Συμβολή στη μελέτη ασφαλών συστημάτων οπτικών επικοινωνιών βασισμένων σε χαοτικά φέροντα

Abstract

In this Thesis, the generation of a chaotic carrier by semiconductor lasers is theoretically studied. Three different encoding techniques (Chaotic Modulation, Chaotic Shift Keying, and Chaotic Masking) are employed and the performance of an optical chaotic communications system for different receiver configurations is evaluated. It is proved that chaotic carriers allow the successful encoding and decoding of messages with up to 10 Gb/s bit rate. Focusing on the Chaotic Modulation encoding method, the performance of a back-to-back chaotic communications system is studied when two different decoding methods are followed. In both closed- and open-loop configurations, the normalized decoding method that is widely used in literature provides significantly different results in the estimation of the system’s performance compared to the more realistic method of photocurrent subtraction, proposed in this study. The performance of an open-loop configuration is further studied for Chaotic Modulation and Chaotic Shift Keying encoding techniques when various parameter values of the transmitter laser deviate from the corresponding receiver laser values. In this so-called parameter mismatch analysis, it is indicated that the system’s performance is highly dependant on the level of parameter values deviation, as well as the coupling strength between transmitter and receiver. Finally, the effects of transmission in optical fiber are studied for a chaotic communications system when CM and CSK encoding techniques are employed for various message bit-rates. The downgrading appearing to the system’s performance due to fiber transmission impairments is confronted by the employment of various dispersion management techniques. The performance of such a system is further evaluated when two different receiver configurations (open- and closed loop) are utilized under weak or strong injection conditions, when either anti-reflection coated lasers or high-reflection coated lasers are employed in the system’s receiving end

Σε αυτή τη διατριβή μελετάται θεωρητικά η δημιουργία χαοτικών φερόντων από πηγές ημιαγωγικών laser και συγκρίνονται οι επιδόσεις τριών μεθόδων κωδικοποίησης (Chaotic Modulation, Chaotic Shift Keying, Chaotic Masking), για διάφορες διατάξεις του δέκτη, σε ένα χαοτικό, οπτικό σύστημα επικοινωνιών. Στη μελέτη αυτή αναδεικνύεται η δυνατότητα κωδικοποίησης και επιτυχούς αποκωδικοποίησης της πληροφορίας για ρυθμούς μετάδοσης που αγγίζουν τα 10 Gb/s. Επικεντρώνοντας στο σχήμα χαοτικής διαμόρφωσης (CM) αναλύεται η απόδοση ενός back-to-back χαοτικού συστήματος επικοινωνιών για δύο διαφορετικές μεθόδους αποκωδικοποίησης. Στην προσέγγιση τόσο κλειστού όσο και ανοιχτού βρόχου, αποδεικνύεται ότι η μέθοδος κανονικοποιημένης αποκωδικοποίησης η οποία χρησιμοποιείται ευρύτατα στη βιβλιογραφία, παρουσιάζει σημαντικές διαφορές στην εκτίμηση της απόδοσης ενός χαοτικού συστήματος επικοινωνιών σε σχέση με την περισσότερο ρεαλιστική περίπτωση της μεθόδου αποκωδικοποίησης αφαίρεσης των φωτορευμάτων πομπού και δέκτη που προτείνεται στη διατριβή αυτή. Για τις μεθόδους κωδικοποίησης CM και CSK, μελετάται εν συνεχεία η απόδοση ενός συστήματος ανοιχτού βρόχου όταν διάφοροι εσωτερικοί παράμετροι του laser του δέκτη διαφοροποιούνται σε σχέση με αυτούς του πομπού. Παρατηρείται ότι οι επιδόσεις του συστήματος επηρεάζονται ανάλογα με το ποσοστό διαφοροποίησης των εσωτερικών παραμέτρων των δύο laser, καθώς και από την ισχύ σύζευξης πομπού-δέκτη. Στη συνέχεια μελετώνται οι επιδράσεις της διάδοσης σε οπτική ίνα ενός συστήματος χαοτικών επικοινωνιών που υιοθετεί τις μεθόδους κωδικοποίησης CM και CSK για διάφορους ρυθμούς διαμόρφωσης. Προκειμένου να αντιμετωπιστεί η υποβάθμιση των επιδόσεων του συστήματος λόγω των επιδράσεων της διάδοσης, προτείνονται διάφοροι μέθοδοι διαχείρισης της διασποράς. Τέλος διερευνώνται οι επιδόσεις ενός χαοτικού συστήματος επικοινωνιών συμπεριλαμβανομένου της διάδοσης σε οπτική ίνα για διάφορες περιπτώσεις υλοποίησης της διάταξης του δέκτη. Οι περιπτώσεις αυτές περιλαμβάνουν δύο διαφορετικές αρχιτεκτονικές του δέκτη (κλειστού και ανοιχτού βρόχου), τόσο κατά την πραγματοποίηση ασθενούς όσο και ισχυρής έγχυσης, ενώ παράλληλα παρουσιάζεται μια συγκριτική μελέτη χρησιμοποίησης ενός laser στο δέκτη με αντιανακλαστικές επιφάνειες σε αντιπαραβολή ενός συμβατικού laser με υψηλή ανακλαστικότητα στις δύο όψεις του