CN105262585A - 一种安全高速的密钥分发系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及保密通信中的密钥分发技术，具体是一种安全高速的密钥分发系统及方法。本发明解决了现有密钥分发技术安全性差、密钥分发速率慢的问题。一种安全高速的密钥分发系统，包括宽带类噪声驱动源、1×2主光纤耦合器、1×2左光纤耦合器、1×2右光纤耦合器、2个左滤波选频器、2个右滤波选频器、2个左光反馈混沌半导体激光器、2个右光反馈混沌半导体激光器、左电光调制系统、右电光调制系统、左存储信道、右存储信道、2×1左光纤耦合器、2×1右光纤耦合器、左光电探测器、右光电探测器、左模数转换器、右模数转换器、左存储器、右存储器、公共信道。本发明适用于保密通信。

Description

一种安全高速的密钥分发系统及方法

技术领域

本发明涉及保密通信中的密钥分发技术，具体是一种安全高速的密钥分发系统及方法。

背景技术

保密通信事关国家安全、社会稳定等诸多方面。作为保密通信的关键所在，研究安全高速的密钥分发技术是极其迫切和重要的。现有的密钥分发技术主要包括以下几种：一、量子密钥分发（QKD）是一种绝对安全的密钥分发方案，其密钥信息通过量子态来编码，任何窃听都会产生干扰，进而被合法通信双方发现。然而，QKD尚存在着一些技术难点，诸如高效的单光子源制备困难、密钥分发速率较低等（ReviewsofModernPhysics,vol.74,no.1,pp.145-195,2002）。二、英国学者AtallaEl-Taher1提出通过对拉曼超长腔光纤激光器滤波实现安全的密钥分发，但该方案的密钥分发速率受腔长限制，当腔长为500km时，密钥分发速率仅为100bps(LaserPhotonicsReviews,vol.8,no.3,pp.436-442,2014)。三、以色列学者IdoKanter提出利用混沌半导体激光器的互注入同步实现密钥分发，但由于窃听者在单向强注入锁定条件下也能获得较高的同步，该密钥分发方案的安全性较差（OpticsExpress,vol.18,no.17,pp.18292-18302,2010）。四、日本学者HayatoKoizumi提出利用幅度恒定相位随机的宽带信号源驱动多个串联光扰频器实现混沌激光信号的同步，并利用上述信号产生随机序列。为实现密钥分发，该方案在反馈光路中添加了随机相位调制，最终通过选取相同相位调制信息所对应的随机序列作为密钥以实现安全性较高的密钥分发。但在该密钥分发方案中，在相位信息不一致时同步信号的恢复时间较长，导致密钥分发速率较慢，仅为64kbps（OpticsExiress,vol.21,no.17,pp.17869-17893,2013）。基于此，有必要发明一种全新的密钥分发技术，以解决现有密钥分发技术安全性差、密钥分发速率慢的问题。

发明内容

本发明为了解决现有密钥分发技术安全性差、密钥分发速率慢的问题，提供了一种安全高速的密钥分发系统及方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种安全高速的密钥分发系统，包括宽带类噪声驱动源、1×2主光纤耦合器、1×2左光纤耦合器、1×2右光纤耦合器、2个左滤波选频器、2个右滤波选频器、2个左光反馈混沌半导体激光器、2个右光反馈混沌半导体激光器、左电光调制系统、右电光调制系统、左存储信道、右存储信道、2×1左光纤耦合器、2×1右光纤耦合器、左光电探测器、右光电探测器、左模数转换器、右模数转换器、左存储器、右存储器、公共信道；

其中，宽带类噪声驱动源的输出端与1×2主光纤耦合器的输入端连接；1×2主光纤耦合器的两个输出端分别与1×2左光纤耦合器的输入端和1×2右光纤耦合器的输入端连接；

1×2左光纤耦合器的两个输出端分别与第1个左滤波选频器的输入端和第2个左滤波选频器的输入端连接；第1个左滤波选频器的输出端与第1个左光反馈混沌半导体激光器的输入端连接；第2个左滤波选频器的输出端与第2个左光反馈混沌半导体激光器的输入端连接；第1个左光反馈混沌半导体激光器的输出端与左电光调制系统的输入端连接；第2个左光反馈混沌半导体激光器的输出端和左电光调制系统的输出端分别与2×1左光纤耦合器的两个输入端连接；左电光调制系统的输出端通过左存储信道与左存储器的输入端连接；2×1左光纤耦合器的输出端与左光电探测器的输入端连接；左光电探测器的输出端与左模数转换器的输入端连接；左模数转换器的输出端与左存储器的输入端连接；

1×2右光纤耦合器的两个输出端分别与第1个右滤波选频器的输入端和第2个右滤波选频器的输入端连接；第1个右滤波选频器的输出端与第1个右光反馈混沌半导体激光器的输入端连接；第2个右滤波选频器的输出端与第2个右光反馈混沌半导体激光器的输入端连接；第1个右光反馈混沌半导体激光器的输出端与右电光调制系统的输入端连接；第2个右光反馈混沌半导体激光器的输出端和右电光调制系统的输出端分别与2×1右光纤耦合器的两个输入端连接；右电光调制系统的输出端通过右存储信道与右存储器的输入端连接；2×1右光纤耦合器的输出端与右光电探测器的输入端连接；右光电探测器的输出端与右模数转换器的输入端连接；右模数转换器的输出端与右存储器的输入端连接；

