关于VCSEL的应用论文Word文档格式.docx

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就目前而言，研究有源区的InGaAs量子阱QW是最广泛的。

它是由GaAs来作为势垒的结构的。

而vcsel有源区的材料，则一般用III—V族半导体充当。

波长变化在0.9~1微米范围具有较为实际的优势，因为它可以透过GaAs的衬底而出射，而获得这一激射波长，主要是通过改变In的原子数比。

从而改变QW的应力。

InGaAsQW的增益区在推动vcsel的研制与发展中作出了很大的贡献，这得益于其脚较低的吸收损耗与较高的增益。

并由此导致了极低的阈值电流及较高效率的vcsel器件的产生。

除了由GaAsQW结构组成的增益区之外，还有一种激射波长范围在780~870nm左右的由As-AlGaAsQW结构组成的增益区。

另外还有一种激射波长在1.3~1.6nm左右由IIIGaAsPInP结构组成的，一般作为长波场的vcsel的增益区，一般增益区由以上几种结构组成。

因为其比较宽的波长范围，量子限制及应力等不同，故我们为了获得更理想的器件激射特性，在优化有源区结构时存在很大的选择性及潜力。

二，垂直腔表面发射激光器的混沌同步特性概述及其理论模型

2.1，混沌的简单介绍及其与通讯的关系

在我们生活的现实世界中，混沌是广泛存在的。

所谓混沌，就是指在一个确定的系统中，所产生的一种类似随机的无规则的现象，对初始条件高度敏感是混沌现象最为本质的特征。

混沌系统的内部是非常随机的，这让混沌信号的非周期连续宽带频谱有一种跟噪声很相似的性质，因此混沌信号具有天然的隐蔽性，混沌信号的另一个特性是不可长期预测，复杂度非常高，这完全是因为它对初始条件的高度依赖。

简单的举个例子，即使是两个完全相同的混沌系统，同时让他们的初始条件非常接近，不过要有微小差别。

然后让它们开始演化，即使这样，经过一段时间后，它们演化的轨道将变得不可预测和极不一样。

另外，混沌系统本身却是由参数，非线性系统的方程及初始条件所完全确定的，因此，混沌系统本身是易于确定的。

混沌信号的这些特性比如不可预测，隐蔽，易于实现及复制都让其在通信系统中很有用。

不过有一个问题长期困扰着科学家，要让混沌信号在通信系统中得到较为实际和广泛的应用，必须首先解决这个问题，即所谓的混沌同步，就是必须在发送端和接收端都能够产生相同的混沌载波。

这是一个较为困难的题目，一直以来，多数科学家都是以为不可实现的。

因为混沌运动对初始条件的极度敏感跟轨道高度复杂，不可预测。

但是在1990年，事情出现了转机，Carrol和Pecora等人在美国海军实验室里对同步混沌的研究取得了突破性的进展，在电子电路中，他们首先实现了这一跨时代的设想。

于是，这一方面的研究立即如旋风般的在全球蔓延开来，在各国掀起了一股股研究混沌同步的高潮。

近年来，利用混沌同步在通信的应用成为了这一领域中的佼佼者，竞争非常激烈，许多科学家在对混沌通信与混沌同步进行了大量的研究后，已经给出了许多与此相关的混沌同步理论系统。

在研究过程中，人们也发现了电路混沌在远程通有线信的应用中会收到严重的限制，这是因为电路系统易收到宽带的限制，同时衰减较高。

这让激光混沌系统在这方面得到了更广泛的重视，因为其带宽较大而衰减较低，对参数高度敏感，动力学行为更加复杂，因而在高速远程通信中利用价值更大，实际应用前景更广。

另外边发射激光器结构简单，性能成熟等优点，所以在以往的半导体激光中使用频率最广，但是它的一些缺点影响了它在实际应用中的性能，比如，输出光束的发射角较大，与光纤不易耦合，波长不稳定，易受温度影响及调制频率低等。

Vcsel作为一种新型的微腔激光发射器则比之性能优越得多，它可以提高混沌同步及通信性能，远场发射角较低，与光纤耦合可以达到很高的水平输出的光垂直于衬底等，使得它有望取代传统的边边发射器（eel），另外由于腔长较短，所以阈值电流较低，对温度不敏感，可以在很宽的温度电流内以单纵模工作，这有益于系统的可靠性及稳定性。

Vcsel可以承受高速调制，其驰豫振荡频率较高，其传输速率目前已达到10b/s，另外，在工艺制造上，Vcsel的成本也比较低，因为它不需要外延片来生成谐振腔，所以也就省去了昂贵的腔面镀膜，因此其普及前景是很光明的。

