基于功率谱分析法光反馈半导体激光器时延信息识别的研究

  外腔反馈半导体激光器结构简单、动态特性丰富、稳定性好，已成为高速真随机密钥产生、混沌保密通信、高精度雷达测距以及混沌光时域反射仪等应用中最广泛使用的光源。然而，外腔谐振导致混沌信号具有反馈时延特征、暗含周期性，将降低混沌通信系统的安全性、削弱产生的随机数的无序性。因此，混沌半导体激光器时延信息的隐藏已成为混沌应用中亟待解决的问题。针对此问题，本文利用功率谱分析法，首先研究了最简单的镜面反馈边发射半导体激光器（EEL）时延信息能否被抑制。然后，探索了时延信息能被隐藏的滤波反馈方案。主要工作及结果总结如下：1)实验和数值模拟研究了镜面光反馈混沌EEL时延信息的提取。利用我们提出的功率谱分析方法，针对已有研究提出的可以抑制或隐藏时延信息的情形，发现镜面光反馈混沌半导体激光器时延信息是可以识别的。同时研究发现：时序分析方法自相关函数法（ACF）和互信息法（MI）能否识别时延信息取决于时间序列的长度。选取足够长的时序进行时域分析，ACF和MI也能提取出上述情形的时延信息。此外，功率谱分析法可以识别ACF和MI不能识别的单反馈和双反馈τ1:τ2≈1:2且FPR1> FPR2的情形。因此，基于功率谱分析方法研究结果表明，对于固定时延反馈的混沌半导体激光器系统，时延信息是无法被抑制的。2)提出了滤波光反馈混沌边发射半导体激光器可以隐藏时延信息。数值模拟分析了滤波器参数（滤波器的线宽和频率失谐量）、反馈外腔参数（反馈强度和外腔长度）对时延信息识别的影响。模拟结果表明：在相同反馈强度下，滤波反馈时延信息比镜面反馈时延信息难于识别。初步的实验结果也证实了这一点。3)提出了滤波光反馈垂直腔面激光器（VCSEL）时延信息隐藏方案。基于自旋反转模型（SFM），扩展建立了滤波光反馈VCSEL的速率方程。数值模拟结果表明：在相同的反馈速率下，镜面反馈VCSEL的时延信息可以容易地提取出来；而滤波反馈VCSEL的时延信息，当联合选择合适的滤波器参数（滤波器的线宽、频率失谐）时，时延信息是可以被隐藏的。此外，详细分析了滤波器的线宽和频率失谐，对滤波反馈VCSEL时延信息抑制的影响。结果表明：滤波器线宽越窄，时延信息越容易被隐藏；滤波器与VCSEL的频率失谐较大时，时延信息可以被抑制。

 

太原理工大学山西省211工程院校

 

页数：111

 

【学位级别】：博士

 

文章目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

    1.1 论文研究背景及意义

    1.2 光反馈半导体激光器的研究进展

        1.2.1 光反馈半导体激光器混沌激光动态特性研究现状

        1.2.2 光反馈半导体激光器混沌激光应用研究现状

    1.3 光反馈半导体激光器时延特征的研究进展

    1.4 本论文主要研究内容

第二章 典型识别时延信息的方法

    2.1 引言

    2.2 时域分析方法

        2.2.1 自相关函数

        2.2.2 互信息

        2.2.3 排列熵

        2.2.4 预测误差

        2.2.5 极值统计

    2.3 频域分析法——功率谱分析法

        2.3.1 功率谱密度

        2.3.2 维纳辛钦定理

        2.3.3 时延信息的提取

第三章 功率谱分析方法识别光反馈半导体激光器时延信息

    3.1 光反馈半导体激光器的外腔时延特征

    3.2 光反馈混沌半导体激光器时延信息识别的实验研究

        3.2.1 实验装置

        3.2.2 单反馈半导体激光器时延信息识别的实验结果

        3.2.3 双反馈半导体激光器时延信息识别的实验结果

        3.2.4 单反馈与双反馈τ1:τ2≈1:2 时延信息识别的比较

    3.3 光反馈混沌半导体激光器时延信息识别的数值分析

        3.3.1 光反馈半导体激光器理论模型

        3.3.2 单反馈半导体激光器时延信息识别的数值模拟结果

        3.3.3 双反馈半导体激光器时延信息识别的数值模拟结果

    3.4 讨论与结论

第四章 滤波反馈边发射半导体激光器时延信息抑制的研究

    4.1 引言

    4.2 理论模型

    4.3 滤波光反馈混沌半导体激光器时延信息隐藏的结果

    4.4 参数影响

        4.4.1 滤波器线宽对滤波反馈 EEL 时延信息隐藏的影响

        4.4.2 滤波器频率失谐对滤波反馈 EEL 时延信息隐藏的影响

        4.4.3 反馈强度对滤波反馈 EEL 时延信息隐藏的影响

        4.4.4 时间延迟对滤波反馈 EEL 时延信息隐藏的影响

    4.5 实验结果

    4.6 结论

第五章 滤波光反馈 VCSEL 时延信息抑制的研究

    5.1 引言

    5.2 VCSEL 理论模型

        5.2.1 VCSEL 的自旋反转模型（SFM）

        5.2.2 滤波反馈 VCSEL 速率方程模型

    5.3 滤波反馈 VCSEL 与镜面反馈 VCSEL 时延信息抑制结果比较

    5.4 滤波器参数对滤波反馈 VCSEL 时延信息抑制的影响

        5.4.1 线宽对滤波反馈 VCSEL 时延信息抑制的影响

        5.4.2 频率失谐对滤波反馈 VCSEL 时延信息抑制的影响

    5.5 结论

第六章 总结和展望

    6.1 工作总结

    6.2 未来工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间已发表的学术论文

 

参考文献

 

期刊论文

 

[1]基于光电反馈延迟的多点耦合混沌同步和通信[J]. 胡汉平,陈笑风,苏威,谢飞龙,高孝婧.  光学学报. 2014(04)

[2]基于互耦半导体激光器的混沌网状网络的同步与通信[J]. 潘兴茂,吴正茂,唐曦,夏光琼.  中国激光. 2013(12)

[3]光纤故障可视的混沌光时域反射测量方法[J]. 张丽,王安帮,李凯,王云才.  中国激光. 2013(03)

[4]Improvement of signal-to-noise ratio in chaotic laser radar based on algorithm implementation[J]. 王冰洁,赵彤,王华奎.  Chinese Optics Letters. 2012(05)

[5]基于互注入半导体激光器的混沌输出产生17.5Gbit/s随机码[J]. 唐曦,吴加贵,夏光琼,吴正茂.  物理学报. 2011(11)

[6]反馈相位随机调制消除混沌半导体激光器的外腔长信息[J]. 张建忠,王安帮,张明江,李晓春,王云才.  物理学报. 2011(09)

[7]激光混沌耦合反馈光电及全光逻辑门研究[J]. 颜森林.  物理学报. 2011(05)

[8]反馈强度调制增强混沌光通信的保密性[J]. 郭东明,杨玲珍,王安帮,张秀娟,王云才.  物理学报. 2009(12)

[9]面向汽车防撞的混沌激光雷达[J]. 龚天安,王云才,孔令琴,李海忠,王安帮.  中国激光. 2009(09)

[10]Multi-target real-time ranging with chaotic laser radar[J]. 王冰洁,王云才,孔令琴,王安帮.  Chinese Optics Letters. 2008(11)