左存储器和右存储器之间通过公共信道连接。

一种安全高速的密钥分发方法（该方法在本发明所述的一种安全高速的密钥分发系统中实现），该方法是采用如下步骤实现的：

a.宽带类噪声驱动源输出的信号经1×2主光纤耦合器平均分成两路信号；两路信号再分别经1×2左光纤耦合器、1×2右光纤耦合器平均分成四路信号；

b.四路信号分别经第1个左滤波选频器、第2个左滤波选频器、第1个右滤波选频器、第2个右滤波选频器进行滤波选频，然后分别驱动第1个左光反馈混沌半导体激光器、第2个左光反馈混沌半导体激光器、第1个右光反馈混沌半导体激光器、第2个右光反馈混沌半导体激光器，使得第1个左光反馈混沌半导体激光器、第2个左光反馈混沌半导体激光器、第1个右光反馈混沌半导体激光器、第2个右光反馈混沌半导体激光器分别输出混沌激光信号；

c.第1个左光反馈混沌半导体激光器输出的混沌激光信号、第1个右光反馈混沌半导体激光器输出的混沌激光信号分别进入左电光调制系统、右电光调制系统；左电光调制系统、右电光调制系统分别利用私钥对第1个左光反馈混沌半导体激光器输出的混沌激光信号、第1个右光反馈混沌半导体激光器输出的混沌激光信号进行随机开关调制，且左电光调制系统所利用的私钥和右电光调制系统所利用的私钥之间无相关性；

左电光调制系统、右电光调制系统分别通过左存储信道、右存储信道将各自所利用的私钥发送至左存储器、右存储器；左存储器、右存储器分别对左电光调制系统所利用的私钥、右电光调制系统所利用的私钥进行存储；

左电光调制系统输出的混沌激光信号和第2个左光反馈混沌半导体激光器输出的混沌激光信号经2×1左光纤耦合器进行叠加；叠加后的混沌激光信号经左光电探测器转换为电信号；电信号经左模数转换器转换为左随机序列；左存储器对左随机序列进行存储；

右电光调制系统输出的混沌激光信号和第2个右光反馈混沌半导体激光器输出的混沌激光信号经2×1右光纤耦合器进行叠加；叠加后的混沌激光信号经右光电探测器转换为电信号；电信号经右模数转换器转换为右随机序列；右存储器对右随机序列进行存储；

d.将左存储器所存储的私钥和右存储器所存储的私钥在公共信道上进行交换并比较选取相同的私钥，然后将相同的私钥所对应的左随机序列、右随机序列分别作为左一致密钥、右一致密钥。

一种安全高速的密钥分发系统，包括宽带类噪声驱动源、1×2主光纤耦合器、N-1个1×2左光纤耦合器、N-1个1×2右光纤耦合器、N个左滤波选频器、N个右滤波选频器、N个左光反馈混沌半导体激光器、N个右光反馈混沌半导体激光器、左电光调制系统、右电光调制系统、左存储信道、右存储信道、N-1个2×1左光纤耦合器、N-1个2×1右光纤耦合器、左光电探测器、右光电探测器、左模数转换器、右模数转换器、左存储器、右存储器、公共信道；N为正整数，且N≥3；

其中，宽带类噪声驱动源的输出端与1×2主光纤耦合器的输入端连接；1×2主光纤耦合器的两个输出端分别与第1个1×2左光纤耦合器的输入端和第1个1×2右光纤耦合器的输入端连接；

第i个1×2左光纤耦合器的两个输出端分别与第i个左滤波选频器的输入端和第i+1个1×2左光纤耦合器的输入端连接；i为正整数，且1≤i≤N-2；第N-1个1×2左光纤耦合器的两个输出端分别与第N-1个左滤波选频器的输入端和第N个左滤波选频器的输入端连接；第j个左滤波选频器的输出端与第j个左光反馈混沌半导体激光器的输入端连接；j为正整数，且1≤j≤N；第1个左光反馈混沌半导体激光器的输出端与左电光调制系统的输入端连接；第k个左光反馈混沌半导体激光器的输出端和第k+1个2×1左光纤耦合器的输出端分别与第k个2×1左光纤耦合器的两个输入端连接；k为正整数；当N=3时，k的值不存在；当N≥4时，2≤k≤N-2；第N-1个左光反馈混沌半导体激光器的输出端和第N个左光反馈混沌半导体激光器的输出端分别与第N-1个2×1左光纤耦合器的两个输入端连接；左电光调制系统的输出端和第2个2×1左光纤耦合器的输出端分别与第1个2×1左光纤耦合器的两个输入端连接；左电光调制系统的输出端通过左存储信道与左存储器的输入端连接；第1个2×1左光纤耦合器的输出端与左光电探测器的输入端连接；左光电探测器的输出端与左模数转换器的输入端连接；左模数转换器的输出端与左存储器的输入端连接；

第i个1×2右光纤耦合器的两个输出端分别与第i个右滤波选频器的输入端和第i+1个1×2右光纤耦合器的输入端连接；i为正整数，且1≤i≤N-2；第N-1个1×2右光纤耦合器的两个输出端分别与第N-1个右滤波选频器的输入端和第N个右滤波选频器的输入端连接；第j个右滤波选频器的输出端与第j个右光反馈混沌半导体激光器的输入端连接；j为正整数，且1≤j≤N；第1个右光反馈混沌半导体激光器的输出端与右电光调制系统的输入端连接；第k个右光反馈混沌半导体激光器的输出端和第k+1个2×1右光纤耦合器的输出端分别与第k个2×1右光纤耦合器的两个输入端连接；k为正整数；当N=3时，k的值不存在；当N≥4时，2≤k≤N-2；第N-1个右光反馈混沌半导体激光器的输出端和第N个右光反馈混沌半导体激光器的输出端分别与第N-1个2×1右光纤耦合器的两个输入端连接；右电光调制系统的输出端和第2个2×1右光纤耦合器的输出端分别与第1个2×1右光纤耦合器的两个输入端连接；右电光调制系统的输出端通过右存储信道与右存储器的输入端连接；第1个2×1右光纤耦合器的输出端与右光电探测器的输入端连接；右光电探测器的输出端与右模数转换器的输入端连接；右模数转换器的输出端与右存储器的输入端连接；

