CN107483174A - 安全性增强的混沌保密通信装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种安全性增强的混沌保密通信装置，包括第一半导体激光器1，第一光衰减器2，第一偏振控制器3，第一2×2光纤耦合器4，第二2×2光纤耦合器5，第二偏振控制器6，第二光衰减器7，第二半导体激光器8，第一啁啾光纤光栅9，第二啁啾光纤光栅10，第一激光器驱动电源11，第二激光器驱动电源12，第一光电探测器13，第二光电探测器14，第一数据处理装置15，第三光电探测器16，第四光电探测器17，第二数据处理装置18，时钟19。由于啁啾光纤光栅反馈半导体激光器同步对参数的敏感性，使得窃听者很难通过重构发射机、强注入同步以及信道内双向窃听等方案获得所传输的信息，实现混沌通信保密性的增强。

Description

安全性增强的混沌保密通信装置及方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体是一种基于啁啾光纤光栅反馈半导体激光器同步的安全性增强的混沌保密通信装置及方法。

背景技术

近年来，随着信息产业飞速发展，信息安全问题已经成为全世界人们关注的焦点。对信息加密是防止窃听者窃取信息的有效手段，目前普遍采用的加密技术是公众密钥加密。然而，这种基于复杂计算的加密方式并非完全安全的。2005年，山东大学的王小云教授等先后破译了用于构造公众密钥的MD5系列Hash函数和Hash函数标准SHA-1（AnnualInternational Cryptology Conference, pp. 17-36, 2005）。

半导体激光器产生的混沌信号由于其随机、宽带和大幅度的特性被广泛应用于保密通信中。目前混沌光通信主要采用混沌掩藏（Chaos Masking）、混沌键控（Chaos ShiftKeying）、混沌调制（Chaos Modulation）三种加密方案。然而，这些传统的镜面反馈混沌保密通信方案中存在被破解的风险。其中包括：1、传统混沌通信中的发射机（外腔反馈半导体激光器）产生的混沌激光有弱周期性，其混沌信号时间序列的自相关曲线出现周期分布的相关峰，周期为τ（时延特征）。窃听者利用这种周期性重构发射机，再通过同步解调信息，从而破解混沌保密通信系统（Physics Letters A, vol. 308, pp. 54-60, 2003）。2、传统混沌保密通信中，半导体激光器在强注入的条件下，两激光器即使参数有一定失谐也可以实现同步（IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 38, pp. 1141-1154, 2002）。窃听者可以通过强注入的方式与发射机同步，从而获得信道中传输的信息。

因此，传统的镜面反馈混沌保密通信方案并非彻底安全。

发明内容

本发明为了解决现有混沌保密通信被窃听破解的风险，提供了一种基于啁啾光纤光栅反馈半导体激光器同步的安全性增强的混沌保密通信的装置及方法。由于啁啾光纤光栅反馈半导体激光器同步对参数的敏感性，使得窃听者很难通过重构发射机、强注入同步以及信道内双向窃听等方案获得所传输的信息，实现混沌通信保密性的增强。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于啁啾光纤光栅反馈半导体激光器同步的安全性增强的混沌保密通信装置，包括第一半导体激光器、第一光衰减器、第一偏振控制器、第一2×2光纤耦合器、第二2×2光纤耦合器、第二偏振控制器、第二光衰减器、第二半导体激光器、第一啁啾光纤光栅、第二啁啾光纤光栅、第一激光器驱动电源、第二激光器驱动电源、第一光电探测器、第二光电探测器、第一数据处理装置、第三光电探测器、第四光电探测器、第二数据处理装置、时钟。

其中，第一半导体激光器的输出与第一光衰减器连接；第一光衰减器的输出端与第一偏振控制器连接；第一偏振控制器与第一2×2光纤耦合器的一个输入端连接；第一光电探测器与第一2×2光纤耦合器的另一个输入端连接；第一2×2光纤耦合器的一个输出端与第二2×2光纤耦合器连接，另一端与第二光电探测器连接；第一光电探测器、第二光电探测器的输出端与第一数据处理装置连接；第一啁啾光纤光栅、第一激光器驱动电源与第一半导体激光器连接；第二2×2光纤耦合器的其余端口分别与第二偏振控制器、第三光电探测器、第四光电探测器连接；第二偏振控制器与第二光衰减器连接；第二光衰减器与第二半导体激光器连接；第二啁啾光纤光栅、第二激光器驱动电源与第二半导体激光器连接；第三光电探测器、第四光电探测器连接与第二数据处理装置连接；时钟与第一数据处理装置、第二数据处理装置以及发送信息的信号源连接。

