CN114531219B - 一种基于拓扑异构的激光器网络同步调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于拓扑异构的激光器网络同步调控方法，在全对称网络的基础上建立多层结构激光器网络，并将原网络中的每个节点拓展为由两个相同的激光器组成，通过一组内部子链路相互连接；改变子链路的有无以及连接方向在网络的拓扑结构中引入对称破缺；通过调节层间结构以及网络中激光器的工作参数、自反馈强度以及激光器间的耦合强度，实现对半导体激光器网络的同步调控。本发明提供了一种能够合理利用现有的网络资源实现全网激光器同步的调控方案，提高了光通信网络的利用效率。

Description

一种基于拓扑异构的激光器网络同步调控方法
技术领域
本发明属于激光器网络同步控制技术领域，尤其涉及一种基于拓扑异构的激光器网络同步调控方法。
背景技术
随着新一代信息技术的发展，现代通信网络已成为当今信息社会的基础设施。如何保障全光通信网络的安全性是当今信息技术领域面临的关键挑战之一。基于半导体激光器的激光混沌具有类噪声、高带宽、高复杂度、保密性高等诸多优势，能够在物理层保障信息的安全传输。目前，半导体激光器混沌同步系统已在安全光通信、混沌雷达、类脑计算、高速随机数发生器等领域得到了广泛应用。
然而，随着信息网络节点规模的日益增大，结构越来越复杂，现有的半导体激光器同步理论模型难以描述复杂的网络拓扑结构与网络同步模式间的内在联系，无法满足安全通信网络化的需要。此外，随着网络节点异构性的增加，如何合理利用现有网络资源，提高通信网络的效率是亟待解决的关键性问题。与此同时，在高速发展的复杂网络领域，基于图论的复杂网络模型可描述复杂系统动力学过程，已成功应用于万维网、电力网、神经网络等领域。在复杂网络领域，基于群论的思想挖掘复杂网络拓扑结构的本征对称性，近年来已成为分析网络拓扑结构及网络动力学的主流理论方法之一。在此基础上，复杂网络的奇异态理论关注网络内部不同同步流行之间的关联特性，可用来研究网络的同步模式。因此将复杂网络理论引入到半导体激光器非线性动力学的研究中，探索基于拓扑结构的激光器网络同步调控方法有望拓展半导体激光器在安全光通信网络中的潜在应用，为提高光通信网络的安全性和效率提供理论和技术支撑。
传统的半导体激光器网络同步调控方案通常是利用来自驱动激光器的外部共同光注入来实现，该方法的装置如图1所示。首先根据半导体激光器网络的拓扑结构将网络中的激光器划分为特定的同步簇，当网络中所有激光器的初始条件一致时，同一簇内的激光器能够实现稳定的零时延同步。引入驱动激光器_C，利用激光器_C产生混沌光信号，针对网络中特定的同步簇(如激光器2和激光器3)，激光器_C的混沌输出分别注入到激光器2和激光器3中，通过合理调节外部共同光注入信号的强度，半导体激光器2和半导体激光器3输出的混沌信号能够在激光器初始条件不一致时实现稳定的实时同步。
现有的有关半导体激光器网络同步调控的方案只能针对网络中特定的同步簇实现同步调控，而不能够实现对整个网络的同步控制。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于拓扑异构的激光器网络同步调控方法。
本发明为一种基于拓扑异构的激光器网络同步调控方法，在全对称网络的基础上建立多层结构激光器网络，并将原激光器网络中的每个节点拓展为由两个相同的激光器组成，通过一组内部子链路相互连接；改变子链路的有无以及连接方向在网络拓扑结构中引入对称破缺；通过调节层间结构以及网络中激光器的工作参数、自反馈强度以及激光器间的耦合强度，实现对激光器网络的同步调控。计算网络中激光器输出的均方差函数，分析激光器网络实时同步的稳定性，即当网络中激光器输出混沌信号强度的均方差函数约等于0时，网络中的激光器能够实现稳定的零时延同步。