左存储器和右存储器之间通过公共信道连接。

一种安全高速的密钥分发方法（该方法在本发明所述的一种安全高速的密钥分发系统中实现），该方法是采用如下步骤实现的：

a.宽带类噪声驱动源输出的信号经1×2主光纤耦合器平均分成两路信号；两路信号再分别经第1个1×2左光纤耦合器~第N-1个1×2左光纤耦合器、第1个1×2右光纤耦合器~第N-1个右光纤耦合器平均分成2N路信号；

b.2N路信号分别经第1个左滤波选频器~第N个左滤波选频器、第1个右滤波选频器~第N个右滤波选频器进行滤波选频，然后分别驱动第1个左光反馈混沌半导体激光器~第N个左光反馈混沌半导体激光器、第1个右光反馈混沌半导体激光器~第N个右光反馈混沌半导体激光器，使得第1个左光反馈混沌半导体激光器~第N个左光反馈混沌半导体激光器、第1个右光反馈混沌半导体激光器~第N个右光反馈混沌半导体激光器分别输出混沌激光信号；

c.第1个左光反馈混沌半导体激光器输出的混沌激光信号、第1个右光反馈混沌半导体激光器输出的混沌激光信号分别进入左电光调制系统、右电光调制系统；左电光调制系统、右电光调制系统分别利用私钥对第1个左光反馈混沌半导体激光器输出的混沌激光信号、第1个右光反馈混沌半导体激光器输出的混沌激光信号进行随机开关调制，且左电光调制系统所利用的私钥和右电光调制系统所利用的私钥之间无相关性；

左电光调制系统、右电光调制系统分别通过左存储信道、右存储信道将各自所利用的私钥发送至左存储器、右存储器；左存储器、右存储器分别对左电光调制系统所利用的私钥、右电光调制系统所利用的私钥进行存储；

第2个左光反馈混沌半导体激光器~第N个左光反馈混沌半导体激光器输出的混沌激光信号、第2个右光反馈混沌半导体激光器~第N个右光反馈混沌半导体激光器输出的混沌激光信号分别经第2个2×1左光纤耦合器~第N-1个2×1左光纤耦合器、第2个2×1右光纤耦合器~第N-1个2×1右光纤耦合器进行叠加；

左电光调制系统输出的混沌激光信号和第2个左光反馈混沌半导体激光器输出的混沌激光信号经2×1左光纤耦合器进行叠加；叠加后的混沌激光信号经左光电探测器转换为电信号；电信号经左模数转换器转换为左随机序列；左存储器对左随机序列进行存储；

右电光调制系统输出的混沌激光信号和第2个右光反馈混沌半导体激光器输出的混沌激光信号经2×1右光纤耦合器进行叠加；叠加后的混沌激光信号经右光电探测器转换为电信号；电信号经右模数转换器转换为右随机序列；右存储器对右随机序列进行存储；

d.将左存储器所存储的私钥和右存储器所存储的私钥在公共信道上进行交换并比较选取相同的私钥，然后将相同的私钥所对应的左随机序列、右随机序列分别作为左一致密钥、右一致密钥。

与现有密钥分发技术相比，本发明所述的一种安全高速的密钥分发系统及方法具有如下优点：一、本发明所述的一种安全高速的密钥分发系统及方法通过利用宽带类噪声驱动源信号带宽宽的特点，使得窃听者无法完全观测其快速的时域变化而无法重构出该驱动信号，由此使得窃听者无法通过再次注入光反馈混沌半导体激光器获得与通信双方一致的信号输出，从而有效增强了密钥分发的安全性。进一步地，本发明所述的一种安全高速的密钥分发系统及方法通过利用两路（及两路以上）混沌激光信号叠加产生随机序列，有效增加了密钥源的复杂性，由此进一步增强了密钥分发的安全性。此外，本发明所述的一种安全高速的密钥分发系统及方法通过利用私钥进行随机开关调制，一方面使得窃听者获取的私钥信息有限，另一方面使得私钥信息可在任意时刻交换，由此使得窃听者无法获得与随机序列完全对应的私钥信息，从而更进一步增强了密钥分发的安全性。二、本发明所述的一种安全高速的密钥分发系统及方法一方面通过利用私钥进行随机开关调制，另一方面通过利用两路（及两路以上）混沌激光信号叠加产生随机序列，实现了通过比较私钥信息提取一致的密钥，由此有效避免了混沌同步恢复时间的限制，并充分利用了混沌激光信号的带宽优势，从而大幅提高了密钥分发速率。综上所述，本发明所述的一种安全高速的密钥分发系统及方法有效解决了现有密钥分发技术安全性差、密钥分发速率慢的问题，为绝对安全的保密通信提供了一种安全高速的密钥分发方案。

本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有密钥分发技术安全性差、密钥分发速率慢的问题，适用于保密通信。

附图说明

图1是本发明的第一种结构示意图。

图2是本发明的第二种结构示意图。

具体实施方式

实施例一

一种安全高速的密钥分发系统，包括宽带类噪声驱动源1、1×2主光纤耦合器2、1×2左光纤耦合器3a1、1×2右光纤耦合器3b1、2个左滤波选频器、2个右滤波选频器、2个左光反馈混沌半导体激光器、2个右光反馈混沌半导体激光器、左电光调制系统6a1、右电光调制系统6b1、左存储信道7a1、右存储信道7b1、2×1左光纤耦合器8a1、2×1右光纤耦合器8b1、左光电探测器9a1、右光电探测器9b1、左模数转换器10a1、右模数转换器10b1、左存储器11a1、右存储器11b1、公共信道12；

其中，宽带类噪声驱动源1的输出端与1×2主光纤耦合器2的输入端连接；1×2主光纤耦合器2的两个输出端分别与1×2左光纤耦合器3a1的输入端和1×2右光纤耦合器3b1的输入端连接；

