掺铒光纤激光器在混沌保密通信应用研究

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1、掺铒光纤激光器在混沌保密通信应用研究第一章绪论1.1混沌的概念及基本特性混沌是一种极其不规则的运动形式，属于确定性的随机行为，被系统的内在特性所决定。我们所研究的混沌现象从动力学的角度来看属于一种有界的非线性系统，他的运动表现为一种有规则与无规则、确定性与随机性相统一的不稳定的非周期振荡。由于人们目前对混沌的认知还远不那么充分，混沌在不同领域的应用方式各异，所以各自领域的学者对其的理解和定义还没有严格意义上的统一。一般来讲，混沌运动能够被解释为是一种无规律波动性的常运动，即不由随机性外因所影响，而是由确定性内因得到的有规律性的随机运动。混沌在处于相空间中的运动的轨迹是无法准确确定的。早

2、在1990年初期，法国学者彭加勒在研宄微分方程过程中发现，就某一些较为特别的微分方程，当略微改变这些微分方程的初始条件时候，对方程求解，得到的运算结果将是很大的不同，个别的微分放在改变他的初值的时候，它的结.果有的超出预想。可是，在当时这种改变方程初始条件的造成结果巨大差异的这种现象却并未得到引发大家的思考和重视。这个问题一直持续到1963年，一篇来自于美国气象学家罗伦兹（E.N.Lorenz)所发表的在纽约科学院的大气科学杂志上的论文中给出了这个现象的分析。文中阐述了Lorenz利用计算机建立的模拟大气变化的微分方程时，偶然发现，当输入的初始条件的设定发生极其微小的差别，可导致模拟出

3、来的计算结果发生巨大的改变。这一发现，意味着混沌的产生。由此，混沌科学在非线性科学中逐渐被更多人研宄和关注。1.2混沌同步的定义及其方法在人们不断的认识和了解混沌之后，研宄者们开始思考如何去利用混沌和使用混沌，随着混沌控制的研究及技术的成熟，可有效的将混沌控制到想要的状态，与此同时，人们将关注点又逐渐转移到混沌同步及反控制的领域。自从1990年，在L.M.Pecora和T.L.Carrol提出的驱动-响应同步方法后，混沌同步的研究得到了国内外研究者的重视。混沌同步是指利用混沌的初值敏感的特性决定着对于两个独立的混沌系统，初值无法精确到完全一致，所以即使使得两个系统的初始值完全一致，两个

4、系统也不能完全同步，但是我们可以将其稱合成驱动-响应系统，使得两个子系统在随着时间的演化其子系统相对应的状态量的差值趋于零，这个时候，我们就称这个两个子系统达到了精确同步。随着混沌同步理论的深入研宄，一些研究者将最开始的精确同步发展成驱动和响应系统之间具有一定的函数关系的广义同步。..第二章掺银光纤激光器系统的原理结构和应用2.1掺银光纤激光器的结构原理掺银光纤激光器主要由泵浦光源、掺辑光纤、光隔离器、耦合器以及光滤波器组成，如图2.1所示，其中稱合器的作用是将信号光与栗浦光进行稱合，之后通过隔离器将耦合光注入到掺傅光纤中。隔离器的作用是将系统中的光路单向传输，抑制光的反射。光滤波器的

5、作用是将系统中噪声滤除、增益均衡。银属于稀土元素，在制造光纤的过程中，将Er3+加入到光纤的纤芯中，就得到了掺银光纤。Er3+为掺银光纤的增益介质，在泉浦光的作用下，Er3+得到激发，激发后的信号光产生受激辐射形成了光放大。图2.2为Er3+在石英光纤中的非晶态受激吸收与受激辐射特性的能级结构图，图中可以看出，Er3+的能级的展宽具有很大的宽度。通过光泵浦光作用下，Er3+能够从较低能级向较高能级跃迁，而在这样的受激吸收的过程中，所对应光泵浦波长不同，跃迁的能级不同。从高能级向下跃迁为福射过程。..2.2掺辑光纤激光器的动力学方程自1986年英国南安普顿大学（Southampton)大

6、学的学者们以氢离子激光器作菜浦源，对1550nm的光信号进行直接放大，成功研制了掺铒光纤放大器(EDFA)o自此光纤通信在通信领域得到了高度重视。在1996年，LiguoLuo等人发现了具有非线性吸收介质的稱合光纤环形振荡器的光学双稳态后，两年后，在此基础上，他们给出了单模单环掺辑光纤激光器的动力学方程。当时混沌理论还没有完全渗入到光学，研究者们认为这种现象仅仅是驰豫振荡现象。直到1975年德国学者哈根（H.Haken)的洛伦兹-哈根(Lorenz-Haken)方程的建立，才对产生混沌的条件给了初步的解释，从而预言这类激光器中能够产生混沖的现象。在1978年，卡斯伯森（L..Gibbs

7、)等人才通过实验观察到了在电光混合型光学双稳态系统中的混沌现象，这是第一个通过实验的方法看到了光学混沌的现象。自此之后，光学混沌的发展突飞猛进，新的研究现象和成果不断出现。..第三章掺铒光纤激光器混沌保密通信的研究......153.1前言......153.2混沌保密通信的方法......153.2.1混沌掩盖法......153.2.2混沌调制法......153.2.3混沌键控法......163.3单环铒光纤激光器混沌保密通信的研究..