基于VCSELs的光混沌应用研究
本文选题:垂直腔面发射激光器 切入点:光混沌 出处:《西南大学》2017年硕士论文 论文类型:学位论文
【摘要】:激光物理学中的混沌研究,特别是半导体激光器系统中的光混沌,已经取得了很好的成果,并正处在飞速发展阶段。其中,光混沌不仅有望为混沌的基础研究提供丰富的成果,而且还可以为动力工程学中的应用提供有价值的参考。例如,各种各样丰富的混沌动力学行为已经出现在半导体激光器中,包括传统的边发射半导体激光器(edge-emitting semiconductor laser,EEL)和新型的垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL)。对于这些激光器来说,混沌动力学甚至这些激光器的孤立振荡有着非凡的意义,并且动力学行为的控制在当前的实际应用中是非常重要的研究话题。至于光混沌的应用方面,光混沌保密通信已经取得了巨大的突破。基于半导体激光器系统间的混沌同步,多种数据加密到混沌载波及其解密的方法已被应用到了保密数据传输与通信中。此外,利用现有的公共光通信链接,许多混沌保密通信已经成功通过了测试,并取得了相当好的成果。相比于EEL,VCSEL吸引了许多研究者们的注意,这都归功于VCSEL可以提供EEL所无法比拟的优异性能,如亚毫安级的阈值电流,低阈值电压,高功率输出,低损耗和高转化效率等。现如今,VCSEL的操作波长范围一般在670 nm到1550 nm之间。这些都使得VCSEL可以成为许多应用中的潜在光波源,包括高速率光通信和光互连应用等。为了满足信息传输与通信速率的快速增长,基于光混沌的平行光波系统是目前迫切需求的,而这些都是离不开VCSEL的。因此,本文基于多个VCSELs产生的光混沌,提出了两种通信系统结构,并将信息与图像分别应用于光保密通信中,由此展开对光混沌应用价值的相关研究。首先,本文基于两个同步的VCSELs,提出了一个长距离多通道双向混沌保密通信系统,该系统通过多条路径连接。这两个同步的响应VCSELs(responding VCSELs,R-VCSELs)在受到来自主驱动VCSEL(driving VCSEL,D-VCSEL)的相同混沌信号注入后,可以在各自的两个线性偏振模式中输出相似的用作混沌载波的光混沌信号。而D-VCSEL将同时受到光反馈和光注入的作用。通过数值仿真,两个R-VCSELs之间可以获得高质量的混沌同步。并且,在采用混沌掩盖(chaos masking,CM)技术后,通过调整不同的内部参数失配,研究了不同质量的混沌同步对单模光纤(single mode fiber,SMF)信道中通信性能的影响。结果表明,随着两个R-VCSELs间最大互相关系数的减小,解密信息的误码率(bit error rate,BER)将增大。当系统引入色散补偿光纤(dispersion compensating fiber,DCF)链接后,基于R-VCSELs之间的高质量混沌同步,4n路速率为10 Gbit/s的信息可以在R-VCSELs间长度为180 km的SMF信道中的n条路径中同时双向传输。通过以上彻底的测试和详尽的分析,证明了基于VCSELs的长距离、多通道、双向混沌通信的可行性。其次,本文还利用多个VCSELs产生的光混沌提出了一个新型的对称图像加密及传输系统。在受到来自主VCSEL(master VCSEL,M-VCSEL)的相同信号注入后,两个从属VCSELs(slave VCSEL1和slave VCSEL2,即S-VCSEL1和S-VCSEL2)可输出相似的光混沌信号作为混沌载波,用以传输图像。同时,S-VCSEL1的混沌信号还可用于生成加密模型中的密钥空间。在采用三维猫映射和混沌逻辑斯谛映射后,不仅像素点的位置被打乱了,而且密文图像和原始图像之间的相关性也同时被破坏了。因此,该系统能够抵御统计攻击、微分攻击以及蛮力攻击之类的常见攻击。通过数值仿真,两个S-VCSELs之间可以获得高质量的混沌同步。当采用CM技术后,由所提出加密模型加密后的图像可以于SMF信道中从S-VCSEL1端传输到S-VCSEL2端,并得以成功解密,相应的BER将小于6.18×10-19。最后,本文做了关于安全性分析的详细测试,证明了所提出基于光混沌的图像加密及传输系统的可行性与高保密性。就目前所知,在基于VCSELs的光混沌应用中,关于信息传输系统,尤其是图像加密及传输系统的研究较少,因此本文具有非常特别的研究价值。相信本文不仅对密码学领域的研究有所帮助,而且对非线性科学与技术也有一定的指导意义。
[Abstract]:Study on laser chaos in physics, especially in the light of chaotic semiconductor laser system, has achieved good results, and is at a stage of rapid development. Among them, the light is not only expected to provide abundant chaotic results based on chaos, but also can provide valuable reference for the application of power engineering. For example various kinds of chaotic behavior, the rich have appeared in semiconductor lasers, including conventional edge emitting lasers (edge-emitting semiconductor, laser, EEL) and a new type of vertical cavity surface emitting laser (vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL). For these lasers, have extraordinary significance and even chaotic dynamics of these lasers isolated oscillation. Control and dynamic behavior in the current practical application