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半导体激光器(SL)支持在物理层上对信息加密解密操作,在一定条件下容易实现高维混沌输出,广泛应用于混沌保密光通信、高速随机数、混沌密钥分发等领域。随着研究的不断深入,人们发现混沌激光光源会暴露安全性缺陷,如采用时延分析技术可获取SL的外腔长结构信息,这会增加攻击方利用时延信息试图重组激光混沌系统的可能性,因此SL的应用也会受到制约。对SL进行加密操作或者引入非线性因素可以有效确保激光器系统输出混沌的安全性。本论文基于外腔反馈半导体激光器,在反馈外腔引入相位调制器,对相位调制器中加载数字随机信号或者模拟信号,这不仅可以作为相位加密方案实现加密操作,并且在反馈部分引入非线性因素来优化混沌输出。基于随机相位调制反馈激光器提出分别采用相位调制双反馈的结构以及级联相位调制的结构,重点研究相位调制参数对时延标签(TDS)及相位调制速率隐藏效果。结果表明随机相位调制双反馈激光器在高速的相位调制速率下能成功隐藏TDS,但是在频谱上无法消除相位调制速率的信息;而级联随机相位调制激光器控制高速相位调制速率为15Gbit/s~28Gbit/s,低速相位调制速率低于8Gbit/s时,不仅能成功隐藏TDS,并且在频谱上能消除低速相位调制速率的信息。基于正弦信号相位调制反馈激光器,重点研究相位调制速率对混沌带宽增强的效果,带宽增强最高可达30.9GHz。研究这三种结构相位调制激光器的通信系统的通信性能,并分析非法攻击方式:注入-锁定法、直接线性滤波(DLF)法,密钥丢失、延时信息缺失以及相位调制器参数失配对系统安全性的影响。在适当的信息传输速率下,不仅能保证信息的合法解调性能,并且能成功抵御几种非法攻击,从而保证系统的安全性。相位共轭反馈(PCF)激光器的反馈镜采用相位共轭镜(PCM),为激光器引入了非线性因素,相比于常规光反馈(COF)激光器的混沌输出复杂度更高,而有关PCF激光器同步研究屈指可数。本论文基于PCF激光器,提出了闭环结构的同步条件:分别在接收端的反馈项或者注入项引入合适的相移,零频率失谐时分别为1.13π、0.44π(1.44π)。两种闭环结构同步方式的同步性能相差不大,并且比COF激光器更容易实现同步。由于PCF激光器比COF激光器混沌输出的有效带宽高约20%,PCF激光器两种同步结构的通信系统的通信性能比COF激光器通信系统的通信性能更优。