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基于光反馈VCSELs双信道双向光混沌通信分析.pdf

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西南大学硕士学位论文 AbstractKeywordsvertical-cavity surface-emitting lasersVCSELs,chaos synchronization,linearpolarization modc,dual-channel,bidirectional communication,mismatched parametersllI独创性声明学位论文题目 基王迸厦堡y堡S曼L墨塑值道塑自当湿泣通信硒宜本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得西南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者枉蕾彳 签字日期 加勿年 箩月 /D日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权书,本论文酥保密,口保密期限至 年 月止 。学位论文作者签名枉五彳签字日期盈I『o年箩月/0日学位论文作者毕业后去向工作单位一通讯地址导师签名致乞握签字日期≥口I 9年f月p日电话邮编西南大学硕士学位论文 第一章绪论ii II. . ..一I一“---Hi_ i II II|曼曼皇曼曼鼍曼曼舅第一章绪论1.1垂直腔面发射激光器的发展历史、垂直共振腔表面发射激光器VCSEL,简称垂直腔面发射型激光器,是光纤通讯所采用的光源之一。虽然早在1962年就有人提出制造垂直腔二极管激光器的建议,但直到二十世纪70年代才由以日本东京工业大学的Kenichi Iga教授为首的研究小组首次提出制造垂直腔面发射激光-器VCSEL的设想∞】。当时他们提出为了实现低阈值电流,VCSEL应该具有以下结构特点1激光器的腔长要极短。这样才能够获得比较稳定的容易实现单纵模工作的半导体激光器,达到提高光通信能力的目的;2有较高的光学增益;3腔外部反射镜的反射率要很高大于95%。但是在当时的情况下,要在大体积的材料中实现高的光学增益是很困难的,而且要让外部反射镜达到如此高的反射率对于他们来说也是一种挑战。尽管在如此困难的情况下,Iga带领他的工作团队仍然在1979年率先发明了世界上第一支垂直腔面发射激光器。这种激光器采用的是液相外延LPE技术,以InGaAsP/InP为材料在77Ko下的脉冲激射工作。几年后,他们又制造出了以GaAs/GaAIAs为材料的VCSEL,它能在室温条件下连续工作,阈值电流低于lmA。1983年实现了以GaAs/GaAlAs为材料,但仍然是脉冲激射工作,这种激光器在77Ko下阈值电流是350mA,而且实现了在室温下的脉冲激射,其阈值电流为1.2A。1985年使用分子束外延生MBEVCSEL,使脉冲工作下的阈值电流降为150mA。1987年,Iga等人又报道了一种GaAs系列的VCSEL,这种激光器的阈值电流低于6mA,可以在20.5uC的温度下实现CW工作。1989年,他们又首先提出了一种在室温下CW-I-作的激射波长为850rim的GaAs VCSEL。K.Iga和他的工作团队的成就激发了世界范围内学者对于实现低阈值、在较宽波长范围实现高能量输出的VCSEL的研究热情‘3,41。20世纪90年代VCSEL技术已趋于成熟。1991年实现了波长为0.981maGaAs/InGaAs系列的VCSEL室温连续工作,1993年实现了1.3pro的InGaAsP/InP的VCSEL的室温连续工作。1994年实现了1.551am的InGaAsP/InP的VCSEL的室温连续工作,并且在同一年蓝绿光的垂直腔面发射激光器引起人们的注意。1999年,日本东京大学和德国维尔兹堡大学的研究人员报道了室温下从光泵InGaN垂直腔面发射激光器二维列阵中获得蓝光发射399nm波长。而在同一年,桑迪亚国家实验室利用反传导耦合,研究制作了发射868nm波长的两个强烈耦合锁相列阵垂直腔面发射激光器具有同相发射。