is a very important research topic. As for the light of chaos Applications of chaos secure optical communication has made great breakthrough. The chaotic synchronization of semiconductor laser system based on a variety of data encryption and decryption method to chaotic carrier has been applied to the secure data transmission and communication. In addition, the use of existing public optical communication links, many chaotic communication has successfully passed the test, and achieved very good results. Compared with EEL, VCSEL has attracted many researchers' attention, this is due to the excellent performance of EEL VCSEL can provide unmatched, such as threshold electric sub milliamperes flow, low threshold voltage, high output power, low loss and high conversion efficiency. Now, the operation wavelength range of VCSEL in 670 nm to 1550 nm. All these make VCSEL can become a potential light source in many applications, including high-speed optical communications and optical interconnection in order to meet the requirements of application. The rapid growth of full information transmission and communication rate, parallel optical lightwave system based on chaos is an urgent demand, and these are all cannot do without VCSEL. Therefore, this paper based on a plurality of VCSELs light generated by chaos, puts forward two kinds of structure of communication system, and the information and images were used in optical secure communication thus, research on optical chaotic application value. Firstly, the two synchronization based on VCSELs, proposes a long distance multi channel bidirectional chaos communication system, the system by connecting multiple paths. The two synchronous response of VCSELs (responding VCSELs R-VCSELs) from the main drive in VCSEL (driving VCSEL D-VCSEL) the same chaotic signal injection, optical chaotic signal can be in two linear polarization modes in their output similar as chaotic carrier. D-VCSEL will also subject to optical feedback and optical The effect of injection. Through numerical simulation, the chaotic synchronization between two R-VCSELs of high quality can be obtained. And, in the chaos masking (chaos masking CM) technology, by adjusting the internal parameters of different mismatch on the different quality of chaotic synchronization on single-mode fiber (single mode fiber, SMF) affects the performance of communication in the channel. The results show that with the decrease of the maximum number of mutual relationship between two R-VCSELs, the bit error rate of the decryption information (bit error rate, BER) will increase. When the dispersion compensation fiber into the system (dispersion compensating fiber, DCF) link, high quality of chaotic synchronization between R-VCSELs