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中国科学院研究生院权威支持(北京)　电 话：010-　传 真：010-theoretical model and calculation
理论模型与计算
理论模型与计算
基于4个网页-
A theoretical model and fundamental calculation method were developed.
给出了一种理论模型和基本计算方法。
In this paper, a theoretical model and calculation of series resistance of oxide confined VCSELs are presented.
本文采用理论模型，详细计算了氧化限制型VCSEL的串联电阻。
Theoretical model and calculation on the heat transfer process of a ice storage unit with coil pipe are presented.
本文对盘管式蓄冷装置的蓄冷过程建立了集总参数的数学物理模型，并进行了理论计算。
$firstVoiceSent
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感谢您的反馈，我们会尽快进行适当修改！「学术」光互连模块关键位置焊后对准偏移分析：光互连模块三维有限元分析模型
「学术」光互连模块关键位置焊后对准偏移分析：光互连模块三维有限元分析模型
今日荐文今日荐文的作者为桂林电子科技大学机电工程学院专家邵良滨，黄春跃，黄伟，成都航空职业技术学院电子工程系专家梁颖，桂林航天工业学院汽车与动力工程系专家李天明。本篇节选自论文《光互连模块关键位置焊后对准偏移分析》，发表于《中国电子科学研究院学报》第11卷第6期。摘要：建立了光互连模块三维有限元分析模型，对其进行了再流焊温度载荷下的有限元分析，获取了光互连模块关键位置处垂直腔面发射激光器(VCSEL,VerticalCavitySurfaceEmittingLaser)发光中心点与耦合元件耦合中心点间的焊后对准偏移值；对光互连模块关键位置焊后对准偏移影响因子进行单因子分析，结果表明：所选取的焊球材料中，焊料63Sn37Pb对应的光互连模块关键位置焊后对准偏移值最小；所选取的焊球体积范围内，随着焊球体积增加，光互连模块关键位置焊后对准偏移逐渐增大。关键字：光互连模块；关键位置；再流焊接；对准偏移；有限元分析引言伴随着数字化进程，数据处理、存储以及传输的迅速发展，传统电互连技术在功率损耗、信号传输速度、信号干扰失真、信号衰减和时延、系统散热等方面存在的问题严重地限制了集成电路技术的进一步发展，对于新型互连方式的探索极为必要。光互连技术因其高空间时间带宽积、抗电磁干扰性强、互连密度高、传输速率快、功率损耗低、优良的系统散热性等优点，有望解决电互连技术所遇到的问题。一种典型的光互连模块连接结构示意图如图1所示，该结构包括：VCSEL、VCSEL驱动器、两层BGA焊球、三层PCB、埋入式光纤、光电二极管检测器阵列（Photodiodearray，PD）和PD驱动器。其中，三层PCB通过两层BGA焊球相连接，上层PCB用于安装VCSEL和PD等光学器件，中层PCB用于固定耦合元件，下层PCB用于埋入光纤。光互连模块连接结构中，VCSEL驱动器驱动VCSEL发射激光，激光通过耦合元件耦合进入埋入式光纤，模块接收端的耦合元件将光纤中激光传输至PD，完成光信号互连传输。图1典型光互连模块结构示意图光信号在光互连模块不同分立器件间的耦合效率问题是光互连技术的关键所在，图1左侧放大区域，即发光器（VCSEL）将光耦合进入光耦合元件处为光互连模块关键位置，该位置VCSEL与耦合元件间存在垂直、水平和轴向对准偏移，影响耦合元件对光的耦合作用，降低光互连模块光耦合效率。针对光互连模块的对准偏移与耦合效率问题，Doany等人对基于VCSEL的48通道光互连模块中的耦合效率进行了研究，指出模块中的多模光纤矩阵在X和Y方向上的安装偏移是影响耦合效率的关键因素；Brusberg等人对光纤与光波导之间的安装位置偏移与耦合效率的关系进行了测量，结果发现在X轴、Y轴方向上±10μm的位置偏移分别会造成1.5dB和0.5dB的耦合损耗；Jeong等人对一种新型光互连模块的位置偏移与耦合损耗之间的关系进行了研究，结果发现模块的耦合损耗显著与否取决于VCSEL与多模光纤间的距离；吴松等人对热循环加载条件下焊点形态参数对板级光互连模块对准偏移影响进行分析，结果表明VCSEL焊点高度对对准偏移影响显著。