一种安全性增强的混沌保密通信方法（该方法在上述的安全性增强的混沌保密通信装置中实现），该方法是采用如下步骤实现的（以第一半导体激光器和第二半导体激光器分别作为发射机和接收机为例）：

1、调整第一半导体激光器（发射机）与第二半导体激光器（接收机）参数一致，系统实现同步。

（2）、将传输信号加载至作为发射机的激光器驱动电源上；设置基准驱动电流I和失谐驱动电流I±ΔI，则传输信号中“0”和“1”分别对应于基准驱动电流I和失谐驱动电流I±ΔI条件下发射机与接收机的同步系数；

则传输信号中“0”对应于发射机的驱动电流与接收机的驱动电流零失谐状态，此时同步系数a，1≥a>0.9；传输信号中“1”对应于发射机的驱动电流与接收机的驱动电流失谐ΔI状态，此时同步系数b，a>b>0.9；

根据“0”和“1”对应的同步系数设置阈值c=(a+b)/2。

（3）、接收机的信号处理装置（第二数据处理装置）对发射机和接收机的信号进行相关计算，由此对信息进行解码；

具体为，以发射机与接收机的同步性作为信息传输的载体，若其相关性大于等于c，则记录信息“0”；若其相关性小于c，则记录信息“1”；

记录并输出所传输信息。

与现有混沌保密通信方案相比，本发明所述的安全性增强的混沌保密通信装置及方法有以下三点优势：

1、通信中所使用的混沌信号无时延特征。窃听者无法通过统计分析信道中混沌信号的时间序列获得混沌激光器的反馈外腔长度，进而重构混沌激光发射机。

2、窃听者可以通过单向强注入谋个参数相近的半导体激光器使其与发射机同步。本方案并非将信息掩藏在混沌信号中传输，因此窃听者窃听到的仅仅是同步的混沌信号，并无有用信息。

3、窃听者很难通过分析信道中双向的混沌信号解调出所传输的信息。由于啁啾光纤光栅反馈半导体激光器同步对参数极为敏感，很小的电流失谐可以使得系统同步系数快速降低。因此窃听者所监听的双向信道中的混沌信号一直处于同步状态（同步系数大于0.9看作同步），无法得到有用信息。除此之外，很小的电流失谐也不会引起信道中信号的功率的大幅度变化，窃听者无法通过信道中的混沌信号功率变化破解通信系统。

本发明设计合理，有效增加了传统混沌保密通信中的安全性，具有较好的推广应用价值。

附图说明

图1表示本发明安全性增强的混沌保密通信装置的结构示意图。

图2a表示啁啾光纤光栅反馈混沌同步通信系统中通信双方半导体激光器的偏置电流失配条件下同步系数的变化趋势。

图2b表示镜面反馈混沌同步通信系统中通信双方半导体激光器的偏置电流失配条件下同步系数的变化趋势。

图中：1-第一半导体激光器，2-第一光衰减器，3-第一偏振控制器，4-第一2×2光纤耦合器，5-第二2×2光纤耦合器，6-第二偏振控制器，7-第二光衰减器，8-第二半导体激光器，9-第一啁啾光纤光栅，10-第二啁啾光纤光栅，11-第一激光器驱动电源，12-第二激光器驱动电源，13-第一光电探测器，14-第二光电探测器，15-第一数据处理装置，16-第三光电探测器，17-第四光电探测器，18-第二数据处理装置，19-时钟。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种安全性增强的混沌保密通信装置，如图1所示，包括第一半导体激光器1，第一光衰减器2，第一偏振控制器3，第一2×2光纤耦合器4，第二2×2光纤耦合器5，第二偏振控制器6，第二光衰减器7，第二半导体激光器8，第一啁啾光纤光栅9，第二啁啾光纤光栅10，第一激光器驱动电源11，第二激光器驱动电源12，第一光电探测器13，第二光电探测器14，第一数据处理装置15，第三光电探测器16，第四光电探测器17，第二数据处理装置18，时钟19。