Vcsel的非线性效应为其在混沌同步中的应用提供了初步的理论基础，基于以上优点，Vcsel得到了人们的普遍的研究，最新已有报道，能够在实验室成功的实现两个Vcsel之间的混沌通信及隐藏跟恢复，不过在同步类型，误差，条件调制等方面的进展还不容乐观，需要加强。

2.3混沌的基本特征

混沌运动是一种不稳定的，有限的定常运动，即为局部不稳定和全局压缩的运动，或者是除了周期，准周期以及平衡以外的有限定常运动。

这里的所谓有限定常运动，是指运动状态不随着时间的改变而改变。

此定义蕴含了混沌运动的两个基本特征[81]：

有限性和不稳定性（该性质可用平均Lyapunov指数来精确刻画）。

混沌运动是一种较为复杂的运动，它不局限于我们熟知的三种运动中的其中一种，而是在一个较大范围内的非周期的复杂运动，跟别的运动相比，它有自己独有的特性，主要有

（1）有界性。

混沌是有界的，它的运动轨迹始终局限于一个确定的区域里面，这个区域叫做混沌吸引域。

无论混沌运动多么的不稳定，它的轨迹都不会走出混沌吸引域。

所以整体上说混沌运动是稳定的。

（2）遍历性。

混沌运动在其混沌吸引域内是各态历经的，即在有限时间内混沌轨道经过混沌区内每一个状态点。

（3）内随机性。

一定条件下，如果系统的某个状态可能出现，也可能不出现，就可以认为该系统具有随机性。

一般说来当系统受到外界干扰时才产生这种随机性，一个确定的系统（能用确定的微分方程来表示）在不受外界干扰的情况下，其运动状态也应该是确定的，即是可以预测的。

（4）分维。

它是指混沌的运动轨迹在相空间中的行为特征。

混沌系统在相空间的运动轨线，在某个有限区域内经过无限次折叠，而分维正好可以表示这种无限次的折叠。

分维表示混沌运动状态具有多叶﹑多层结构，叶层越分越细表现为无限层次的自相似结构。

（5）标度性。

它指混沌运动是无序中的有序。

其有序可以理解为：

只有数值或者实验的精度足够高，总可以在小尺度的混沌区域看到其中的运动花样。

（6）所谓普适性。

它不同系统在趋于混沌态时所表现出来的某些共同特征，它不依具体的系统方程或者参数而变，具体体现为几个混沌普适常数。

普适性是混沌内在规律的体现。

（7）统计特性，正的Lyapunov指数以及连续功率谱等。

研究混沌需要一些基本发方法，这些方法主要有：

1、直接观测法。

该方法是利用动力学系统的数值运算结果，画出相空间中的相轨迹随时间的变化图，以及状态变量随时间的历程图。

通过对比分析和综合以确定解的分岔和混沌现象。

这个方法可以确定分岔点和普适常数。

2、分频采样法.为避免复杂运动在相空间中轨迹的混乱不清，可以只限于观察隔一定时间间隔（称为采用周期）在相空间的代表点（称为采样点），这样原来在相空间的连续轨迹被一系列离散点所代表。

分频采样法目前是辨认长周期混沌的最有效的方法。

分频采样法适用于一切由周期外力驱动的非线性系统，具有远高于其他方法的分辨能力。

然而分辨能力的进一步提高受到计算机字长的限制。

3.庞加莱截面法。

对于含多个状态变量的自治微分方程系统，可采用庞加莱截面法进行分析。

其基本思想是在多维相空间中适当选取一截面，在此截面上对某一对共扼变量取固定值，称此截面为庞加莱截面。

原来相空间的连续轨迹在相空间的连续轨迹在庞加莱截面上表现为一些离散点之间的映射.由他们可得到关于运动特性的信息。

此外还有相空间重构法:

Lyapunov指数法:

频率谱密度分析法等方法.在实际应用中，为了获得更精确的方法，不是只采用一种方法，而采用定性分析和定量方法相结合来研究混沌。

三，混沌同步及实现方法

3.1.混沌同步的定义

混沌信号具有遍历性、非周期、连续宽带频谱、类似噪声等特性，它的这些特征让它特别适合用于保密通信和图像加密领域。

近年来，国内外对混沌同步应用于保密通信的大量研究表明：

在数字信息传输、混沌掩盖保密通信、混沌调制扩频通信、混沌频率调制通信、以及参数调制多路通信方面都涌现出混沌同步现象。

要实现混沌信号在通讯领域中的应用，必须使相应的混沌信号同步，混沌系统的同步是指一个系统的混沌轨道将收敛于另一个混沌系统的轨道的同一值，他们之间始终保持步调一致，并且这种同步是结构稳定的。