上述学者仅对机械安装后和热循环工作环境中的光互连模块光传输对准偏移与耦合效率进行研究，并未对焊接封装后的光互连模块对准偏移问题进行分析。由于光互连器件使用前需要进行焊接封装，而焊接过程中基板和PCB的热膨胀系数失配将导致光互连模块关键位置处产生初始对准偏移，初始对准偏移会一直存在于器件的后期使用过程中，持续影响光互连模块的正常工作。因此，如何减小焊后初始对准偏移对于提高光互连模块的长期工作稳定性至关重要，已成为进一步提髙光互连模块耦合效率的关键性问题。本文选取光互连模块为研究对象，利用有限元软件ANSYS对其进行再流焊接模拟，得到了关键位置的对准偏移结果。基于单因子分析法，分析了BGA焊球的材料参数（不同成分钎料合金、热膨胀系数和弹性模量等）和几何形态参数（焊球体积、焊盘半径）对光互连模块关键位置处焊后对准偏移量产生的影响，研究结果可为减小光互连模块关键位置焊后对准偏移提供焊球材料选用和形态设计方面理论指导。1光互连模块关键位置焊后对准偏移有限元分析1.1典型光互连模块三维有限元模型由于图1光互连模块具有结构对称性，因此建立了光互连模块1/2有限元模型作为分析对象，并省略VCSEL驱动器等非关键结构器件，如图2所示，模型各部分结构尺寸参数如表1所示，各部分结构材料参数如表2所示，其中BGA焊球模式处理为粘塑性，有限元网格类型为VISCO107，PCB、耦合元件、光纤等假设为线弹性材料，有限元网格类型为SOLID45，得到光互连有限元模型单元数为227603，节点数为50186。图2典型光互连模块有限元模型表1典型光互连模型结构尺寸光互连有限元模型所采用的加载方式为再流焊温度加载，再流焊接工艺温度曲线通常由4个温区组成，即预热区、保温区、再流区和冷却区，如图3所示。光互连有限元模型边界条件为下层PCB两底部角点施加全约束，由于选用二分之一对称模型，因此下层PCB中间横截面施加对称面约束。表2典型光互连有限元模型材料参数图3Sn-Pb共晶焊料再流曲线1.2典型光互连模块关键位置焊后对准偏移有限元分析结果由于光互连模块中各部件材料的热膨胀系数失配，尤其是焊球材料的粘塑特性使其对温度变化敏感，各部件在经历再流焊温度加载后，产生了热应力进而引起热变形，同时考虑模型焊后残余应力的影响，导致光互连模块关键位置产生了水平和垂直方向位移（由于关键位置轴向位移容差较大，对光互连模块耦合效率影响较小，因此本文仅考虑关键位置水平位移和垂直位移），如图4和图5所示。由图4可知，光互连模块关键位置焊后水平位移从上到下逐渐增大，最小水平位移位于上层PCB顶端，最大水平位移位于耦合元件底端。由图5可知，光互连模块关键位置焊后最大垂直位移位于上层PCB左端，最小垂直位移位于上层PCB右端。由于光互连模块关键位置焊后各部位位移不一致，从而导致VCSEL发光中心点a和耦合元件光耦合中心点b在水平面上产生对准偏移S（S为点a和点b间水平对准偏移与垂直对准偏移合成值），即：（1）式（1）中，xa和ya表示关键点a水平偏移值和垂直偏移值；xb和yb表示关键点b水平偏移值和垂直偏移值。图4关键位置焊后水平方向位移图5关键位置焊后垂直方向位移云图对光互连模型焊后有限元分析结果进行读取，得到了发光中心点a和光耦合中心点b的水平和垂直方向偏移值，由式（1）计算光互连模块关键位置焊后对准偏移值S为0.436μm，如表3所示。表32080s关键点a、b对准偏移结果2光互连模块关键位置焊后对准偏移单因子分析2.1焊球材料对光互连模块关键位置焊后对准偏移影响分析为了研究不同焊球材料对光互连模块关键位置焊后对准偏移的影响，保持光互连模型尺寸参数（表1）和其他结构材料参数不变，仅改变上/下层BGA焊球材料属性且保持二者相同，分别对焊料为63Sn37Pb、62Sn36Pb2Ag、SAC305、96.5Sn3.5Ag的光互连模块进行焊后有限元分析，得到焊料对对准偏移影响如表4和图6所示。表4焊料对对准偏移影响图6焊料对对准偏移影响由表4和图6可知，不同焊料的光互连模块，其关键位置焊后对准偏移值各不相同，所选取焊料中，焊料63Sn37Pb对应的对准偏移值最小，为0.436μm，焊料62Sn36Pb2Ag对应的对准偏移量最大，为0.702μm，两种焊料对应的对准偏移值相差38%。因此在光互连模块实际设计制作过程中，选用63Sn37Pb焊料可以有效降低光互连模块关键位置焊后对准偏移值，从而提高光互连模块光传输的耦合效率。