VCSEL星型網(wǎng)絡(luò)的混沌同步特性研究

中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 黨 杰 李宏亮

隨著通信和信息技術(shù)的快速發(fā)展，如何提高光通信系統(tǒng)的安全性已經(jīng)成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)問題。由于半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的混沌光信號具有獨(dú)特的類隨機(jī)性和寬帶特性，而垂直腔表面激光發(fā)射器(VCSEL)是一類易于二維集成且低成本的新型激光器。因此，研究VCSEL網(wǎng)絡(luò)的混沌同步特性，對于提高光通信的安全性具有重要理論意義和實(shí)用價值。

本文主要介紹了VCSEL的結(jié)構(gòu)和主要工作特性，并對VCSEL的混沌同步特性進(jìn)行研究。通過MATLAB仿真軟件，針對星型網(wǎng)絡(luò)激光器研究反饋強(qiáng)度、電流強(qiáng)度等參數(shù)對同步性能的影響。

1 垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)及其主要工作特性

VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)，全名為垂直腔面發(fā)射激光器，它的主要材料是砷化鎵半導(dǎo)體，具有廣泛的應(yīng)用前景，VCSEL結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型的VCSEL結(jié)構(gòu)示意圖

VCSEL具有閾值特性。與傳統(tǒng)光源相比，閾值電流低，只有幾毫安。當(dāng)偏置電流小于閾值電流時輸出光光線十分微弱且為非相干光，光譜范圍大，頻率成分多。當(dāng)偏置電流大于閾值電流時，激光器正常工作，輸出光為一種頻率的相干光。

VCSEL具有偏振開關(guān)特性。由于VCSEL結(jié)構(gòu)的特異性，研究發(fā)現(xiàn)，垂直腔面激光發(fā)射器在各個方向上的差異性比較小，在整個橫模空間內(nèi)可以說是對稱的，根據(jù)輸出光互相垂直的特性，將這兩種偏振模式分別定義為X模式和Y模式。這兩種不同的偏振模式對外界條件的改變比較敏感，電流強(qiáng)度、反饋強(qiáng)度的改變都會引起偏振模式的改變。為了解決這個問題，研究者發(fā)現(xiàn)可以用偏振分束器將VCSEL的這個偏振特性的不利之處轉(zhuǎn)換為有利的特性，X，Y兩種不同的偏振模式恰好是兩個不同的信道，可以利用這兩個不同的信道來實(shí)現(xiàn)雙信道數(shù)據(jù)傳輸。

2 VCSELs星形網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及理論

本文提出的基于VCSELs的星型網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 VCSELs星型混沌網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型圖

如圖2所示，2-VCSEL為中心激光器，1-VCSEL、3-VCSEL、4-VCSEL為節(jié)點(diǎn)激光器。

其中，1、3、4激光器不考慮自反饋，假設(shè)1-VCSEL與2-VCSEL之間的反饋時延與2-VCSEL與1-VCSEL之間的反饋時延相同，列寫出四個激光器的速率方程，如(1)～(4)：

上述四個方程分別表示1、2、3、4四個激光器的速率方程，下述兩個方程為四個激光器通用的公式，如(5)～(6)。

下標(biāo)x，y分別表示x，y偏振模式，E是緩慢變化的場的復(fù)振幅，N是導(dǎo)帶與介帶之間的總載流子的反演，n是自旋之間的差異和下自旋載體反演輻射通道，k是場的衰減率，α是線寬度增強(qiáng)因子，γ是總載流子數(shù)量的衰減率，γs是自旋翻轉(zhuǎn)率，γa和γP代表二色性和雙折射線性各向異，τxy是x-VCSEL和y-VCSEL之間的傳播延遲時間。Ηxy是從x-VCSEL到y(tǒng)-VCSEL的注射率，分別地，μ是標(biāo)準(zhǔn)化注入電流(μ在閾值的值為1)，ν是激光的光頻，Δν是兩個不同激光器的頻差。簡化起見，所有VCSEL參數(shù)被認(rèn)為是相同的。

混沌同步是檢測一個混沌通信系統(tǒng)安全性能的重要指標(biāo)。在混沌網(wǎng)絡(luò)中，同步系數(shù)可以確定VCSELs之間對應(yīng)線偏模的同步效果，用公式(7)描述1-VCSEL與2-VCSEL之間的同步系數(shù)：

其中Δt表示移動時間，括號表示時間平均，I=E2表示輸出強(qiáng)度，C12表示1-VCSEL與2-VCSEL之間的同步系數(shù)。同步效果越好，C的值就越大，C=1說明系統(tǒng)完全同步。

3 不同參數(shù)的改變對混沌同步的影響

3.1 電流強(qiáng)度的改變對系統(tǒng)同步性能的影響

由圖3觀察可得由于互注入系統(tǒng)的特性，電流強(qiáng)度對同步性的影響并不大，電流從1變化到1.5，互相關(guān)系數(shù)的變換范圍是由0.91到1，這個范圍內(nèi)系統(tǒng)的同步性能都比較好，電流強(qiáng)度對同步性的影響并不大。

圖3 電流強(qiáng)度的改變對系統(tǒng)同步性能的影響

3.2 反饋強(qiáng)度對系統(tǒng)同步性能的影響

圖4觀察可得由于互注入星型網(wǎng)絡(luò)的特性，反饋強(qiáng)度對同步性的影響近似為線性，反饋強(qiáng)度從0e9變化到25e9，自相關(guān)系數(shù)的變換范圍是由0到1，這個范圍內(nèi)系統(tǒng)的同步性能呈線性上升趨勢，反饋強(qiáng)度對同步性的影響近似認(rèn)為線性。

圖4 反饋強(qiáng)度對系統(tǒng)同步性能的影響

總結(jié)：VCSELs網(wǎng)絡(luò)混沌同步是近幾十年來從混沌理論及混沌激光發(fā)展起來的新的研究方向，在通信領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。我們?nèi)孕枳龃罅康难芯抗ぷ鳎μ岣咂渫叫阅?、拓展帶寬、提高傳輸速率，以使其更安全?/p>