3.2实现混沌信号同步的方法

迄今人们已经提出很多种类型的混沌同步方案。

驱动-响应同步[83-84]，它是由Pecora和Carroll[14]在1990年首先提出来的混沌同步方案，其中存在驱动与响应关系[15]；

相互耦合的同步方案，即通过适当的方式由两个或更多系统互相耦合来达到混沌同步，是研究流体湍流的时候提出来的；

连续变量的反馈控制方案[85]，是利用与时间相关的小扰动进行连续反馈控制实现同步的方法；

自适应同步[86];

外部噪声作用导致的混沌同步[87]等。

几种混沌同步的方法的具体实现及区别此处不做具体介绍。

光反馈VCSELs速率方程

光反馈就是将激光器本身的输出光通过外部反射镜反馈回激光器腔的过程，其系统图如图2.2所示。

大量的研究发现，光反馈影响下地激光器，动力学特性是十分复杂的，可以输出单周期态、多周期态、准多周期态以及混沌态等的光[10,11]；

而且光反馈半导体激光器被认为是最好的混沌光源的产生器，在上一节中给出了孤立VCSELs的速率方程组，从数学的角度出发，对光反馈系统的描述还是要基于Maxwell-Bloch的速率方程组，为了表现光反馈的影响，就需要在上述的速率方程中引入反馈项，考虑到实际的情况，噪声也是一个不可或缺的因素。

图2.2光反馈下半导体激光器的系统模型

综合考虑以上因素过后，光反馈下VCSELs的速率方程如下（在这里需要说明是由于本文的研究主要基于VCSELs的SFM模型，所以在这里我们只给出基于SFM模型的VCSELs的速率方程）：

（2-19）

（2-20）

（2-21）

（2-22）

上面方程组中，前面两个方程都引入了反馈项以及噪声项，分别对应两式中的第三项以及第四项，表示反馈的时间延迟，f表示反馈强度，

表示光场频率，Fx以及Fy表示噪声项。

在这里引的噪声为郎之万噪声，其表达式如下[12]：

（2-23）

（2-24）

式中，sp表示自发辐射效率，1和2表示零平均强度的高斯白噪声源。

外光注入VCSELs速率方程

外光注入就是用一个激光器（发射激光器）发出的光注入到另一个激光器（接收激光器），其系统图如下图2.3所示。

从而使接收激光器输出丰富的动力学态[13]，注入光可以是稳态光，也可以是混沌光等等。

通过光注入可以用来锁定频率，使接收激光器的状态稳定，同时，光注入系统的两个激光器之间可以实现很好的同步，从而用于混沌光通信。

除此之外，大量的研究发现，光注入还可以提高接受激光器的调制带宽[14,15]，从而使激光器用于通信时可以传输高速率的随机信号，进而提高混沌通信传输信号的速率。

而且这样产生大带宽的信号结构简单，易于实现。

图2.2光注入下半导体激光器的系统模型

跟光反馈一样，外光注入同样可以用速率方程来描述，在实际运用过程中也同样要考虑噪声等因素的影响，在引入了光反馈项和光注入注入项以后，其对应的速率方程组可以表示成：

（2-25）

（2-26）

（2-27）

（2-28）

方程组中，前面两个方程都引入了光注入项以及噪声项，分别对应于两式中的第三项以及第四项，即

，Fx以及Fy表示噪声项；

表示注入的时间延迟，表示注入光强度，

表示光场频率，

表示发射激光器与接收激光器频率失谐。

在这里引的噪声跟光反馈引入的噪声一样同样为郎之万噪声，其表达式如下【】：

（2-29）

（2-30）

两式中，sp表示自发辐射效率，1和2表示零平均强度的高斯白噪声源。

VCSEL的几种混沌同步介绍

开环VCSELs混沌同步

半导体激光器的混沌同步方案常见一种是单向混沌同步模型，也就是常说的驱动响应模型，其系统模型图如图2.3所示，从图可以看出，该类同步系统主要由一个带光反馈的VCSEL做为驱动激光器（D-VCSEL），在适当的光反馈作用下，驱动激光器可以输出混沌光；

同时驱动激光器输出的混沌光通过光隔离器注入到接收激光器，通过选择适当的参数，驱动激光器和接收激光器可以实现混沌同步。

图2.3开环VCSELs混沌同步系统图

通过上面的系统模型，基于自旋反转模型（SFM），可以给出对应的速率方程组其中驱动激光器的速率方程足可以表示为:

