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

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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。
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