面向复杂网络的半导体激光器混沌动力学及同步特性研究

As a novel and emerging secure optical communication technology, optical chaotic communication has received more and more attention, as it can realize secure information transmission from the physical layer of the network. So far, the chaotic systems based on semiconductor lasers are mainly concentrated on the point-to-point systems, however, the real networks in nature usually contain large number of nodes with complex connection topologies. Considering the generalization and universality of complex network, this project mainly focuses on complex network of chaotic semiconductor lasers. On the one hand, we evaluate quantitatively the roles of connection topologies and coupling parameters on the unpredictability properties of nonlinear nodes in the complex laser network, which is helpful for enhancing the security of chaotic optical communication network. On the other hand, we try to explore novel synchronization mechanism and condition of the complex network based on chaotic semiconductor lasers,propose and design effective scheme to improving the synchronization quality. These studies are extremely interesting for revealing novel synchronization mechanism for complex laser network, and are also useful for enhancing the security of practical optical communication network.

激光混沌通信作为一种新兴的保密光通信技术，因能从光通信网络的物理层实现信息的安全传输，引起了世界范围的广泛关注。目前，半导体激光混沌系统的研究主要集中在点对点系统，然而自然界中的真实网络一般具有大量节点及复杂的连接拓扑。考虑到复杂网络具有一般性和普适性，本项目结合复杂网络和激光混沌技术展开研究：一方面，定量研究网络拓扑结构和耦合参数等对网络中非线性节点的混沌不可预测度特性的影响，为增强激光混沌通信网络的安全性奠定基础；另一方面，探索半导体激光混沌复杂网络的新型同步机理与同步条件，提出并设计提高半导体激光混沌复杂网络同步能力的有效方案。对这些问题进行深入探索，有益于揭示激光器网络的新型同步机理、增强实际光通信网络的安全性。

激光混沌通信技术作为混沌保密通信领域的重要分支，因能从光通信网络的物理层实现信息的安全传输，且与现有的商用光通信网络相兼容，近年来引起了世界范围的广泛关注。目前，半导体激光混沌系统的研究主要集中在点对点系统，然而通信往往涉及到组网，如典型的星形网络与环形网络.因此，深入揭示激光器网络的混沌动力学行为及其同步特性有益于理解激光器网络的新型同步机理、增强实际光通信网络的安全性。.本项目围绕激光器网络混沌动力学及同步特性等亟待解决的关键问题，主要研究内容包括以下几点：（1）研究了互注入激光器系统及小网络的混沌不可预测度特性；（2）研究了激光器混沌系统的时延隐蔽性，并提出了相位调制双链路光反馈系统方案，用于实现混沌信号时延特征的有效隐藏，分别从数值和实验中证实了方案的可行性与有效性；（3）研究了异构时延耦合激光器星形网络的混沌时延隐蔽性，发现通过引入异构耦合时延，当激光器工作在较大注入电流及较低的耦合强度时，可实现3路无时延特征激光混沌信号的并行输出，与等时延网络相比，异构时延耦合网络可大大拓宽环形网络中三个激光器产生无时延特征混沌激光的工作区域；（4）深入研究了非线性增益对激光器混沌系统时延隐蔽性的影响，可以发现选择具有较低非线性增益系数的激光器利于时延信息的隐藏，可同时实现强度和相位混沌信号的时延隐藏。此外，当非线性增益越小时，能在更大的外部参数调谐范围内实现无时延特征混沌激光输出；（5）建立了小规模异构时延耦合星形网络和大规模异构时延耦合激光器星形网络的速率方程模型，理论研究了大规模网络的同步性能，结果表明，由于异构时延的引入，星形网络中无法实现零延时混沌同步，而是出现一种新型的同步机制，任意两个边节点激光器的相关系数的最大值出现在中心节点到边节点的时延差处，而同步性能与零延时同步类似。.通过本项目的实施，将激光混沌研究从点对点系统扩展到激光器网络，建立了激光器网络的通用理论模型及仿真模块，提出了改善激光器网络的时延隐蔽性及不可预测性等特征的有效方案，并揭示了激光器网络的新型同步机制，有利于推动激光器网络在混沌通信网络及高速随机数产生、高速密钥分发等领域的应用，具有重要的理论意义与应用前景。