹将趋于一致,但同时仍然与激励微腔的混沌信号保持显著的不同,从而得到了两个响应微腔之间的高质量混沌同步,为后续通信信号双向的加载和传输提供了基础。通过数值模拟分析,实现100km的双向长距离信息传输和解调。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 硅基光子学的研究进展
•     1.1.1 集成光子学简况
•     1.1.2 硅基光子学国内外研究
•     1.1.3 硅基光子学的应用及前景
•   1.2 光子微腔的研究现状
•     1.2.1 光子微腔的研究背景
•     1.2.2 光子微腔的基本特征
•     1.2.3 光子晶体微腔的基本特征
•     1.2.4 光子微腔的应用及前景
•   1.3 论文的研究内容和论文结构
• 第二章 混沌及其在保密通信中的应用
•   2.1 混沌的简介
•     2.1.1 混沌的基本概念和基本特点
•     2.1.2 混沌的判别方法
•   2.2 激光系统中的光混沌产生方案
•     2.2.1 基于半导体激光器的离散光混沌方案
•     2.2.2 基于集成激光器的集成光混沌方案
•   2.3 光混沌在保密通信中的应用
•   2.4 本章小结
• 第三章 基于硅光微腔的单向混沌保密通信系统
•   3.1 基于硅光子微腔的光混沌产生及同步
•     3.1.1 硅光子微腔的基本理论模型
•     3.1.2 硅光子微腔的混沌驱动-响应同步模型
•     3.1.3 硅光子微腔混沌同步的数值仿真和分析
•   3.2 基于硅光子微腔的单向混沌保密通信系统
•     3.2.1 单向混沌保密通信系统的方案设计
•     3.2.2 Back-back单向保密通信系统的数值分析
•     3.2.3 长距光纤信道的光混沌保密通信系统的数值分析
•   3.3 本章小结
• 第四章 基于硅光微腔的双向混沌保密通信系统
•   4.1 模型
•   4.2 双向混沌保密通信的方案设计
•   4.3 双向混沌保密通信的数值分析
•   4.4 本章小结
• 第五章 总结及展望
•   5.1 本文的主要工作
•   5.2 下一步的工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的学术论文和专利
• 攻读硕士期间申请专利
• 攻读硕士期间参加的科研项目

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 牛永姣

导师: 吴加贵

关键词: 光子集成,光混沌,混沌同步,保密通信

来源: 西南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,电信技术

单位: 西南大学

分类号: O415.5;TN918;TN36

总页数: 72

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