based on the 4N road at a rate of 10 Gbit/s information can be R-VCSELs at the same time as the two-way transmission length between SMF channel 180 km n in the path. Through the above thorough testing and detailed analysis, proved that the long distance based on VCSELs multi channel, double To the feasibility of chaotic communication. Secondly, this paper also uses multiple VCSELs light generated by chaos has put forward a new symmetric image encryption and transmission system. In the subject from the main VCSEL (Master VCSEL M-VCSEL) the same signal injection, two VCSELs (slave VCSEL1 and slave dependent VCSEL2, S-VCSEL1 and S-VCSEL2) can output similar optical chaotic signal as the chaotic carrier, used to transmit images. At the same time, the S-VCSEL1 of the chaotic signal can also be used to generate the encryption key space model. In the three-dimensional chaotic cat map and the logistic map, not only the position of pixels was disrupted, and the correlation between the original image and encrypted image at the same time be destroyed. Therefore, the system can resist statistical attack, differential attack and common attacks such as brute force attack. Through numerical simulation, two S-VCSELs of high quality can be obtained Chaos synchronization. When using CM technology, the proposed image encryption model can be encrypted in SMF channel from S-VCSEL1 port to the S-VCSEL2 side, and the success of the decryption, the corresponding BER will be less than 6.18 * 10-19.. At last, this paper makes a detailed analysis on the test safety, feasibility is proved by the image encryption and the transmission system of optical chaos and high security. Based on the current state of knowledge, based on the application of VCSELs in optical chaos, on information transmission system, especially the study of image encryption and transmission system is less, so this paper has very special research value. The thesis not only studies on the field of cryptography and help. Have a certain guiding significance for nonlinear science and technology.
【学位授予单位】:西南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN248
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 Hen-Wai Tsao,Shyh-Lin Tsao;Analysis of VCSEL Array Module Using a Simple Microlens Array[J];光学学报;2003年S1期
2 罗君;VCSEL的发展现状和市场应用[J];光子技术;2003年04期
3 ;850 nm Implant-confined VCSEL Temperature Characteristics[J];Semiconductor Photonics and Technology;2004年01期
4 李林,钟景昌,张永明,苏伟,赵英杰,晏长岭,郝永琴,姜晓光;Oxide-apertured VCSEL with short period superlattice[J];Chinese Optics Letters;2004年12期
5 ;Rate-equation-based VCSEL thermal model and simulation[J];Journal of Zhejiang University Science A(Science in Engineering);2006年12期