2000年,圣巴巴拉加州大学研究小组发展了第一个室温运转、输出波长为1.551.tin的电抽运,全品格匹配、砷锑化合物单块垂直腔面发射激光器,室温下阈值电流为7mA,高温时45℃阈值电流1.55峭。美西南大学硕士学位论文 第一章绪论曼li il一,II il, I il。il i皇皇曼曼曼曼鼍曼皇曼皇曼国普林斯顿光电子公司通过优化P型DBR材料的组分、层数以及掺杂浓度,在保持低掺杂浓度以减小自由载流子吸收的同时,降低P型DBR的串联电阻,有效地提高了效率。该公司于2005年研制出器件口径为3509in,室温下连续功率达到3Wt51。2007年该公司又通过将大尺寸二维VCSEL阵列封装在高热导率金刚石热沉上,使VCSEL阵列达到非常高的功率水平【6】。2009年1月份在美国加州San Jose召开的光子学会议上,德国Ⅵ系统公司介绍了他们研制出的第一个通过多模光纤数据传输速率达到20Gbit/s的单VCSEL,不久后该公司又将它的量子点激光器的调制速率提高了一倍40Gbiffs。在未来的几年里,随着宽带隙材料如GaN,ZnSe的研究,垂直腔面发射激光器将会得到很大的发展。·我国在VCSEL方面的研究也得到了较快的发展。1996年吉林大学实验区集成光电子联合国家重点实验室与中科院长春物理所联合研制设计了一种钨丝掩膜质子轰击与选择腐蚀相结合的新结构H型VCSEL。经过实验,该种激光器已经实现了脉宽为20呻,占空比为110的脉宽电流条件下的室温激射,最低阈值电流为20mA,最大输出功率为2roW,激射波长为878nm。而且它的工艺简单,器件成品率高,便于工业化生产。1997年,他们又利用钨丝掩膜质子轰击工艺制造出一种室温条件下可连续工作的可见光VCSEL,它的激射波长为650nm,未装在热沉上时,连续工作最大输出功率为851.tW,阈值电流3.75mA。1998年中科院半导体所集成光电子国家重点实验室,林世鸣研究员率领的实验小组,使用自己生长的结构片,研制了红光VCSEL,实现了室温连续激射阈值电流为0.25mA,波长为660nm,为当时此类激光器的最低报道值[41。在大功率VCSEL方面,长春光机所采用新结构新工艺等方法,首次实现VCSEL的瓦级功率输出,并于2004年实现了波长为980nm、121径分别为5009m和6009in的VCSEL单管室温连续工作光功率达到1.95W17】。目前,我国很多著名大学及研究所如吉林大学,中国科学院半导体所等正基于对VCSEL各方面特性的研究。相信在不久的将来我国在垂直腔面发射激光器的研究与制各方面会有快速的发展【4】。1.2垂直腔面发射激光器的结构2西南大学硕七学位论文 第一章绪论Hii|im m .Im m I,11鼍鼍曼曼曼皇量曼曼曼舅曼金属绩艘、l瓷镝出会 H离予注入区訇.jMQW有擐区n一G0b村鹿图1.1 MQW VCSEL器件结构示意图多量子阱MQWVCSEL作为平面微腔器件的代表,已成为当前光电子领域最活跃的研究之一。其典型结构如图1.1所示【8,9】。从图中可以看出,VCSEL器件主要由反射镜、有源层和金属接触面三大部分构成。由于VCSEL的增益路径短,这就要求极高的镜面反射率,因此这里的两个反射镜分别为1/4波长周期结构的n型和P型布拉格堆组成的高反射率布拉格反射镜DBR。有源层有多量子阱构成,所以有源层厚度等于量子阱厚度的总和。分别在P型DBR的外表制作金属接触层,并在P型DBR上成圆形出光口,其半径为∞,即为有源层半径。与早期的VCSEL相比,现在采用了高反射率的DBR,尤其是应变多量子阱结构的应用,使器件性能得到大大改善【8】。传统的边发射激光器EEL,从腔体结构上来说,不论是F-P腔或是DBR腔,激光输出都是在水平方向,即沿着衬底片的平行方向出光,而VCSEL却是在芯片上下表面镀上反射膜构成了垂直方向的F-P腔,光输出沿着垂直于衬底片的方向如图1.2所示。, - I 『_---r嚣奢守’譬≯‘;‘霉“;寄’≯譬节“囊[誓■●l●■l誓毫X●t■誓 ’1·唰;皇兰生£妻等量譬量鏊羹耋皇霉 ·lI_ l·-·I-·t’e t●暑,t●■,111 t■i■西南大学硕十学位论文 第一章绪论VCSEL独特的结构特点使得它与传统的EEL相比,拥有许多优势【3,4’9,1 o】1.