对主从开环结构下，混沌激光偏振度对混沌同步质量的影响进行实验研究。在背靠背和200 km传输条件下，分析混沌激光偏振度以及同步质量的演变规律，发现随着距离和时间的增加，混沌激光偏振度逐渐减小，导致激光器的有效注入强度降低，进而削弱了注入锁定效应，恶化了主从混沌同步质量。增大注入强度可以提高同步质量对偏振度变化的容忍度，有助于实现稳定的长距离混沌激光同步。

利用半导体激光器的混沌同步有望实现高速物理随机密钥分发,然而激光器的混沌同步恢复时间限制密钥分发的速率。为此数值研究垂直腔面发射激光器(VCSEL)在开环注入锁定同步系统中,影响混沌同步恢复时间的因素。模拟结果表明,可以通过三种途径缩短混沌同步恢复时间,增加激光器的偏置电流、微分增益系数,或减小光子、载流子寿命来缩短弛豫振荡周期;减小线宽增强因子来减小激光混沌的复杂度;增加注入强度、减小频率失谐来实现强注入锁定。研究结果对提高基于混沌激光同步的密钥分发速率具有理论借鉴的意义。

通过改变两个耦合混沌激光器反馈相位, 实现了两激光器之间信号的双向同步传输。两个激光器之间的部分透光的平面镜可以诱导延时和混沌动力学。数值模拟考虑延迟的激光器速率方程, 证明了两个激光器可以达到高质量同步。编解码的过程从信号改变两个激光器的反馈相位开始, 检测两个激光器中混沌载波光功率的差, 并与本地信号进行对比, 最终恢复发送者传输的数字信息。根据恢复出来信号的眼图, 可以看出该系统具有很高的传输质量。本方案中, 窃听者即使可以得到传输信号的差值, 也无法得知本地信号, 因此, 无法解调出发送者的信息, 系统的安全传输性能得以保障。

基于混沌同步, 构建安全性增强的双向长距离混沌保密通信系统。结果表明：在合适的双混沌光注入参数下, 驱动激光器(DL)可以产生低时延特征(TDS)、宽带宽的混沌信号; DL输出的混沌信号注入到2个响应激光器(RLs)中, 通过优化注入参数, 2个RLs可输出TDS更低、带宽更宽的混沌信号, 且2个混沌信号在实现高质量混沌同步的同时与DL输出混沌保持极低的相关系数(小于0.1); 基于2个RLs之间高质量的混沌同步, 可实现安全性增强的双向远距离混沌保密通信。采用色散位移光纤作为传输信道, 20 Gbit/s的信息在传输120 km后, 解调信息的Q因子大于6; 而采用普通单模光纤作为传输信道, 1 Gbit/s的信息在传输140 km后, 解调信息的Q因子大于8。

在混沌通信系统中,混沌载波的时延特征直接影响着通信系统的安全性,因此隐藏混沌载波的时延特征信息十分重要。本文基于外腔反馈式半导体激光器(ECSL)的单光注入结构,引入激光器参数失配,详细阐述了一种通过主从激光器参数失配来消除混沌信号时延特征的方法。利用自相关函数作为量化工具,对混沌信号的时延隐藏效果进行量化分析,数值研究了主从激光器间的参数失配对混沌信号时延消除的影响,并结合注入强度与频率失谐开展了进一步综合研究。研究结果表明:引入激光器参数失配对时延隐藏的效果影响显著,参数失配率在-0.4～0范围时有助于在从激光器混沌输出中隐藏主激光器外腔引入的反馈时延;而且,当主激光器注入强度在10 ns-1～20 ns-1范围内,主从激光器频率失谐控制在-20 GHz附近时,信号时延隐藏效果最佳。因此,由此单混沌光注入系统产生的混沌信号可显著提高混沌载波的安全性,进而增强其潜在应用的性能。

通过分步傅里叶算法对光纤传输模型——非线性薛定谔方程进行求解，研究光纤的色散和非线性对新型闭环双向三激光器混沌保密通信系统的影响。分析了在色散、非线性以及色散和非线性共同作用下，光纤传输距离对混沌信号和解调信息质量的影响。结果表明：随着传输距离增加，色散导致混沌信号展宽，展宽比率也随之增大；混沌信号同步性逐渐变差，导致解调信息质量变差。非线性不影响混沌信号的时域波形，但非线性与色散的共同作用，导致混沌信号迅速变化，混沌信号同步性迅速变差，使解调信息质量急剧恶化。

提出了一个由四个半导体激光器通过相互耦合构成的混沌网状网络系统，研究了这种拓扑结构下各激光器的动力学行为、任意两个激光器之间的混沌同步特性以及参数失配对同步性能的影响，并对该系统的保密通信性能进行了分析。理论仿真结果表明，网状网络系统中各激光器在合适的相互耦合条件下均可呈现混沌输出，四个激光器输出的混沌信号可达到整体同步(即所有混沌信号之间都同步)或部分同步。基于该网络的混沌同步，可实现多用户之间信息的双向保密传输。