2.2焊球体积对光互连模块关键位置焊后对准偏移影响分析为考察焊球体积变化对光互连模块关键位置焊后对准偏移产生的影响，固定光互连模块材料参数（表2）和其他结构尺寸参数不变，仅改变上/下层BGA焊球体积并保持二者相同，分别对焊球体积为0.13mm3、0.20mm3、0.33mm3、0.38mm3（焊球体积参照市场售卖焊球尺寸计算得到，并非按等比例递增）的光互连模块进行焊后有限元分析，得到焊球体积对对准偏移影响如表5图7所示。由表5和图7可知，在所选取焊球体积范围内，随着焊球体积的增加，光互连模块关键位置焊后对准偏移值逐渐增大，焊球体积0.13mm3对应的对准偏移值最小，为0.323μm，焊球体积0.38mm3对应的对准偏移量最大，为0.499μm，最大对准偏移值与最小对准偏移值相差35%。因此在光互连模块实际设计制作过程中，适当减小焊球体积，可以有效降低光互连模块关键位置焊后对准偏移值，从而提高光互连模块光传输的耦合效率。表5焊球体积对对准偏移影响图7焊球体积对对准偏移影响2.3焊盘半径对光互连模块关键位置焊后对准偏移影响分析为考察焊盘半径变化对光互连模块关键位置焊后对准偏移产生的影响，固定光互连模块材料参数（表2）和其他结构尺寸参数不变，仅改变上/下层焊盘半径并保持二者相同，分别对焊盘半径为0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.40mm的光互连模块进行焊后有限元分析，得到焊盘半径对对准偏移影响如表6和图8所示。表6焊盘半径对对准偏移影响图8焊盘半径对对准偏移影响由表6和图8可知，不同焊盘半径的光互连模块，其关键位置焊后对准偏移值各不相同，所选取焊盘半径中，焊盘半径0.35mm对应的对准偏移值最小，为0.426μm，焊盘半径0.25mm对应的对准偏移量最大，为0.586μm，最大对准偏移值与最小对准偏移值相差27%，说明焊盘半径变化对光互连模块关键位置焊后对准偏移有一定影响，在进行光互连模块实际设计制作时，应考虑焊盘半径对光互连模块关键位置焊后对准偏移的影响。3结语通过对再流焊温度加载后光互连模块关键位置对准偏移的分析，可以得到以下结论：（1）有限元分析结果表明，由于光互连模块关键位置焊后各部位位移不一致，导致典型光互连模块VCSEL发光中心点与耦合元件光耦合中心点在水平面上产生对准偏移0.436μm。（2）对光互连模块关键位置焊后对准偏移影响因子进行单因子分析，结果表明：所选取焊球材料中，焊料63Sn37Pb对应的光互连模块关键位置焊后对准偏移最小；所选取焊球体积范围内，随着焊球体积增加，焊后对准偏移越来越大。因此在光互连模块设计制作过程中，焊料可选用63Sn37Pb，并尽量控制焊球体积，以提高光传输耦合效率。（参考文献略）
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下载所得到的文件列表物理电子学专业优秀论文--10Gbps多模光纤链路仿真中VCSEL模型的研究.doc
文档介绍：
【精品】毕业论文优秀毕业论文本科论文专业学术论文参考文献资料物理电子学专业优秀论文--10Gbps多模光纤链路仿真中VCSEL模型的研究关键词:垂直腔面发射激光器多模光纤链路速率方程模式竞争参数提取摘要:垂直腔面发射激光器(VCSELs:VerticalCavitySurfaceEmittingLasers)是目前多模光纤链路的主要光源,VCSEL的系统级仿真是多模光通信的一个研究热点。本文研究VCSEL的系统级仿真模型,研究VCSEL的热效应和空间相关特性,并基于单模速率方程,建立了包含热效应的VCSEL系统级仿真模型。该模型的参数提取系多参数非线性优化问题,本文基于经验给定参数的初值,并结合随机优化算法得到了实用的模型参数提取算法。利用该模型对10Gbps光链路进行了系统级仿真研究,并与实际链路的测试结果进行了对比。最后,研究了VCSEL热效应对光链路性能的影响。本文的主要研究内容和结论如下:(1)介绍了单模热相关速率方程模型,忽略多横模特性,采用温度相关的增益和等效的有源区泄漏电流来模拟VCSEL的热效应。(2)介绍了多模空间相关速率方程模型,考虑热效应和空间效应,包括有源区载流子的热泄漏、横模的空间特性以及由此引起的有源区横向载流子的空间烧孔特性。分析了VCSEL的高速调制过程中的横模竞争特性和空间烧孔特性。(3)考虑VCSEL的封装的电路寄生效应和相对强度噪声,建立了10GbpsTOSA封装VCSEL的仿真模型。