谐振腔体积很小,易于产生微腔效应,实现极低的阈值电流激射亚毫安量级;2.谐振腔比较短,在很宽的温度和电流范围内,都易于实现动态单纵模工作,动态调制频率高;3.有源区截面呈方型或圆对称型,其基摸是高斯分布,光束既窄又圆,方向性好,远场发散角较小,易于与光纤耦合;4.出光方向垂直于衬底平面,它的排列形式为面阵形式,以实现光集成,因此适合于平行光互联和信息处理;5.器件截面积及管芯都很小,可实现高密度二维阵列,还可制作锁相阵列;6.制作工艺简单,制作成本低,有利于大量生产。正因为VCSEL具有如此多的优点,它成为中短距离光通信的理想光源,成为半导体光电子器件中极受瞩目的前沿课题之一。1.3混沌及混沌同步的概念1.3.1混沌的定义混沌是一种貌似无规则的、非线性动力学系统所特有的运动形式。混沌揭示了自然界及人类社会中普遍存在的复杂性、确定性与随机性的统一,有序与无序的统一,大大加深了人们对大自然的理解。科学地讲,混沌是由确定性系统产生的随机现象,表现为系统相空间轨道呈现出高度不稳定性。 随时间的发展,相邻轨道间的距离可能以指数形式扩大,初始任何微小的扰动都会在发展中带来完全不同的结果,但系统的确定性决定了这是一种内随机性或称伪随机性。由其特性决定,混沌的长远行为是不可预测的。混沌运动包含丰富的信息,但与噪声又有本质的区别,混沌不等于无序【ll,1 21。混沌现象最显著的特征在于其对初始条件的强烈依赖性或对小扰动的极端敏感性。混沌系统的内在随机性决定了其相空间轨道的局部高度不稳定性,最终导致系统对初始状态的记忆很快消失,产生对初始条件的极端敏感性【11,12】。为了刻画相空间轨道的指数分离,人们定义了Lyapunov指数,它是描写非线性系统混沌行为的主要特征量之一,是混沌性态的定量标志【l¨。1.3.2混沌同步混沌同步即指系统的轨道将收敛于另一系统轨道的同一值,它们之间始终保持着步调一致,且这种同步是步调稳定的。然而1990年,美国海军实验室的专家Peeora和CarrolI开创性地提出混沌系统同步的概念简称PC同步,并首次在电子4西南大学硕士学位论文 第一章绪论线路实验中实现了两个混沌系统同步【l弘15J。激光系统中的混沌同步大致可分为两类强度同步和相位同步。我们最常见的同步现象是强度同步。强度同步又可分为广义同步、完全同步和间隙同步【16-27]。1995年Rulkov等人针对耦合系统提出广义同步的概念。在广义同步下,PC同步变成广义同步的一种特殊情况。广义同步主要源于强注入下的模式锁定和放大效应,对系统的对称性要求低于完全同步,仅需发射激光器和接受激光器之间的输出成比例即可【l睨4】。在这种混沌同步中,两激光器的输出并不完全相同,而是具有相近的运动轨迹;完全同步,它是指两激光器的输出强度完全一致的情况。完全同步系统中,发射激光器的输出和接收激光器的输出完全一致,它对两个相互耦合的系统的参数一致性要求比较高。完全同步要求发射系统和接收系统的参数完全匹配,包括延迟时间和内外部环境控制参数,当两激光器的内部参数有轻微失配时,将大大影响两激光器的同步性[16,17]。完全同步中有一种特殊的同步方式一预同步,它是指两激光器的输出一致,但是接收端的输出要比发射端的在时间上超前【27-29];’间隙同步是指两激光器的输出有时是同步的,有时是不同步的,两种状态随时间的不同而交替出现。在以上三种同步方式中,完全同步是混沌保密通信中最理想的~种同步现象,但是在实际情况下,由于混沌具有对初值极端的敏感性,且实际操作中初始条件的精度受到种种限制,因此,让两个混沌系统保持很好的全同性似乎是不可能的。间隙同步由于其同步性能的极不稳定性注定了它是不适合用来完成混沌通信的。在相同步中,混沌系统的相位满足同步条件,而其振幅往往是混沌的且互不关联的【3”。其次,混沌同步的方案多种多样。例如驱动一响应同步方法,主动被动拆分法简称APD法,连续变量反馈微扰同步法,基于相互耦合的同步方法,参数微调法,脉冲法,神经网络同步法,观测器同步法等多种同步法。这些方法各有优势,但又互相补充,构成混沌同步理论最重要的组成部分[30-321。