利用复杂网络中的图论思想，将复杂异构激光器网络映射为一个由点和边组成的有向图，将网络中激光器间的耦合作用映射为耦合矩阵，根据网络拓扑结构以及节点间的异构性改变耦合矩阵以及激光器速率方程的表达形式，得到能够描述复杂异构激光器网络非线性动力学特性的理论模型：
Figure BDA0003506708900000021
Figure BDA0003506708900000022
其中，Em(t)表示网络中激光器的复慢变电场振幅，kf和σ分别表示自反馈强度和激光器间的耦合强度，网络的拓扑结构由拉普拉斯矩阵Lm,n表示；τp表示激光器腔内光子寿命；τe表示自发载流子寿命；g表示微分增益系数；α表示线宽增强因子；ε表示增益饱和系数；N0表示激光器透明载流子数；Ith表示激光器阈值电流；q表示电子电荷；τf表示自反馈时延；τc表示耦合时延。
计算激光器混沌输出的均方差函数，分析半导体激光器网络的同步稳定性，其数学表达式如下所示：
Figure BDA0003506708900000023
其中，符号<·>表示输出序列在时间上均值；RMS的阈值设置为0.01，即定义只有当网络中所有激光器输出间均方差函数的值RMS＜0.01时，认定网络中的激光器实现稳定的零时延同步，即稳定的同步调控。
本发明和现有技术相比的有益技术效果为：
在现实的光通信网络中，不可避免地会存在激光器间的异同，耦合链路长短的差异、网络结构对称性的变化。所有这些异构性因素都将导致局部动态的不稳定性，并严格地影响着每个激光器输出混沌信号的复杂性，进而降低光通信网络的安全性。如何合理的利用现有的网络资源，提高光通信网络的效率和安全性是当下亟待解决的关键性问题。本发明提出了一种能够合理利用网络的异构性实现半导体激光器网络同步的调控方案，提高了光通信网络的利用效率，拓展半导体激光器在未来全光通信网络中的潜在应用。
附图说明
图1为传统基于共同光注入半导体激光器网络同步调控方案示意图。
图2为三个激光器组成的环形激光器网络的拓扑结构。
图3为本发明基于拓扑异构的激光器网络同步调控方法系统示意图。
图4为实施例中激光器网络同步调控波形示意图。
图5为原始网络以及通过拓扑调控后激光器网络的均方差函数对比。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明以由三个激光器组成的环形激光器网络为例，网络的拓扑结构如图2所示。此网络为全对称网络，网络中半导体激光器的工作参数完全相同，可隔离其他因素独立分析网络结构的变化对同步模式的影响规律。在此全对称网络的基础上建立多层半导体激光器网络，即将原网络中的每个节点拓展为由两个相同的子节点组成，通过一组内部子链路相互连接。改变子链路的有无以及连接方向便可在网络中引入对称破缺。如图3所示，本方案通过去除双层网络中子激光器3’与子激光器3”之间的耦合链路(图中虚线链路)，在网络的拓扑结构中引入异构性。计算网络中激光器输出的均方差函数，系统分析网络拓扑结构的对称破缺变化与同步模式间的内在关联。
利用以上的结构设计，通过合理调节层间结构以及网络中半导体激光器的工作参数、自反馈强度以及激光器间的耦合强度，实现对激光器网络的同步调控。计算网络中激光器输出的均方差函数，分析激光器网络实时同步的稳定性，即当网络中激光器输出混沌信号强度的均方差函数约定于0时，网络中的激光器能够实现稳定的零时延同步。
将网络中激光器间的耦合作用映射为耦合矩阵，如果激光器SLm与激光器SLn之间存在一条耦合链路则Lm,n＝1，如若两个激光器间无链路连接则Lm,n＝0，Lm,m＝-μm，其中μm为网络中激光器SLm的度。描述图3双层异构网络拓扑结构的拉普拉斯矩阵如下所示:
Figure BDA0003506708900000041
将该拉普拉斯矩阵带入半导体激光器速率方程，建立能够描述半导体激光器网络非线性动力学特性的理论模型。模型中的激光器工作参数如表1所示。
表1激光器工作参数
定义 参数 数值
激光器腔内光子寿命 <![CDATA[τ<sub>p</sub>]]> 2ps
自发载流子寿命 <![CDATA[τ<sub>e</sub>]]> 2ns