（2-31）

（2-32）

（2-33）

接收激光器（R-VCSEL）对应的速率方程为：

（2-34）

（2-35）

（2-36）

2.4.2闭环VCSELs混沌同步

闭环VCSELs混沌同步系统模型如图2.4所示，和开环系统所不同的是，接收激光器（R-VCSEL）不再单纯的收到驱动激光器的光注入，同时还受到自身的一个光反馈。

图2.4闭环VCSELs混沌同步系统图

同样根据系统模型图，给出了对应的速率方程组，其驱动系统速率方程为：

（2-37）

（2-38）

（2-39）

接收系统速率方程组为：

（2-40）

（2-41）

（2-42）

2.4.3双向VCSELs混沌同步

除了单向驱动响应混沌模型以外，双向互耦合也是一种重要的混沌同步方案，由于这种系统可以实现实时的数据通信而收到了人们的高度重视，图2.5给出了一种能够实现较好同步效果的双向互耦合系统，在这种系统中，两个互耦合的VCSEL都受到一个光反馈。

图2.5双向VCSELs互耦合混沌同步系统图

跟据这种系统模型图，同样给出了对应的速率方程，VCSEL1的速率方程为：

（2-43）

（2-44）

（2-45）

VCSEL2的速率方程为：

（2-46）

（2-47）

（2-48）

以上介绍了VCSEL混沌同步的三种基本模型

第三章宽带VCSELs混沌同步网络性能研究

3.1引言

自从Pecora和Carroll等人首先提出混沌同步的概念以来[1],不同的混沌同步机制以及它们相应的应用被大量的报道。

在过去的几十年里，基于半导体激光器的混沌同步，受到了人们的广泛关注[2-12]。

由于混沌同步的研究日渐成熟，基于混沌同步的混沌保密通信已经大量的在理论上和实验上得到了广泛的研究[13-21].在此期间的大量研究都集中在了单向耦合的主从式的结构[13-19]。

由于混沌滤波效应的缘故，在这样的结构中，信号被隐藏在主激光器输出的混沌载波之中，同时可以在接收激光器的地方被解调出来[2]。

而这种通信方式已经在希腊雅典奥运会上被成功的实施，其通信速率达到了几个Gb/s[13].然而，随着信息社会的不断发展，这种单向的通信机制，以及几Gb/s的通信速率已经不能瞒住人们的需求，而多向通信以及大容量的保密通信才是时代发展的必然方向。

做为能够实现多向混沌保密通信的混沌网络在过去的几年间已经成为研究的热题，在此期间研究们提出了许多基于传统边发射激光器（EELs）的混沌同步通信网络，并对其进行了实验和理论上的研究[21，22]。

总体说来，在这些已提出混沌网络中，混沌载波都是由边发射激光器收到一个外部微扰产生的，同时这样产生的混沌载波的带宽往往只有几GHz，这主要是由于边发射激光器的驰豫振荡频率较低的缘故。

因此，现已报道的混沌网络通信的速率都在10GHz一下。

总所周知，混沌通信的传输速率是有系统的传输信道以及每个信道的带宽所决定的。

因此，增加混沌载波的带宽以及增加系统的传输信道的数目就可以增加系统传输信号的速率。

首先，对于由EELs经过外部微扰产生的混沌载波，已有研究发现，可以通过额外的稳定光注入或则额外的增加一个光反馈来增加其带宽[23-26]；

其次，通过采用混沌光注入的方式，边发射激光器（EELs）可以产生更大带宽的混沌载波[27，28]。

研究还发现，采用第二种方法产生的混沌载波，从功率谱上看更加的平坦，而且具有较少的时延特征峰，更加有利于其在高速保密通信以及高速随机数产生方面的应用。

在增加通信信道数目方面，已有报道指出可以采用多对边发射激光器来进行多信道通信[29,30]，或者是采用多模边发射激光器（multi-modeEELs），利用它的每一个外腔模式作为一个传输信道来进行多信道通信[31]。

对于混沌网络通信来说，以上提到的方法都可以用来增加其传输信号速率的能力，但是现阶段提出的混沌网络，姐都都十分复杂，一些更为简单的网络结构急需被提出。

与传统的边发射激光器（EELs）相比，垂直腔表面发射激光器（VCSEL）有一些独特的有点：

例如单纵模运行，低阈值电流，窄线宽的圆形光输出，低成本以及易于集成形成整列等等[9-11,32]，因此受到了人们的广泛的关注。

然而，由于其谐振腔具有较弱的各向异性，因此，其输出光包含两个正交的偏振模（x模，y模），而且这两个模式如果用偏振分束器分开过后可以用来作为两个单独的传输信道[18]。