1×2左光纤耦合器3a1的两个输出端分别与第1个左滤波选频器4a1的输入端和第2个左滤波选频器4a2的输入端连接；第1个左滤波选频器4a1的输出端与第1个左光反馈混沌半导体激光器5a1的输入端连接；第2个左滤波选频器4a2的输出端与第2个左光反馈混沌半导体激光器5a2的输入端连接；第1个左光反馈混沌半导体激光器5a1的输出端与左电光调制系统6a1的输入端连接；第2个左光反馈混沌半导体激光器5a2的输出端和左电光调制系统6a1的输出端分别与2×1左光纤耦合器8a1的两个输入端连接；左电光调制系统6a1的输出端通过左存储信道7a1与左存储器11a1的输入端连接；2×1左光纤耦合器8a1的输出端与左光电探测器9a1的输入端连接；左光电探测器9a1的输出端与左模数转换器10a1的输入端连接；左模数转换器10a1的输出端与左存储器11a1的输入端连接；

1×2右光纤耦合器3b1的两个输出端分别与第1个右滤波选频器4b1的输入端和第2个右滤波选频器4b2的输入端连接；第1个右滤波选频器4b1的输出端与第1个右光反馈混沌半导体激光器5b1的输入端连接；第2个右滤波选频器4b2的输出端与第2个右光反馈混沌半导体激光器5b2的输入端连接；第1个右光反馈混沌半导体激光器5b1的输出端与右电光调制系统6b1的输入端连接；第2个右光反馈混沌半导体激光器5b2的输出端和右电光调制系统6b1的输出端分别与2×1右光纤耦合器8b1的两个输入端连接；右电光调制系统6b1的输出端通过右存储信道7b1与右存储器11b1的输入端连接；2×1右光纤耦合器8b1的输出端与右光电探测器9b1的输入端连接；右光电探测器9b1的输出端与右模数转换器10b1的输入端连接；右模数转换器10b1的输出端与右存储器11b1的输入端连接；

左存储器11a1和右存储器11b1之间通过公共信道12连接。

一种安全高速的密钥分发方法（该方法在本发明所述的一种安全高速的密钥分发系统中实现），该方法是采用如下步骤实现的：

a.宽带类噪声驱动源1输出的信号经1×2主光纤耦合器2平均分成两路信号；两路信号再分别经1×2左光纤耦合器3a1、1×2右光纤耦合器3b1平均分成四路信号；

b.四路信号分别经第1个左滤波选频器4a1、第2个左滤波选频器4a2、第1个右滤波选频器4b1、第2个右滤波选频器4b2进行滤波选频，然后分别驱动第1个左光反馈混沌半导体激光器5a1、第2个左光反馈混沌半导体激光器5a2、第1个右光反馈混沌半导体激光器5b1、第2个右光反馈混沌半导体激光器5b2，使得第1个左光反馈混沌半导体激光器5a1、第2个左光反馈混沌半导体激光器5a2、第1个右光反馈混沌半导体激光器5b1、第2个右光反馈混沌半导体激光器5b2分别输出混沌激光信号；

c.第1个左光反馈混沌半导体激光器5a1输出的混沌激光信号、第1个右光反馈混沌半导体激光器5b1输出的混沌激光信号分别进入左电光调制系统6a1、右电光调制系统6b1；左电光调制系统6a1、右电光调制系统6b1分别利用私钥对第1个左光反馈混沌半导体激光器5a1输出的混沌激光信号、第1个右光反馈混沌半导体激光器5b1输出的混沌激光信号进行随机开关调制，且左电光调制系统6a1所利用的私钥和右电光调制系统6b1所利用的私钥之间无相关性；

左电光调制系统6a1、右电光调制系统6b1分别通过左存储信道7a1、右存储信道7b1将各自所利用的私钥发送至左存储器11a1、右存储器11b1；左存储器11a1、右存储器11b1分别对左电光调制系统6a1所利用的私钥、右电光调制系统6b1所利用的私钥进行存储；

左电光调制系统6a1输出的混沌激光信号和第2个左光反馈混沌半导体激光器5a2输出的混沌激光信号经2×1左光纤耦合器8a1进行叠加；叠加后的混沌激光信号经左光电探测器9a1转换为电信号；电信号经左模数转换器10a1转换为左随机序列；左存储器11a1对左随机序列进行存储；

右电光调制系统6b1输出的混沌激光信号和第2个右光反馈混沌半导体激光器5b2输出的混沌激光信号经2×1右光纤耦合器8b1进行叠加；叠加后的混沌激光信号经右光电探测器9b1转换为电信号；电信号经右模数转换器10b1转换为右随机序列；右存储器11b1对右随机序列进行存储；

d.将左存储器11a1所存储的私钥和右存储器11b1所存储的私钥在公共信道12上进行交换并比较选取相同的私钥，然后将相同的私钥所对应的左随机序列、右随机序列分别作为左一致密钥13a1、右一致密钥13b1。

具体实施时，宽带类噪声驱动源1采用超辐射发光二极管或自发辐射噪声源，其光谱范围为1525~1610nm。1×2主光纤耦合器2的耦合比、1×2左光纤耦合器3a1的耦合比、1×2右光纤耦合器3b1的耦合比、2×1左光纤耦合器8a1的耦合比、2×1右光纤耦合器8b1的耦合比均为50：50。第1个左滤波选频器4a1的滤波范围和第1个右滤波选频器4b1的滤波范围相同。第2个左滤波选频器4a2的滤波范围和第2个右滤波选频器4b2的滤波范围相同。第1个左光反馈混沌半导体激光器5a1、第2个左光反馈混沌半导体激光器5a2、第1个右光反馈混沌半导体激光器5b1、第2个右光反馈混沌半导体激光器5b2均采用镜面反馈半导体激光器或光栅反馈半导体激光器或光注入加光反馈半导体激光器。第1个左光反馈混沌半导体激光器5a1和第1个右光反馈混沌半导体激光器5b1采用相同的参数及结构。第2个左光反馈混沌半导体激光器5a2和第2个右光反馈混沌半导体激光器5b2采用相同的参数及结构。

