基于光反馈的激光混沌同步性研究

摘要:针对实验报道的同步开关现象,建立了基于半导体激光器的光混沌同步理论模型,利用该模型,数值模拟了两种不同频率失谐条件下的混沌时间序列图、对应的功率图;结果表明:可以根据时间延迟来判断系统所处的同步状态。

关键词:混沌同步;广义同步;完全同步

1引言

由于光混沌的动力学行为十分复杂且对参数比较敏感,因此光混沌在保通信应用中受到人们的广泛关注[1-3]。激光混沌保密通信是将信息调制到混沌波中,信息将被混沌波掩藏,直接用滤波器不能解码,只有通过混沌同步才能实现解码[4-7]。

为了使信息在接收端复原,必须使发射与接收端达到同步,同步性的好坏决定着信息复原的质量。本章主要介绍了建立混沌同步模型,通过数值模拟比较完全同步和广义同步两种同步状态。

2建立混沌同步模型

基于半导体激光器(LD)的光反馈混沌同步系统的模型如图1所示:

其中LDT:发射激光器;LDR:接收激光器;IS:光隔离器;M:外腔镜;AT:可变衰减器

发射激光器LDT的部分输出经外腔镜M反馈后重新回到激光器中。在适当参数条件下,LDT会进入混沌态,得到光混沌输出。LDT的输出经光隔离器IS后,注入接收激光器LDR中,调节LDT和LDR的工作参量,可使系统实现混沌同步。其中AT可变衰减器用于改变注入光强度,IS光隔离器保证光的单向传输。

3数值模拟

对于发射和接收DFB-LD,该系统可用以下速率方程来描述[8]:

对发射激光器有:

对接收激光器有:

其中,T、R分别代表发射、接收激光器,E和φ是激光器的慢变场振幅和慢变相位,N是载流子数,θ是相位差,J表征注入载流子速率,GN为增益常数,GN=g(N-N0)/(1+E2/Es2)(g为微分增益系数,N0为透明载流子数,Es为饱和光场),α为线宽增强因子,γp为光子损耗系数,γs为载流子的损耗系数,τ为反馈延迟时间,τc为传输时间,kt为外腔反馈强度,kc为注入强度, 为发射激光器的角频率(λT为发射激光器的波长,c为光速),△ω=2π×△f ,△ω为发射激光器减去接收激光器的角频率差,△f 为相应的频率差。一般来说,通过改变LDT和LDR的温度或者电流可以改变△f值。

4结果与分析

基于LD的光反馈混沌同步系统的模型,数值模拟相关函数随失谐频率的变化图像,包括了时间序列图和功率图。

图2(a)给出了△ f=0GHz时,LDT和LDR输出时间序列图。从图4.2(a)中可以看出LDT和LDR的时间序列完全一致,从图2(b)也可以看出接收激光器的输出和发射激光器的输出是完全一致的,也表明系统达到了完全同步状态。

图2(c)给出了△f=-1GHz时,LDT和LDR输出时间序列图。从图2(c)LDR相对LDT有一个时间延迟,且△t=2.8ns,这个延迟时间表明系统达到了广义同步状态。由图2(d)可以看出,发射与接收激光器的输出不是完全一致。这种同步状态称之为广义同步状态。

比较(a)和图(c),若τc=τ=2.8ns,如果延迟时间△τ=τc-

τ=0,可以判断系统处于完全同步状态,如果△τ=τc=2.8ns,可以判断系统处于广义同步状态。

5结论

本文构建了基于LD的光反馈混沌同步的理论模型,对系统的同步性进行了深入的研究。研究表明:系统的同步性可以通过延迟时间来判断,若延迟时间△t=τc-τ,则系统处于完全同步状态;若延迟时间△t=τc,则系统处于广义同步状态。本文的研究有助于加深对混沌同步理论的研究,并为开发相关了数字隐藏技术提供相关理论基础。

参考文献:

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