一些理论研究和实验研究表明，一个被外部光注入锁定的垂直腔表面发射激光器，其响应频率可以被显著的提高[33,34]，这也预示着如果采用混沌注入的方式，VCSEL的带宽也同样可以被显著的提高。

这样一来VCSEL也许更适合用来构成混沌同步光网络。

在本文中，我们利用VCSEL建立了一个宽带的混沌同步光网络，这个网络中有许多做为接收激光器的垂直腔表面发射激光器（R-VCSEL），同时还有一个被混沌光注入的垂直腔表面发射激光器，它作为驱动激光器（D-VCSEL）可以输出带宽增强的混沌光，输出的混沌光注入到各个接收激光器中，可使各个接收激光器之间达到很好的混沌同步，同时各个激光器之间又可以获得较高的混沌带宽，根据已有的数值模拟结果表面，该系统可以实现60GHz传输能力的混沌光通信。

3.2系统模型及理论

图1给出了宽带VCSELs混沌同步网络的系统模型图，注入激光器是一个带有光反馈的垂直腔表面发射激光器（I-VCSEL），通过适当的光反馈，可以使其输出混沌光，注入激光器输出的混沌光通过一个中性密度滤波器（NDF）以及一个光隔离器（ISO）被强注入到驱动激光器（D-VCSEL）中。

通过适当的选择光注入条件可以使驱动激光器（D-VCSEL）的带宽得到很大的提高；

最后驱动激光器输出的带宽增强的混沌光，被注入到接收激光器中，已达到使各个响应激光器可以达到很好的同步的同时可以获得较高的混沌带宽的目的。

从图中还可以看出，该混沌网络中德各个响应激光器之间是没有直接的光路连接的，要使各个接收激光器实现混沌通信，可以通过引入额外的光路来实现，跟文献【35】报道的一样，在这样的通信机制中，解出信号的时候不需要利用混沌滤波（CPF）效应，因此通信速率不会受到混沌滤波效应的影响。

图3.1宽带VCSELs混沌同步网络系统模型图，其中I-VCSEL为注入激光器，NDF为中性密度滤波器，ISO为光隔离器，D-VCSEL为驱动激光器，R-VCSEL为响应激光器，M为发射镜。

总体来说，可以引入两个不同机制模型来描述VCSEL的性能。

一个所用的速率方程和边发射激光器的速率方程差不多，两个模式对应的光子数密度都差不多，只是其他一些参数取不同的值，也就是我们再上一章中提到的扩展型的VCSEL的速率方程即VCSELs的LK方程[19,12,34]，另外一个就是自旋反转模型（SFM）[36]，该模型已经被大量的用来描述VCSELs的偏振特性[10,11,18,37]。

在本文中，我们采用第二个模型来研究我们提出的混沌同步网络。

基于自旋反转模型，I-VCSEL,D-VCSEL,R-VCSEL对应的速率方程表述如下：

（3-1）

（3-2）

（3-3）

（3-4）

.（3-5）

式中，小标I,D,R分别表示I-VCSEL,D-VCSEL,R-VCSEL；

上标x以及y分别表示x线偏模和y偏振模。

E代表光场的慢变场振幅，N代表倒带和价带总的反转载流子数目，n表示自旋上和自旋向下载流子的数目之差，k代表场衰减率，α表示线宽增强因子，γ总的载流子书的衰减率，s代表自旋反转速率，a和p分别代表二向色性以及双折射效应。

1代表光反馈时延，2注入激光器注入驱动激光器的延迟时间，3表示驱动激光器注入响应激光器的延迟时间。

F代表光反馈强度，1表示注入激光器注入驱动激光器的注入强度，2表示驱动激光器注入响应激光器的注入强度，代表归一化偏置电流（阈值电流取1），代表光频率，∆ID=I-D∆DR=D-R和∆DR=D-R表示光频率失谐。

本文中引入的噪声为郎之万噪声[27]，其表达式为：

（3-6）

.（3-7）

其中，βsp是自发辐射速率，ξ1，ξ2为高斯白噪声，其平均值为0，方差为1．

3.3结果与讨论

速率方程

（1）-（5）可以采用四阶龙哥库塔方法来解，在数值模拟的过程中，I-VCSEL,D-VCSEL以及R-VCSELs的偏置电流以及其他所有的内部参数都设置为一样，其具体的值[18]如下：

=2.7,=3,k=300ns-1,a=