微分增益系数 g <![CDATA[1.5×10<sup>-8</sup>ps<sup>-1</sup>]]>
线宽增强因子 α 5
增益饱和系数 ε <![CDATA[5×10<sup>-7</sup>]]>
激光器透明载流子数 <![CDATA[N<sub>0</sub>]]> <![CDATA[1.5×10<sup>8</sup>]]>
激光器阈值电流 <![CDATA[I<sub>th</sub>]]> 14.7mA
电流因子 <![CDATA[p<sub>f</sub>]]> 2.5
电子电荷 q <![CDATA[1.6×10<sup>-19</sup>C]]>
自反馈时延 <![CDATA[τ<sub>f</sub>]]> 5ns
耦合时延 <![CDATA[τ<sub>c</sub>]]> 5ns
工作波长 λ 1550nm
下面以反馈强度kf＝20ns-1，耦合强度σ＝20ns-1为参量举例说明如何利用拓扑异构性实现网络的同步调控。如图4(a)所示，图2网络中激光器混沌输出的波形互不相关。引入双层结构后，如图3所示，网络中激光器的混沌输入仍然不能够同步，从图4(b)可以看出六个激光器的波形仍互不相关。在网络拓扑结构中引入拓扑异构性，移除图3中子激光器3’与3”之间的虚线链路。通过对激光器网络拓扑结构的调控，网络中激光器的混沌输出能够实现稳定的零时延同步，六个激光器的混沌输出波形互相重叠(如图4(c)所示)。图5给出了原始网络以及通过拓扑调控后激光器网络的均方差函数，利用网络拓扑结构的异构性，网络中激光器实现稳定同步的参数区间得到了有效拓展。

Claims (2)

1.一种基于拓扑异构的激光器网络同步调控方法，其特征在于，建立多层结构的激光器网络，每个节点由两个相同的激光器组成，通过一组内部子链路相互连接；改变子链路的有无以及连接方向在网络拓扑结构中引入对称破缺；通过调节层间结构以及网络中激光器的工作参数、自反馈强度以及激光器间的耦合强度，实现对激光器网络的同步调控；计算网络中激光器输出的均方差函数，分析激光器网络实时同步的稳定性，即当网络中激光器输出混沌信号强度的均方差函数约等于0时，网络中的激光器能够实现稳定的零时延同步；
利用复杂网络中的图论思想，将复杂异构激光器网络映射为一个由点和边组成的有向图，将网络中激光器间的耦合作用映射为耦合矩阵，根据网络拓扑结构以及节点间的异构性改变耦合矩阵以及激光器速率方程的表达形式，得到描述复杂异构激光器网络非线性动力学特性的L-K模型：
Figure FDA0003506708890000011
Figure FDA0003506708890000012
其中，Em(t)表示网络中激光器的复慢变电场振幅，kf和σ分别表示自反馈强度和激光器间的耦合强度；网络的拓扑结构由拉普拉斯矩阵Lm,n表示；如果激光器SLm与激光器SLn之间存在一条耦合链路则Lm,n＝1，如若两个激光器间无链路连接则Lm,n＝0，Lm,m＝-μm，其中μm为网络中激光器SLm的度；τp表示激光器腔内光子寿命；τe表示自发载流子寿命；g表示微分增益系数；α表示线宽增强因子；ε表示增益饱和系数；N0表示激光器透明载流子数；Ith表示激光器阈值电流；q表示电子电荷；τf表示自反馈时延；τc表示耦合时延；
计算激光器混沌输出的均方差函数，数学表达式如下：
Figure FDA0003506708890000013
其中，符号<·>表示输出序列在时间上均值；RMS的阈值设置为0.01，即定义只有当网络中所有激光器混沌输出间均方差函数的值RMS＜0.01时，认定网络中的激光器实现稳定的零时延同步，即稳定的同步调控。
2.根据权利要求1所述的一种基于拓扑异构的激光器网络同步调控方法，其特征在于，所述激光器为分布式反馈半导体激光器，激光器的工作波长为1550nm。
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