数字光信号驱动半导体激光器超长距离混沌同步研究

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混沌保密通信具有高速、长距离通信的优势。混沌同步是混沌载波通信与密钥分发方案的基础,通过一个随机光信号注入两个参数匹配的半导体激光器中实现混沌同步,我们称此种方式为共驱同步。在此方式中,仅随机光信号在公共链路中传输提高了安全性。为满足城域、城际以及跨洋保密通信的需求,需实现长距离混沌同步。目前利用共驱同步方案在实验上仅实现了百公里的混沌同步,信号在光纤中传输受到损耗、色散、非线性效应的影响,信号质量下降导致同步退化。因此,如何提高混沌同步的距离成为急需解决的关键科学问题。我们注意到,现有共驱同步研究方案中驱动信号有混沌信号、噪声信号、随机调制信号等模拟信号。而数字信号比模拟信号抗干扰能力强、不累计噪声,且可在现有光纤通信网络中传输。因此,本文以随机数字光信号作为驱动信号,共驱分布式反馈(DFB)激光器混沌同步。开展的主要工作如下:(1)数值研究了随机数字相位调制(RDPM)光注入DFB激光器的动力学特性,模拟结果表明随着调制速率或调制深度增大,激光器可以从连续光注入所处状态经准周期路径进入混沌,其原因是相位变化激励了非阻尼弛豫振荡。改变注入强度与光频失谐,与连续光注入相比发现RDPM光注入可产生混沌的参数范围更大。随调制速率或调制深度的增大,响应信号与随机数字信号的相关性增大。(2)提出了RDPM光信号共同驱动DFB激光器混沌同步方案,理论分析发现混沌同步原因为注入锁定同步。通过研究激光器线宽对同步性的影响,为激光器参数选取提供了理论依据。研究了响应激光器参数失配对同步性的影响,表明系统具有参数失配的鲁棒性。(3)实验上实现了RDPM光信号共驱DFB激光器混沌同步,验证了混沌同步的原因为注入锁定时一致的非线性响应。随着调制速率增大,响应信号之间同步性先增大后保持稳定,并发现了同步持续时间约等于1.26倍弛豫振荡周期。确定了误码率低于0.02时,可保持0.9以上的混沌同步。最终实验上实现了传输距离为8000公里、互相关系数为0.91的高质量混沌同步,响应信号80%能量带宽为3.65GHz。
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