实施例二

一种安全高速的密钥分发系统，包括宽带类噪声驱动源1、1×2主光纤耦合器2、N-1个1×2左光纤耦合器、N-1个1×2右光纤耦合器、N个左滤波选频器、N个右滤波选频器、N个左光反馈混沌半导体激光器、N个右光反馈混沌半导体激光器、左电光调制系统6a1、右电光调制系统6b1、左存储信道7a1、右存储信道7b1、N-1个2×1左光纤耦合器、N-1个2×1右光纤耦合器、左光电探测器9a1、右光电探测器9b1、左模数转换器10a1、右模数转换器10b1、左存储器11a1、右存储器11b1、公共信道12；N为正整数，且N≥3；

其中，宽带类噪声驱动源1的输出端与1×2主光纤耦合器2的输入端连接；1×2主光纤耦合器2的两个输出端分别与第1个1×2左光纤耦合器3a1的输入端和第1个1×2右光纤耦合器3b1的输入端连接；

第i个1×2左光纤耦合器3ai的两个输出端分别与第i个左滤波选频器4ai的输入端和第i+1个1×2左光纤耦合器3ai+1的输入端连接；i为正整数，且1≤i≤N-2；第N-1个1×2左光纤耦合器3aN-1的两个输出端分别与第N-1个左滤波选频器4aN-1的输入端和第N个左滤波选频器4aN的输入端连接；第j个左滤波选频器4aj的输出端与第j个左光反馈混沌半导体激光器5aj的输入端连接；j为正整数，且1≤j≤N；第1个左光反馈混沌半导体激光器5a1的输出端与左电光调制系统6a1的输入端连接；第k个左光反馈混沌半导体激光器5ak的输出端和第k+1个2×1左光纤耦合器8ak+1的输出端分别与第k个2×1左光纤耦合器8ak的两个输入端连接；k为正整数；当N=3时，k的值不存在；当N≥4时，2≤k≤N-2；第N-1个左光反馈混沌半导体激光器5aN-1的输出端和第N个左光反馈混沌半导体激光器5aN的输出端分别与第N-1个2×1左光纤耦合器8aN-1的两个输入端连接；左电光调制系统6a1的输出端和第2个2×1左光纤耦合器8a2的输出端分别与第1个2×1左光纤耦合器8a1的两个输入端连接；左电光调制系统6a1的输出端通过左存储信道7a1与左存储器11a1的输入端连接；第1个2×1左光纤耦合器8a1的输出端与左光电探测器9a1的输入端连接；左光电探测器9a1的输出端与左模数转换器10a1的输入端连接；左模数转换器10a1的输出端与左存储器11a1的输入端连接；

第i个1×2右光纤耦合器3bi的两个输出端分别与第i个右滤波选频器4bi的输入端和第i+1个1×2右光纤耦合器3bi+1的输入端连接；i为正整数，且1≤i≤N-2；第N-1个1×2右光纤耦合器3bN-1的两个输出端分别与第N-1个右滤波选频器4bN-1的输入端和第N个右滤波选频器4bN的输入端连接；第j个右滤波选频器4bj的输出端与第j个右光反馈混沌半导体激光器5bj的输入端连接；j为正整数，且1≤j≤N；第1个右光反馈混沌半导体激光器5b1的输出端与右电光调制系统6b1的输入端连接；第k个右光反馈混沌半导体激光器5bk的输出端和第k+1个2×1右光纤耦合器8bk+1的输出端分别与第k个2×1右光纤耦合器8bk的两个输入端连接；k为正整数；当N=3时，k的值不存在；当N≥4时，2≤k≤N-2；第N-1个右光反馈混沌半导体激光器5bN-1的输出端和第N个右光反馈混沌半导体激光器5bN的输出端分别与第N-1个2×1右光纤耦合器8bN-1的两个输入端连接；右电光调制系统6b1的输出端和第2个2×1右光纤耦合器8b2的输出端分别与第1个2×1右光纤耦合器8b1的两个输入端连接；右电光调制系统6b1的输出端通过右存储信道7b1与右存储器11b1的输入端连接；第1个2×1右光纤耦合器8b1的输出端与右光电探测器9b1的输入端连接；右光电探测器9b1的输出端与右模数转换器10b1的输入端连接；右模数转换器10b1的输出端与右存储器11b1的输入端连接；

左存储器11a1和右存储器11b1之间通过公共信道12连接。

一种安全高速的密钥分发方法（该方法在本发明所述的一种安全高速的密钥分发系统中实现），该方法是采用如下步骤实现的：

a.宽带类噪声驱动源1输出的信号经1×2主光纤耦合器2平均分成两路信号；两路信号再分别经第1个1×2左光纤耦合器3a1~第N-1个1×2左光纤耦合器3aN-1、第1个1×2右光纤耦合器3b1~第N-1个右光纤耦合器3bN-1平均分成2N路信号；

b.2N路信号分别经第1个左滤波选频器4a1~第N个左滤波选频器4aN、第1个右滤波选频器4b1~第N个右滤波选频器4bN进行滤波选频，然后分别驱动第1个左光反馈混沌半导体激光器5a1~第N个左光反馈混沌半导体激光器5aN、第1个右光反馈混沌半导体激光器5b1~第N个右光反馈混沌半导体激光器5bN，使得第1个左光反馈混沌半导体激光器5a1~第N个左光反馈混沌半导体激光器5aN、第1个右光反馈混沌半导体激光器5b1~第N个右光反馈混沌半导体激光器5bN分别输出混沌激光信号；

c.第1个左光反馈混沌半导体激光器5a1输出的混沌激光信号、第1个右光反馈混沌半导体激光器5b1输出的混沌激光信号分别进入左电光调制系统6a1、右电光调制系统6b1；左电光调制系统6a1、右电光调制系统6b1分别利用私钥对第1个左光反馈混沌半导体激光器5a1输出的混沌激光信号、第1个右光反馈混沌半导体激光器5b1输出的混沌激光信号进行随机开关调制，且左电光调制系统6a1所利用的私钥和右电光调制系统6b1所利用的私钥之间无相关性；