6 Fumio Koyama;;New functions of VCSEL-based optical devices Invited Paper[J];Chinese Optics Letters;2008年10期
7 程奇;发射波长为1.6μm的VCSEL适于批量生产[J];光电子技术与信息;2000年06期
8 张劲松,曹明翠,陈涛,谭伟;VCSEL技术与并行光互联[J];光通信研究;2002年06期
9 陈弘达,申荣铉,毛陆虹,唐君,梁琨,杜云,黄永箴,吴荣汉,冯军,柯锡明,刘欢艳,王志功;16信道0.35μmCMOS/VCSEL光发射模块(英文)[J];半导体学报;2003年03期
10 赵鼎,林世鸣;确定VCSEL电势及载流子自洽分布算法的研究[J];半导体学报;2003年10期
相关会议论文 前10条
1 陈光秒;陈军;葛剑虹;朱小平;;垂直腔面发射激光器(VCSEL)在自由空间通信中的应用研究[A];大珩先生九十华诞文集暨中国光学学会2004年学术大会论文集[C];2004年
2 桂华侨;黄伟;汪洪波;吕亮;谢建平;赵天鹏;许立新;吴云霞;明海;;聚合物光纤传光的VCSEL自混合测振系统特性研究[A];光子科技创新与产业化——长三角光子科技创新论坛暨2006年安徽博士科技论坛论文集[C];2006年
3 韶海铃;王荣;;新一代光通信激光管VCSEL[A];2005通信理论与技术新进展——第十届全国青年通信学术会议论文集[C];2005年
4 谢志国;郑荣升;林开群;阎杰;张永生;;基于可见光VCSEL的聚合物光纤高速信号传输[A];光子科技创新与产业化——长三角光子科技创新论坛暨2006年安徽博士科技论坛论文集[C];2006年
5 ;A Proposal of Integrated RSNOM-RW Scanning Head Array for Ultrahigh Density and Ultrahigh Rate Optical Memory with VCSEL-Tip[A];2003年纳米和表面科学与技术全国会议论文摘要集[C];2003年
6 丁松鹤;马玲;赵俊;;高精度VCSEL激光器自动温控系统设计[A];中国空间科学学会空间探测专业委员会第二十六届全国空间探测学术研讨会会议论文集[C];2013年
7 刘杰;高剑刚;李玉权;;VCSEL技术及其在光互连中的应用[A];全国第十二次光纤通信暨第十三届集成光学学术会议论文集[C];2005年
8 ;Crosstalk analysis of 4×48 parallel optical interconnect system based on VCSEL/CMOS optoelectronic chip and 2-D optical fiber data link[A];湖北省激光学会论文集[C];2000年
9 王科;郑婉华;张冶金;任刚;杜晓宇;邢名欣;陈良惠;;光子晶体垂直腔面发射激光器的模式分析[A];第十六届全国半导体物理学术会议论文摘要集[C];2007年
10 Wei-Chou Hsu;Tsin-Dong Lee;Chih-Hung Chiou;;Single Mode InGaAs Photonic Crystal Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers emitting at 1170nm[A];Proceedings of the Eighth Chinese Optoelectronics Symposium[C];2006年
相关重要报纸文章 前2条
1 周林;VCSEL影响网络测试[N];中国计算机报;2001年
2 记者 李双艺 通讯员 李蓉;开发出百瓦级微型化高功率半导体激光模块[N];吉林日报;2014年
相关博士学位论文 前10条
1 李秀山;垂直腔面发射激光器高阶模式及偏振控制[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2015年
2 尹毅;芯片原子钟性能优化实验研究[D];中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所);2017年
3 陈建军;光注入及光电反馈垂直腔面发射激光器的非线性动力学特性研究[D];西南大学;2017年
4 何德勇;单模VCSEL自混合激光多普勒测速研究[D];中国科学技术大学;2008年
5 马雅男;垂直腔面发射激光器的慢光特性研究[D];西南交通大学;2013年
6 王伟;高功率垂直腔面发射激光器的偏振特性[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2012年
7 徐军;单模VCSEL自混合测速、测距及三维图像技术的研究[D];中国科学技术大学;2006年
8 刘迪;高功率垂直腔面发射激光器的热行为特性[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2012年
9 晏长岭;垂直腔面发射激光器的研制及其特性分析[D];中国科学院长春光学精密机械与物理研究所;2000年
10 黄占超;长波长垂直腔面发射激光器材料与物理研究[D];中国科学院研究生院(上海微系统与信息技术研究所);2006年
相关硕士学位论文 前10条
1 刘庆喜;VCSEL混沌系统的时延隐藏与不可预测性研究[D];西南交通大学;2015年
2 栾信信;高速850nm VCSEL的研制[D];北京工业大学;2015年
3 李洪雨;单模表面浮雕结构垂直腔面发射激光器的特性研究[D];长春理工大学;2014年
4 王文娟;基于表面等离子体的垂直腔面发射激光器的设计和研究[D];北京工业大学;2015年
5 万仁;120Gb/s CXP光收发模块的研究[D];武汉邮电科学研究院;2014年
6 杨传世;16Gb/s VCSEL驱动器优化设计[D];东南大学;2015年
7 周元隆;65nm CMOS工艺22Gb/s VCSEL驱动器电路设计[D];东南大学;2015年
8 蒋国庆;基于耦合VCSEL阵列的光束操控研究[D];北京工业大学;2016年
9 陈希;多通道并行光模块的结构设计与性能仿真[D];华中科技大学;2016年
10 杨炳星;光脉冲注入下VCSEL的偏振开关特性研究[D];西南大学;2009年
,本文编号:1562803
本文链接:https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/1562803.html