VCSEL星型网络的混沌同步特性研究

中国电子科技集团公司第二十研究所 党 杰 李宏亮

随着通信和信息技术的快速发展，如何提高光通信系统的安全性已经成为当前学术界研究的热点问题。由于半导体激光器产生的混沌光信号具有独特的类随机性和宽带特性，而垂直腔表面激光发射器(VCSEL)是一类易于二维集成且低成本的新型激光器。因此，研究VCSEL网络的混沌同步特性，对于提高光通信的安全性具有重要理论意义和实用价值。

本文主要介绍了VCSEL的结构和主要工作特性，并对VCSEL的混沌同步特性进行研究。通过MATLAB仿真软件，针对星型网络激光器研究反馈强度、电流强度等参数对同步性能的影响。

1 垂直腔面发射激光器的结构及其主要工作特性

VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)，全名为垂直腔面发射激光器，它的主要材料是砷化镓半导体，具有广泛的应用前景，VCSEL结构如图1所示。

图1 典型的VCSEL结构示意图

VCSEL具有阈值特性。与传统光源相比，阈值电流低，只有几毫安。当偏置电流小于阈值电流时输出光光线十分微弱且为非相干光，光谱范围大，频率成分多。当偏置电流大于阈值电流时，激光器正常工作，输出光为一种频率的相干光。

VCSEL具有偏振开关特性。由于VCSEL结构的特异性，研究发现，垂直腔面激光发射器在各个方向上的差异性比较小，在整个横模空间内可以说是对称的，根据输出光互相垂直的特性，将这两种偏振模式分别定义为X模式和Y模式。这两种不同的偏振模式对外界条件的改变比较敏感，电流强度、反馈强度的改变都会引起偏振模式的改变。为了解决这个问题，研究者发现可以用偏振分束器将VCSEL的这个偏振特性的不利之处转换为有利的特性，X，Y两种不同的偏振模式恰好是两个不同的信道，可以利用这两个不同的信道来实现双信道数据传输。

2 VCSELs星形网络系统及理论

本文提出的基于VCSELs的星型网络如图2所示。

图2 VCSELs星型混沌网络系统模型图

如图2所示，2-VCSEL为中心激光器，1-VCSEL、3-VCSEL、4-VCSEL为节点激光器。

其中，1、3、4激光器不考虑自反馈，假设1-VCSEL与2-VCSEL之间的反馈时延与2-VCSEL与1-VCSEL之间的反馈时延相同，列写出四个激光器的速率方程，如(1)～(4)：

上述四个方程分别表示1、2、3、4四个激光器的速率方程，下述两个方程为四个激光器通用的公式，如(5)～(6)。

下标x，y分别表示x，y偏振模式，E是缓慢变化的场的复振幅，N是导带与介带之间的总载流子的反演，n是自旋之间的差异和下自旋载体反演辐射通道，k是场的衰减率，α是线宽度增强因子，γ是总载流子数量的衰减率，γs是自旋翻转率，γa和γP代表二色性和双折射线性各向异，τxy是x-VCSEL和y-VCSEL之间的传播延迟时间。Ηxy是从x-VCSEL到y-VCSEL的注射率，分别地，μ是标准化注入电流(μ在阈值的值为1)，ν是激光的光频，Δν是两个不同激光器的频差。简化起见，所有VCSEL参数被认为是相同的。

混沌同步是检测一个混沌通信系统安全性能的重要指标。在混沌网络中，同步系数可以确定VCSELs之间对应线偏模的同步效果，用公式(7)描述1-VCSEL与2-VCSEL之间的同步系数：

其中Δt表示移动时间，括号表示时间平均，I=E2表示输出强度，C12表示1-VCSEL与2-VCSEL之间的同步系数。同步效果越好，C的值就越大，C=1说明系统完全同步。

3 不同参数的改变对混沌同步的影响

3.1 电流强度的改变对系统同步性能的影响

由图3观察可得由于互注入系统的特性，电流强度对同步性的影响并不大，电流从1变化到1.5，互相关系数的变换范围是由0.91到1，这个范围内系统的同步性能都比较好，电流强度对同步性的影响并不大。

图3 电流强度的改变对系统同步性能的影响

3.2 反馈强度对系统同步性能的影响

图4观察可得由于互注入星型网络的特性，反馈强度对同步性的影响近似为线性，反馈强度从0e9变化到25e9，自相关系数的变换范围是由0到1，这个范围内系统的同步性能呈线性上升趋势，反馈强度对同步性的影响近似认为线性。

图4 反馈强度对系统同步性能的影响

总结：VCSELs网络混沌同步是近几十年来从混沌理论及混沌激光发展起来的新的研究方向，在通信领域中有着广泛的应用前景。我们仍需做大量的研究工作，努力提高其同步性能、拓展带宽、提高传输速率，以使其更安全。