左电光调制系统6a1、右电光调制系统6b1分别通过左存储信道7a1、右存储信道7b1将各自所利用的私钥发送至左存储器11a1、右存储器11b1；左存储器11a1、右存储器11b1分别对左电光调制系统6a1所利用的私钥、右电光调制系统6b1所利用的私钥进行存储；

第2个左光反馈混沌半导体激光器5a2~第N个左光反馈混沌半导体激光器5aN输出的混沌激光信号、第2个右光反馈混沌半导体激光器5b2~第N个右光反馈混沌半导体激光器5bN输出的混沌激光信号分别经第2个2×1左光纤耦合器8a2~第N-1个2×1左光纤耦合器8aN-1、第2个2×1右光纤耦合器8b2~第N-1个2×1右光纤耦合器8bN-1进行叠加；

左电光调制系统6a1输出的混沌激光信号和第2个左光反馈混沌半导体激光器5a2输出的混沌激光信号经2×1左光纤耦合器8a1进行叠加；叠加后的混沌激光信号经左光电探测器9a1转换为电信号；电信号经左模数转换器10a1转换为左随机序列；左存储器11a1对左随机序列进行存储；

右电光调制系统6b1输出的混沌激光信号和第2个右光反馈混沌半导体激光器5b2输出的混沌激光信号经2×1右光纤耦合器8b1进行叠加；叠加后的混沌激光信号经右光电探测器9b1转换为电信号；电信号经右模数转换器10b1转换为右随机序列；右存储器11b1对右随机序列进行存储；

d.将左存储器11a1所存储的私钥和右存储器11b1所存储的私钥在公共信道12上进行交换并比较选取相同的私钥，然后将相同的私钥所对应的左随机序列、右随机序列分别作为左一致密钥13a1、右一致密钥13b1。

具体实施时，宽带类噪声驱动源1采用超辐射发光二极管或自发辐射噪声源，其光谱范围为1525~1610nm。1×2主光纤耦合器2的耦合比、第1个1×2左光纤耦合器3a1~第N-1个1×2左光纤耦合器3aN-1的耦合比、第1个1×2右光纤耦合器3b1~第N-1个1×2右光纤耦合器3bN-1的耦合比、第1个2×1左光纤耦合器8a1~第N-1个2×1左光纤耦合器8aN-1的耦合比、第1个2×1右光纤耦合器8b1~第N-1个2×1右光纤耦合器8bN-1的耦合比均为50：50。第j个左滤波选频器4aj的滤波范围和第j个右滤波选频器4bj的滤波范围相同。第1个左光反馈混沌半导体激光器5a1~第N个左光反馈混沌半导体激光器5aN、第1个右光反馈混沌半导体激光器5b1~第N个右光反馈混沌半导体激光器5bN均采用镜面反馈半导体激光器或光栅反馈半导体激光器或光注入加光反馈半导体激光器。第j个左光反馈混沌半导体激光器5aj和第j个右光反馈混沌半导体激光器5bj采用相同的参数及结构。

Claims (4)

1.一种安全高速的密钥分发系统，其特征在于：包括宽带类噪声驱动源（1）、1×2主光纤耦合器（2）、1×2左光纤耦合器（3a1）、1×2右光纤耦合器（3b1）、2个左滤波选频器、2个右滤波选频器、2个左光反馈混沌半导体激光器、2个右光反馈混沌半导体激光器、左电光调制系统（6a1）、右电光调制系统（6b1）、左存储信道（7a1）、右存储信道（7b1）、2×1左光纤耦合器（8a1）、2×1右光纤耦合器（8b1）、左光电探测器（9a1）、右光电探测器（9b1）、左模数转换器（10a1）、右模数转换器（10b1）、左存储器（11a1）、右存储器（11b1）、公共信道（12）；

其中，宽带类噪声驱动源（1）的输出端与1×2主光纤耦合器（2）的输入端连接；1×2主光纤耦合器（2）的两个输出端分别与1×2左光纤耦合器（3a1）的输入端和1×2右光纤耦合器（3b1）的输入端连接；

1×2左光纤耦合器（3a1）的两个输出端分别与第1个左滤波选频器（4a1）的输入端和第2个左滤波选频器（4a2）的输入端连接；第1个左滤波选频器（4a1）的输出端与第1个左光反馈混沌半导体激光器（5a1）的输入端连接；第2个左滤波选频器（4a2）的输出端与第2个左光反馈混沌半导体激光器（5a2）的输入端连接；第1个左光反馈混沌半导体激光器（5a1）的输出端与左电光调制系统（6a1）的输入端连接；第2个左光反馈混沌半导体激光器（5a2）的输出端和左电光调制系统（6a1）的输出端分别与2×1左光纤耦合器（8a1）的两个输入端连接；左电光调制系统（6a1）的输出端通过左存储信道（7a1）与左存储器（11a1）的输入端连接；2×1左光纤耦合器（8a1）的输出端与左光电探测器（9a1）的输入端连接；左光电探测器（9a1）的输出端与左模数转换器（10a1）的输入端连接；左模数转换器（10a1）的输出端与左存储器（11a1）的输入端连接；

1×2右光纤耦合器（3b1）的两个输出端分别与第1个右滤波选频器（4b1）的输入端和第2个右滤波选频器（4b2）的输入端连接；第1个右滤波选频器（4b1）的输出端与第1个右光反馈混沌半导体激光器（5b1）的输入端连接；第2个右滤波选频器（4b2）的输出端与第2个右光反馈混沌半导体激光器（5b2）的输入端连接；第1个右光反馈混沌半导体激光器（5b1）的输出端与右电光调制系统（6b1）的输入端连接；第2个右光反馈混沌半导体激光器（5b2）的输出端和右电光调制系统（6b1）的输出端分别与2×1右光纤耦合器（8b1）的两个输入端连接；右电光调制系统（6b1）的输出端通过右存储信道（7b1）与右存储器（11b1）的输入端连接；2×1右光纤耦合器（8b1）的输出端与右光电探测器（9b1）的输入端连接；右光电探测器（9b1）的输出端与右模数转换器（10b1）的输入端连接；右模数转换器（10b1）的输出端与右存储器（11b1）的输入端连接；