并给出了实用的参数提取方法。参数提取利用厂家提供的光功率—电流—电压(L-I-V:Light-CurrentIntensity-Voltagc)关系和S21特性,仿真结果和实验结果基本吻合。(4)研究了VCSEL的温度特性对调制深度和码间干扰(ISI:InterSymbolInterference)代价的影响。【精品】毕业论文优秀毕业论文本科论文专业学术论文参考文献资料正文内容垂直腔面发射激光器(VCSELs:VerticalCavitySurfaceEmittingLasers)是目前多模光纤链路的主要光源,VCSEL的系统级仿真是多模光通信的一个研究热点。本文研究VCSEL的系统级仿真模型,研究VCSEL的热效应和空间相关特性,并基于单模速率方程,建立了包含热效应的VCSEL系统级仿真模型。该模型的参数提取系多参数非线性优化问题,本文基于经验给定参数的初值,并结合随机优化算法得到了实用的模型参数提取算法。利用该模型对10Gbps光链路进行了系统级仿真研究,并与实际链路的测试结果进行了对比。最后,研究了VCSEL热效应对光链路性能的影响。本文的主要研究内容和结论如下:(1)介绍了单模热相关速率方程模型,忽略多横模特性,采用温度相关的增益和等效的有源区泄漏电流来模拟VCSEL的热效应。(2)介绍了多模空间相关速率方程模型,考虑热效应和空间效应,包括有源区载流子的热泄漏、横模的空间特性以及由此引起的有源区横向载流子的空间烧孔特性。分析了VCSEL的高速调制过程中的横模竞争特性和空间烧孔特性。(3)考虑VCSEL的封装的电路寄生效应和相对强度噪声,建立了10GbpsTOSA封装VCSEL的仿真模型。并给出了实用的参数提取方法。参数提取利用厂家提供的光功率—电流—电压(L-I-V:Light-CurrentIntensity-Voltagc)关系和S21特性,仿真结果和实验结果基本吻合。(4)研究了VCSEL的温度特性对调制深度和码间干扰(ISI:InterSymbolInterference)代价的影响。垂直腔面发射激光器(VCSELs:VerticalCavitySurfaceEmittingLasers)是目前多模光纤链路的主要光源,VCSEL的系统级仿真是多模光通信的一个研究热点。本文研究VCSEL的系统级仿真模型,研究VCSEL的热效应和空间相关特性,并基于单模速率方程,建立了包含热效应的VCSEL系统级仿真模型。该模型的参数提取系多参数非线性优化问题,本文基于经验给定参数的初值,并结合随机优化算法得到了实用的模型参数提取算法。利用该模型对10Gbps光链路进行了系统级仿真研究,并与实际链路的测试结果进行了对比。最后,研究了VCSEL热效应对光链路性能的影响。本文的主要研究内容和结论如下:(1)介绍了单模热相关速率方程模型,忽略多横模特性,采用温度相关的增益和等效的有源区泄漏电流来模拟VCSEL的热效应。(2)介绍了多模空间相关速率方程模型,考虑热效应和空间效应,包括有源区载流子的热泄漏、横模的空间特性以及由此引起的有源区横向载流子的空间烧孔特性。分析了VCSEL的高速调制过程中的横模竞争特性和空间烧孔特性。(3)考虑VCSEL的封装的电路寄生效应和相对强度噪声,建立了10GbpsTOSA封装VCSEL的仿真模型。并给出了实用的参数提取方法。参数提取利用厂家提供的光功率—电流—电压(L-I-V:Light-CurrentIntensity-Voltagc)关系和S21特性,仿真结果和实验结果基本吻合。(4)研究了VCSEL的温度特性对调制深度和码间干扰(ISI:InterSymbolInterference)代价的影响。垂直腔面发射激光器(VCSELs:VerticalCavitySurfaceEmittingLasers)是目前多模光纤链路的主要光源,VCSEL的系统级仿真是多模光通信的一个研究热【精品】毕业论文优秀毕业论文本科论文专业学术论文参考文献资料点。本文研究VCSEL的系统级仿真模型,研究VCSEL的热效应和空间相关特性,并基于单模速率方程,建立了包含热效应的VCSEL系统级仿真模型。该模型的参数提取系多参数非线性优化问题,本文基于经验给定参数的初值,并结合随机优化算法得到了实用的模型参数提取算法。利用该模型对10Gbps光链路进行了系统级仿真研究,并与实际链路的测试结果进行了对比。最后,研究了VCSEL热效应对光链路性能的影响。