其中，第一半导体激光器1的输出与第一光衰减器2连接；第一光衰减器2的输出端与第一偏振控制器3连接；第一偏振控制器3与第一2×2光纤耦合器4的一个输入端连接；第一光电探测器13与第一2×2光纤耦合器4的另一个输入端连接；第一2×2光纤耦合器4的一个输出端与第二2×2光纤耦合器5连接，另一端与第二光电探测器14连接；第一光电探测器13、第二光电探测器14的输出端与第一数据处理装置15连接；第一啁啾光纤光栅9、第一激光器驱动电源11与第一半导体激光器1连接；第二2×2光纤耦合器5的其余端口分别与第二偏振控制器6、第三光电探测器16、第四光电探测器17连接；第二偏振控制器6与第二光衰减器7连接；第二光衰减器7与第二半导体激光器8连接；第二啁啾光纤光栅10、第二激光器驱动电源12与第二半导体激光器8连接；第三光电探测器16、第四光电探测器17连接与第二数据处理装置18连接；时钟19与第一数据处理装置15、第二数据处理装置18以及发送信息的信号源连接。

具体实施时，第一啁啾光纤光栅与第二啁啾光纤光栅参数设置相同，中心波长为1550nm，色散量大于等于5000ps/nm，-3dB带宽为0.03nm~0.8nm，边模抑制比大于20dB。

第一半导体激光器与第二半导体激光器参数一致，中心波长为1550nm的DFB激光器。

第一光衰减器与第二光衰减器参数一致。

第一偏振控制器与第二偏振控制器参数一致。

第一2×2光纤耦合器与第二2×2光纤耦合器参数一致，分光比为50：50。

第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器参数一致，带宽大于等于5GHz。

第一数据处理装置与第二数据处理装置参数一致。

第一激光器驱动电源与第二激光器驱动电源参数一致，调节精度为0.005mA。

上述参数设定后，安全性增强的混沌保密通信装置中通信双方半导体激光器的偏置电流失配条件下同步系数的变化趋势如图2a所示。

图2a和图2b分别为啁啾光纤光栅反馈和镜面反馈混沌同步通信系统中通信双方半导体激光器的偏置电流失配条件下同步系数的变化趋势。当电流失谐在-0.05mA~0.05mA时，图2a中的啁啾光纤光栅反馈混沌同步系数由1降低至0.75，而图2b中的镜面反馈混沌同步系数由1降低至0.86。显然，啁啾光纤光栅反馈混沌同步对参数更为敏感，这也是本方案得以实施的根本原因。

下面以第一半导体激光器和第二半导体激光器分别作为发射机和接收机为例。采用安全性增强的混沌保密通信方法的具体方案如下：

（1）、调整第一半导体激光器（发射机）与第二半导体激光器（接收机）的参数一致，驱动电流均为1.5倍阈值，使得发射机与接收机同步，由图2a可知，此时同步系数a达到0.95以上。

（2）、将传输信号A加载至第一半导体激光器的第一激光器驱动电源上；设置基准驱动电流I和失谐驱动电流I±ΔI，其中，基准驱动电流均为1.5倍阈值，驱动电流失谐ΔI=0.015mA；则传输信号中“0”和“1”分别对应于（加载于）基准驱动电流I和失谐驱动电流I±ΔI条件下发射机与接收机的同步系数；

那么，实际的实验中，传输信号中“0”对应于发射机的驱动电流与接收机的驱动电流零失谐状态，此时同步系数a=0.98；传输信号中“1”对应于发射机的驱动电流与接收机的驱动电流失谐ΔI（0.015mA）状态，此时同步系数b=0.935；

根据“0”和“1”对应的同步系数设置阈值c=(a+b)/2=0.9575。

（3）、接收机的信号处理装置（第二数据处理装置）对发射机和接收机的信号进行相关计算，由此对信息进行解码；

具体为，以发射机与接收机的同步性作为信息传输的载体，统计其相关性是否超过0.9575，若其相关性大于等于0.9575，则记录信息“0”；若其相关性小于0.9575，则记录信息“1”；