左存储器（11a1）和右存储器（11b1）之间通过公共信道（12）连接。

2.一种安全高速的密钥分发方法，该方法在如权利要求1所述的一种安全高速的密钥分发系统中实现，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：

a.宽带类噪声驱动源（1）输出的信号经1×2主光纤耦合器（2）平均分成两路信号；两路信号再分别经1×2左光纤耦合器（3a1）、1×2右光纤耦合器（3b1）平均分成四路信号；

b.四路信号分别经第1个左滤波选频器（4a1）、第2个左滤波选频器（4a2）、第1个右滤波选频器（4b1）、第2个右滤波选频器（4b2）进行滤波选频，然后分别驱动第1个左光反馈混沌半导体激光器（5a1）、第2个左光反馈混沌半导体激光器（5a2）、第1个右光反馈混沌半导体激光器（5b1）、第2个右光反馈混沌半导体激光器（5b2），使得第1个左光反馈混沌半导体激光器（5a1）、第2个左光反馈混沌半导体激光器（5a2）、第1个右光反馈混沌半导体激光器（5b1）、第2个右光反馈混沌半导体激光器（5b2）分别输出混沌激光信号；

c.第1个左光反馈混沌半导体激光器（5a1）输出的混沌激光信号、第1个右光反馈混沌半导体激光器（5b1）输出的混沌激光信号分别进入左电光调制系统（6a1）、右电光调制系统（6b1）；左电光调制系统（6a1）、右电光调制系统（6b1）分别利用私钥对第1个左光反馈混沌半导体激光器（5a1）输出的混沌激光信号、第1个右光反馈混沌半导体激光器（5b1）输出的混沌激光信号进行随机开关调制，且左电光调制系统（6a1）所利用的私钥和右电光调制系统（6b1）所利用的私钥之间无相关性；

左电光调制系统（6a1）、右电光调制系统（6b1）分别通过左存储信道（7a1）、右存储信道（7b1）将各自所利用的私钥发送至左存储器（11a1）、右存储器（11b1）；左存储器（11a1）、右存储器（11b1）分别对左电光调制系统（6a1）所利用的私钥、右电光调制系统（6b1）所利用的私钥进行存储；

左电光调制系统（6a1）输出的混沌激光信号和第2个左光反馈混沌半导体激光器（5a2）输出的混沌激光信号经2×1左光纤耦合器（8a1）进行叠加；叠加后的混沌激光信号经左光电探测器（9a1）转换为电信号；电信号经左模数转换器（10a1）转换为左随机序列；左存储器（11a1）对左随机序列进行存储；

右电光调制系统（6b1）输出的混沌激光信号和第2个右光反馈混沌半导体激光器（5b2）输出的混沌激光信号经2×1右光纤耦合器（8b1）进行叠加；叠加后的混沌激光信号经右光电探测器（9b1）转换为电信号；电信号经右模数转换器（10b1）转换为右随机序列；右存储器（11b1）对右随机序列进行存储；

d.将左存储器（11a1）所存储的私钥和右存储器（11b1）所存储的私钥在公共信道（12）上进行交换并比较选取相同的私钥，然后将相同的私钥所对应的左随机序列、右随机序列分别作为左一致密钥（13a1）、右一致密钥（13b1）。

3.一种安全高速的密钥分发系统，其特征在于：包括宽带类噪声驱动源（1）、1×2主光纤耦合器（2）、N-1个1×2左光纤耦合器、N-1个1×2右光纤耦合器、N个左滤波选频器、N个右滤波选频器、N个左光反馈混沌半导体激光器、N个右光反馈混沌半导体激光器、左电光调制系统（6a1）、右电光调制系统（6b1）、左存储信道（7a1）、右存储信道（7b1）、N-1个2×1左光纤耦合器、N-1个2×1右光纤耦合器、左光电探测器（9a1）、右光电探测器（9b1）、左模数转换器（10a1）、右模数转换器（10b1）、左存储器（11a1）、右存储器（11b1）、公共信道（12）；N为正整数，且N≥3；

其中，宽带类噪声驱动源（1）的输出端与1×2主光纤耦合器（2）的输入端连接；1×2主光纤耦合器（2）的两个输出端分别与第1个1×2左光纤耦合器（3a1）的输入端和第1个1×2右光纤耦合器（3b1）的输入端连接；

第i个1×2左光纤耦合器（3ai）的两个输出端分别与第i个左滤波选频器（4ai）的输入端和第i+1个1×2左光纤耦合器（3ai+1）的输入端连接；i为正整数，且1≤i≤N-2；第N-1个1×2左光纤耦合器（3aN-1）的两个输出端分别与第N-1个左滤波选频器（4aN-1）的输入端和第N个左滤波选频器（4aN）的输入端连接；第j个左滤波选频器（4aj）的输出端与第j个左光反馈混沌半导体激光器（5aj）的输入端连接；j为正整数，且1≤j≤N；第1个左光反馈混沌半导体激光器（5a1）的输出端与左电光调制系统（6a1）的输入端连接；第k个左光反馈混沌半导体激光器（5ak）的输出端和第k+1个2×1左光纤耦合器（8ak+1）的输出端分别与第k个2×1左光纤耦合器（8ak）的两个输入端连接；k为正整数；当N=3时，k的值不存在；当N≥4时，2≤k≤N-2；第N-1个左光反馈混沌半导体激光器（5aN-1）的输出端和第N个左光反馈混沌半导体激光器（5aN）的输出端分别与第N-1个2×1左光纤耦合器（8aN-1）的两个输入端连接；左电光调制系统（6a1）的输出端和第2个2×1左光纤耦合器（8a2）的输出端分别与第1个2×1左光纤耦合器（8a1）的两个输入端连接；左电光调制系统（6a1）的输出端通过左存储信道（7a1）与左存储器（11a1）的输入端连接；第1个2×1左光纤耦合器（8a1）的输出端与左光电探测器（9a1）的输入端连接；左光电探测器（9a1）的输出端与左模数转换器（10a1）的输入端连接；左模数转换器（10a1）的输出端与左存储器（11a1）的输入端连接；