近年来,随着信息技术的不断进步,混沌同步系统在保密通信中的应用得到了越来越多的关注【33051。由于光混沌系统具有大带宽、低衰减、动力学系统复杂以及对参数高度敏感等特性,非常适合于高速远程保密通信的要求,因此混沌保密通信的研究热点也逐渐由电路混沌系统转向了光混沌系统。到目前为止,光混沌系统大致包括光注入、光反馈以及光电反馈等三类[15-30,36,3“q。1.4混沌信号编码和解码方法介绍近些年来,混沌特性和应用的研究领域越来越宽广,其中研究最多和最具潜力的是在保密通讯中的应用【33.341。利用混沌信号的特征隐藏信息,是密码学发展新方向之·,也是混沌应用领域研究中的热点。混沌保密通信的方式多种多样,国内外研究较多的是混沌隐藏Chaos5西南大学硕士学位论文 第一章绪论Masking,混沌键控Chaos Shift Keying和混沌调制Chaos Modulation三种方案,其中混沌调制又主要有附加混沌调制Additive Chaos Modulation。它们的基本思想是把要传递的信息按照某种方式加载到一个由混沌系统产生的混沌信号上,实现对信息的隐藏。该信号经信道发送到接收端后,由一相同的混沌系统重构出混沌信号,进而解调出混合信号所携带的信息【3w71。下面我们以光反馈单向耦合半导体激光器同步系统为例分别介绍三种混沌保密通信方式,如图1.3所示。图中mt表示加入的原始信号,111’t表示恢复的信号。TL代表发射激光器,RL代表接收激光器。删.’丫 鳓.. 硼ct一● . -1 r、/kJ DT。 ,一_-、L TU 。厂Ir 7~0/ \≤/ ]~ \,l图1.3三种混沌编码解码方式示意图则一.混沌隐藏cMS编码方法是,用小幅度的信号直接加到发射系统输出的混沌载波上,并一起注入接收激光器系统中。解码方法为m。f‰品fmt-SRf 1.1m’∽‰|辱∽肼p12-le,012‘ ’1.2这种方法较为简单,但由于大部分混沌载波用来隐藏信号,只有小部分用来传输信号,因此该方法信号传输效率低。统中,但是没有注入发射激光器系统中,步品质【38’39’421。二.混沌键控CSK另一方面,信号被注入到接收激光器系系统的对称性破坏,从而降低两系统同编码方法有用信号是通过对发射激光器电流的数字键控而加载到混沌载波上,发射系统的混沌状态会随信号的改变而改变。解码方法所。O‰品p一足◇ 1.3m’O‰q辱r12一I岛,12 1.4采用这种方法时,发射激光器的偏置电流在载入信号后会破坏两激光器之间的同步,因此两激光器再次恢复到同步时往往就需要一段时间。这样信号比特率就受到响应时间的限制。所以不适合高速信号的保密通信【38,391。6西南大学硕士学位论文 第一章绪论三.附加混沌调制ACM编码方法信号加到混沌载波上,不仅将信号注入接收激光器系统,还要注入发射激光器系统。解码方法埘‘G‰1岛f1聊f12一I岛f12 1.5m’o巧唧√l岛o1聊of2/I取ff2-1 1.6用这种方法加载信号时,保持了混沌同步系统的对称性,既提高了系统的保密性又可以较好的将信号解调出来。1.6式的解调方式在同步系统参数完全匹配时解调效果很好,但是一旦两激光器参数不完全~致时它将很难解调出信号,一般理论研究中用到1.5式解码的较多【42481。当然除此之外还有其它的解调方法/这里不再介绍。1.5本文研究的内容和意义本文基于自旋反转S刚模型,理论研究了有光反馈的VCSELs双信道双向光混沌通信,研究结果表明选择合适的参数,两相互耦合激光器的X、Y偏振模式以及总的强度分别能达到很好的完全混沌同步质量;各个模式的混沌同步对于两激光器的内部参数失配具有一定的容忍性,特别值得提到的是频率失谐对于两激光器的同步具有相对较大的影响。最后利用混沌隐藏CMS和附加混沌调制ACM两种方式在两激光器中的x、Y偏振模式上分另lJ;bn入信号并对信号进行了解调。通过本文的研究,为今后基于VCSELs双信道双向光混沌通信的研究奠定了一定的理论基础,使两个相互耦合的VCSELs同时传输多种信号提供了可能,提高了激光器的利用效率。参考文献【1】Iga K, Koyama F, Kinoshita S. 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