记录并输出所传输信息。

反之，第一半导体激光器和第二半导体激光器分别作为接收机和发射机，其原理同上，区别在于由第一数据处理装置进行解码后输出所传输信息。

最后要说明的是，上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，尽管参照本发明实施例进行了详细的说明，本技术领域的普通技术人员也应当理解，在本发明的实质范围内所做的变化，改性，添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种安全性增强的混沌保密通信装置，其特征在于：包括第一半导体激光器（1），第一光衰减器（2），第一偏振控制器（3），第一2×2光纤耦合器（4），第二2×2光纤耦合器（5），第二偏振控制器（6），第二光衰减器（7），第二半导体激光器（8），第一啁啾光纤光栅（9），第二啁啾光纤光栅（10），第一激光器驱动电源（11），第二激光器驱动电源（12），第一光电探测器（13），第二光电探测器（14），第一数据处理装置（15），第三光电探测器（16），第四光电探测器（17），第二数据处理装置（18），时钟（19）；

其中，第一半导体激光器（1）的输出端与第一光衰减器（2）连接；第一光衰减器（2）的输出端与第一偏振控制器（3）连接；第一偏振控制器（3）与第一2×2光纤耦合器（4）的一个输入端连接；第一光电探测器（13）与第一2×2光纤耦合器（4）的另一个输入端连接；第一2×2光纤耦合器（4）的一个输出端与第二2×2光纤耦合器（5）连接、另一端与第二光电探测器（14）连接；第一光电探测器（13）、第二光电探测器（14）的输出端与第一数据处理装置（15）连接；第一啁啾光纤光栅（9）、第一激光器驱动电源（11）与第一半导体激光器（1）连接；第二2×2光纤耦合器（5）的其余端口分别与第二偏振控制器（6）、第三光电探测器（16）、第四光电探测器（17）连接；第二偏振控制器（6）与第二光衰减器（7）连接；第二光衰减器（7）与第二半导体激光器（8）连接；第二啁啾光纤光栅（10）、第二激光器驱动电源（12）与第二半导体激光器（8）连接；第三光电探测器（16）、第四光电探测器（17）连接与第二数据处理装置（18）连接；时钟（19）与第一数据处理装置（15）、第二数据处理装置（18）以及发送信息的信号源连接。

2.根据权利要求1所述的安全性增强的混沌保密通信装置，其特征在于：第一啁啾光纤光栅（9）与第二啁啾光纤光栅（10）的参数设置相同，中心波长为1550nm，色散量大于等于5000ps/nm，-3dB带宽为0.03nm - 0.8nm，边模抑制比大于20dB；

第一半导体激光器（1）与第二半导体激光器（8）的参数一致，中心波长为1550nm的DFB激光器；

第一光衰减器（2）与第二光衰减器（7）的参数一致；

第一偏振控制器（3）与第二偏振控制器（6）的参数一致；

第一2×2光纤耦合器（4）与第二2×2光纤耦合器（5）的参数一致，分光比为50：50；

第一光电探测器（13）、第二光电探测器（14）、第三光电探测器（16）、第四光电探测器（17）的参数一致，带宽大于等于5GHz；

第一数据处理装置（15）与第二数据处理装置（18）参数一致；

第一激光器驱动电源（11）与第二激光器驱动电源（12）参数一致，调节精度为0.005mA。

3.一种安全性增强的混沌保密通信方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）、调整混沌保密通信装置中对应元件的参数一致，系统实现同步；其中，第一半导体激光器作为发射机或者接收机，第二半导体激光器作为接收机或者发射机；

（2）、将传输信号加载至作为发射机的激光器驱动电源上；设置基准驱动电流I和失谐驱动电流I±ΔI，则传输信号中“0”和“1”分别对应于基准驱动电流I和失谐驱动电流I±ΔI条件下发射机与接收机的同步系数；

则传输信号中“0”对应于发射机的驱动电流与接收机的驱动电流零失谐状态，此时同步系数a，1≥a>0.9；传输信号中“1”对应于发射机的驱动电流与接收机的驱动电流失谐ΔI状态，此时同步系数b，a>b>0.9；

根据“0”和“1”对应的同步系数设置阈值c=(a+b)/2；

（3）、接收机的信号处理装置对发射机和接收机的信号进行相关计算，由此对信息进行解码；

具体为，以发射机与接收机的同步性作为信息传输的载体，若其相关性大于等于c，则记录信息“0”；若其相关性小于c，则记录信息“1”；

记录并输出所传输信息。