本文的主要研究内容和结论如下:(1)介绍了单模热相关速率方程模型,忽略多横模特性,采用温度相关的增益和等效的有源区泄漏电流来模拟VCSEL的热效应。(2)介绍了多模空间相关速率方程模型,考虑热效应和空间效应,包括有源区载流子的热泄漏、横模的空间特性以及由此引起的有源区横向载流子的空间烧孔特性。分析了VCSEL的高速调制过程中的横模竞争特性和空间烧孔特性。(3)考虑VCSEL的封装的电路寄生效应和相对强度噪声,建立了10GbpsTOSA封装VCSEL的仿真模型。并给出了实用的参数提取方法。参数提取利用厂家提供的光功率—电流—电压(L-I-V:Light-CurrentIntensity-Voltagc)关系和S21特性,仿真结果和实验结果基本吻合。(4)研究了VCSEL的温度特性对调制深度和码间干扰(ISI:InterSymbolInterference)代价的影响。垂直腔面发射激光器(VCSELs:VerticalCavitySurfaceEmittingLasers)是目前多模光纤链路的主要光源1
内容来自淘豆网转载请标明出处.一，垂直腔表面发射激光器（Vcsel）简介；1.1，绪论；新型的半导体激光发射器在近30年来发展迅猛，而其；Vcsel器件的核心部位主要由三大部分构成，下图；由图我们可以看出构成它的三大部分分别是布拉格反射；偿vcsel腔长很短引起的增益介质的长度减小；二，垂直腔表面发射激光器的混沌同步特性概述及其理；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
一，垂直腔表面发射激光器（Vcsel）简介
1.1， 绪论
新型的半导体激光发射器在近30年来发展迅猛，而其中最具有代表性的器件当属垂直腔表面发射激光器，其英文名称是是Vcsel，与之相比，传统的边边发射器（EEl）只能沿水平方向输出光，且从腔体机构来说，DBR腔和F.P腔都只能把激光输出在沿着衬底片的平行方向，vcsel则不一样，因为在它的芯片上下表面镀上了发射膜，其F.P腔沿着垂直方向，所以它的激光输出不是沿着水平方向，而是沿着垂直方向，即垂直于衬底片的方向。
Vcsel器件的核心部位主要由三大部分构成，下图是vcsel的结构简图。
由图我们可以看出构成它的三大部分分别是布拉格反射镜（DBR）的光学谐振腔，其中DBR分布在上下表面，而光学谐振腔则分布在中间，因为谐振腔的方向是垂直于芯片表面的，所以vcsel的激光输出可以沿垂直方向，当光沿器件表面出射的时候，发散的角度只有10度左右，这是非常小的，且发射光具有对称性的圆形光斑，这对于光纤与器件的直接耦合是非常有利的。另外，器件与自由场的耦合还可以不加任何光学的耦合系统。其次，器件的光学谐振腔的腔长只有几个波长的厚度，有的结构强其腔甚至只有一个波长，如此短的谐振腔的腔长使器件的动态单模工作非常易于实现，而这样特殊的性质在光通讯与光互联的应用也是十分重要的。所以，本课题主要就是研究vcsel在光通讯中的应用。另外，由于腔长非常的短，所以介质的增益长度也随之减少，如此一来，我们就需要用一个较高Q的谐振腔来对增益长度进行补偿。怎样对此进行补偿呢？这需要获得很高的光反馈。用具有相当高的光反射率的光学谐振腔的两个反射镜可以实现如此高的反馈。在vcsel器件中，使用最为频繁的是半导体DBR中心区域的有源区，又称为谐振腔。是器件中最为重要的组成部分。这样可以使反射镜获得更高的反射率，另外在腔内，有源介质必须对激射模式提供较大的增益，以补
偿vcsel腔长很短引起的增益介质的长度减小。在结构上，对于那种电流注入型的器件，一般都采用量子阱（QW)的形式。QW有源区位于腔的中间。此外，光学谐振腔的边界由位于上下部位的布拉格反射镜DBR确定。如果是多量子阱，则会被几个势垒分开。如果去除光学腔中的QW,则剩下的部分将由跟制层来填充。量子阱的放量与激射模式的关系决定这器件结构的纵向限制因子，因此十分重要。因为决定有源区提供给激射模式效率的重要因素，被用来衡量激射模式与增益区相重合的程度 的正是限制因子。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。InGaAs QW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p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
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