第i个1×2右光纤耦合器（3bi）的两个输出端分别与第i个右滤波选频器（4bi）的输入端和第i+1个1×2右光纤耦合器（3bi+1）的输入端连接；i为正整数，且1≤i≤N-2；第N-1个1×2右光纤耦合器（3bN-1）的两个输出端分别与第N-1个右滤波选频器（4bN-1）的输入端和第N个右滤波选频器（4bN）的输入端连接；第j个右滤波选频器（4bj）的输出端与第j个右光反馈混沌半导体激光器（5bj）的输入端连接；j为正整数，且1≤j≤N；第1个右光反馈混沌半导体激光器（5b1）的输出端与右电光调制系统（6b1）的输入端连接；第k个右光反馈混沌半导体激光器（5bk）的输出端和第k+1个2×1右光纤耦合器（8bk+1）的输出端分别与第k个2×1右光纤耦合器（8bk）的两个输入端连接；k为正整数；当N=3时，k的值不存在；当N≥4时，2≤k≤N-2；第N-1个右光反馈混沌半导体激光器（5bN-1）的输出端和第N个右光反馈混沌半导体激光器（5bN）的输出端分别与第N-1个2×1右光纤耦合器（8bN-1）的两个输入端连接；右电光调制系统（6b1）的输出端和第2个2×1右光纤耦合器（8b2）的输出端分别与第1个2×1右光纤耦合器（8b1）的两个输入端连接；右电光调制系统（6b1）的输出端通过右存储信道（7b1）与右存储器（11b1）的输入端连接；第1个2×1右光纤耦合器（8b1）的输出端与右光电探测器（9b1）的输入端连接；右光电探测器（9b1）的输出端与右模数转换器（10b1）的输入端连接；右模数转换器（10b1）的输出端与右存储器（11b1）的输入端连接；

左存储器（11a1）和右存储器（11b1）之间通过公共信道（12）连接。

4.一种安全高速的密钥分发方法，该方法在如权利要求3所述的一种安全高速的密钥分发系统中实现，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：

a.宽带类噪声驱动源（1）输出的信号经1×2主光纤耦合器（2）平均分成两路信号；两路信号再分别经第1个1×2左光纤耦合器（3a1）~第N-1个1×2左光纤耦合器（3aN-1）、第1个1×2右光纤耦合器（3b1）~第N-1个右光纤耦合器（3bN-1）平均分成2N路信号；

b.2N路信号分别经第1个左滤波选频器（4a1）~第N个左滤波选频器（4aN）、第1个右滤波选频器（4b1）~第N个右滤波选频器（4bN）进行滤波选频，然后分别驱动第1个左光反馈混沌半导体激光器（5a1）~第N个左光反馈混沌半导体激光器（5aN）、第1个右光反馈混沌半导体激光器（5b1）~第N个右光反馈混沌半导体激光器（5bN），使得第1个左光反馈混沌半导体激光器（5a1）~第N个左光反馈混沌半导体激光器（5aN）、第1个右光反馈混沌半导体激光器（5b1）~第N个右光反馈混沌半导体激光器（5bN）分别输出混沌激光信号；

c.第1个左光反馈混沌半导体激光器（5a1）输出的混沌激光信号、第1个右光反馈混沌半导体激光器（5b1）输出的混沌激光信号分别进入左电光调制系统（6a1）、右电光调制系统（6b1）；左电光调制系统（6a1）、右电光调制系统（6b1）分别利用私钥对第1个左光反馈混沌半导体激光器（5a1）输出的混沌激光信号、第1个右光反馈混沌半导体激光器（5b1）输出的混沌激光信号进行随机开关调制，且左电光调制系统（6a1）所利用的私钥和右电光调制系统（6b1）所利用的私钥之间无相关性；

左电光调制系统（6a1）、右电光调制系统（6b1）分别通过左存储信道（7a1）、右存储信道（7b1）将各自所利用的私钥发送至左存储器（11a1）、右存储器（11b1）；左存储器（11a1）、右存储器（11b1）分别对左电光调制系统（6a1）所利用的私钥、右电光调制系统（6b1）所利用的私钥进行存储；

第2个左光反馈混沌半导体激光器（5a2）~第N个左光反馈混沌半导体激光器（5aN）输出的混沌激光信号、第2个右光反馈混沌半导体激光器（5b2）~第N个右光反馈混沌半导体激光器（5bN）输出的混沌激光信号分别经第2个2×1左光纤耦合器（8a2）~第N-1个2×1左光纤耦合器（8aN-1）、第2个2×1右光纤耦合器（8b2）~第N-1个2×1右光纤耦合器（8bN-1）进行叠加；

左电光调制系统（6a1）输出的混沌激光信号和第2个左光反馈混沌半导体激光器（5a2）输出的混沌激光信号经2×1左光纤耦合器（8a1）进行叠加；叠加后的混沌激光信号经左光电探测器（9a1）转换为电信号；电信号经左模数转换器（10a1）转换为左随机序列；左存储器（11a1）对左随机序列进行存储；

右电光调制系统（6b1）输出的混沌激光信号和第2个右光反馈混沌半导体激光器（5b2）输出的混沌激光信号经2×1右光纤耦合器（8b1）进行叠加；叠加后的混沌激光信号经右光电探测器（9b1）转换为电信号；电信号经右模数转换器（10b1）转换为右随机序列；右存储器（11b1）对右随机序列进行存储；

d.将左存储器（11a1）所存储的私钥和右存储器（11b1）所存储的私钥在公共信道（12）上进行交换并比较选取相同的私钥，然后将相同的私钥所对应的左随机序列、右随机序列分别作为左一致密钥（13a1）、右一致密钥（13b1）。