CN107689862A - 一种多路光注入的低关联长距离光混沌同步方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多路光注入的低关联长距离光混沌同步方法及装置，其关键在于：所述方法包括产生混沌驱动信号、放大后同时注入多路不等距光纤链路、汇合后再经分束操作后等分成相同的两束激光、经长距离传输后同时注入两个对称的授权激光器、驱动两个授权激光器形成混沌动力学系统并使它们实现混沌同步。所述装置包括驱动模块和外部环境模块。本发明通过光多路不等距同时注入光纤链路，有效实现了远程的零时混沌同步，并同时显著降低了驱动激光器和授权激光器之间的关联度，为混沌保密系统的混沌载波长距离传递提供了安全保障，非常有助屏蔽长距离的高速光混沌保密通信方案中可能的安全漏洞问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种多路光注入的低关联长距离光混沌同步方法及实现该方法的装置。
背景技术
近年来，人们对混沌保密通信的研究主要分为两类，一类是电子电路技术为基础的电混沌保密通信，另一类是结合光学技术的激光混沌保密通信。其中，电混沌保密通信由于电子电路器件的响应带宽和电子信号的长距离高传输损耗的固有瓶颈问题，目前无法在长距离高速的保密通信领域中得到应用。而由于半导体激光器的天然高调制带宽，以及光纤的长距离低损耗传输特性，激光混沌保密通信具有了良好的高速信息承载能力和可远距离传输特性。
目前，相关领域学者提出了多种激光混沌保密通信的混沌同步方案。但大多方案都是针对短距离的（米量级）、自由空间型的混沌同步，只有少数的方案是针对长距离的激光混沌同步，比如2005 年, Argyris 等人实现了信息在120 km 的商用光纤网络中的单向长距离混沌保密传输。但仅仅实现信息的单向长距离混沌保密传输是不够的。也有人提出了长距离激光混沌同步的方案，如在申请号为201610101144.5、名称为“一种基于激光混沌的长距双向视频保密通信”的发明专利文件中，就提出了距离为 40 km 的两个响应半导体激光器在驱动半导体激光器的驱动下的达到混沌同步从而实现信息的双向保密传输的技术方案，但由于在上述发明中采用的是单条光纤链路来传送驱动半导体激光器产生的驱动信号，导致了驱动半导体激光器处信号的波形和授权半导体激光器处的混沌信号波形之间的关联度却很高（达到0.741），这表明若是在此处的混沌信号出现泄漏，那么潜在的信息破译者完全可以根据这较高的关联度还原出大致的传递信息，从而给信息的安全带来极大的隐患。所以，降低驱动激光器和授权激光器之间的关联度对于提高长距离混沌同步保密通信的安全性有很大的必要性。
发明内容
本发明的目的是提供一种多路光注入的低关联长距离光混沌同步方法及装置。
为了实现上述目的，采用以下技术方案：一种多路光注入的低关联长距离光混沌同步方法及装置，其特征在于：所述多路光注入的低关联长距离光混沌同步方法包括以下步骤：
1）通过驱动信号源产生混沌驱动信号；
2）混沌驱动信号经过放大后同时注入多路不等距光纤链路，之后再汇合到一条光纤链路中，经分束操作后等分成相同的两束激光；
3）两束激光经长距离传输后同时注入两个对称的授权激光器；
4）利用上述第一步所产生的混沌驱动信号作为种子信号来驱动两个授权激光器，以形成混沌动力学系统并使它们实现混沌同步；
5）在上述第四步混沌同步的过程中，还需要对授权激光器输出的信号进行同步检测，以实时调整系统参数，确保达到混沌同步的最佳效果。
所述驱动信号源产生混沌驱动信号在满足反馈率为1‰到1%之间的条件下进行。
所述利用驱动信号源产生混沌驱动信号作为种子信号来驱动两个授权激光器在满足两个授权激光器的内部参数一致、驱动电流匹配以及注入光强度比率达为1%-10%之间的条件下进行。
所述实现多路光注入的低关联长距离光混沌同步方法的装置包括驱动模块和外部环境模块；
所述驱动模块包括依次连接的驱动激光器（DL）、掺铒光纤放大器（EDFA）、光分路器（GF3）、并联的多条光纤链路、以及光分路器（GF4）；所述每条光纤链路上均设置有可变衰减器（AV3）和偏振控制器（PC3）；其中，
驱动激光器（DL）主要用于产生混沌驱动信号；
掺铒光纤放大器（EDFA）主要用于对混沌驱动信号进行信号放大处理；
光纤链路主要用于对信号进行长距离传输；
可变衰减器（AV3）和偏振控制器（PC3）主要用于调整注入光功率和耦合偏振态；
光分路器（GF3）和光分路器（GF4）主要用于对光信号进行能量比例的分配；
所述外部环境模块包括并列设置的高速数字示波器（SBQ）和射频频谱分析仪（RFSA），高速数字示波器（SBQ）和射频频谱分析仪（RFSA）的两端还分别通过第一支路和第二支路与驱动模块相连；所述第一支路包括依次连接的长距离单模光纤（LD-SMF1）、偏振控制器（PC1）、可变衰减器（AV1）、授权激光器（AL1）、光隔离器（OI1）、光分路器（GF1）和光电检测器（PD1）；所述第二支路包括依次连接的长距离单模光纤（LD-SMF2）、偏振控制器（PC2）、可变衰减器（AV2）、授权激光器（AL2）、光隔离器（OI2）、光分路器（GF2）、可变光延迟线（YC）和光电检测器（PD2）；所述光分路器（GF1）和光电检测器（PD1）之间还连接有光谱分析仪（OSA1）或光功率计（OPM1）；所述光分路器（GF2）和光电检测器（PD2）之间还连接有光谱分析仪（OSA2）或光功率计（OSA2）；其中，
长距离单模光纤（LD-SMF1）和长距离单模光纤（LD-SMF2）用于实现光信号的长距离传输；
偏振控制器（PC1）、可变衰减器（AV1）、偏振控制器（PC2）和可变衰减器（AV2）用于调整注入光功率和耦合偏振态；
授权激光器（AL1）和授权激光器（AL2）用于在种子信号的驱动下形成复杂的混沌动力学系统并使它们实现混沌同步；
光隔离器（OI1）和光隔离器（OI2）用于防止产生不必要的干扰反射；
光分路器（GF1）和光分路器（GF2）用于对光信号进行能量比例的分配；
光电检测器（PD1）和光电检测器（PD2）用于快速检测激光混沌信号；
可变光延迟线（YC）用来使授权激光器（AL2）的混沌波形精确对齐；
光谱分析仪（OSA1）、光功率计（OPM1）、光谱分析仪（OSA2）和光功率计（OPM2）分别用来对授权激光器（AL1）和授权激光器（AL2）输出的信号进行实时检测，观测其光学频谱分布和功率，以便于随时调整系统参数，确保授权激光器（AL1）和授权激光器（AL2）输出的信号能实现混沌同步的最佳效果；
高速数字示波器（SBQ）和射频频谱分析仪（RFSA）用于记录激光混沌信号。
所述光分路器（GF1）和光分路器（GF2）的光能量分配比例均为20%和80%；所述光分路器（GF3）的光能量分配比例为10%和90%；所述光分路器（GF4）的光能量分配比例为50%和50%。
本发明提出一种利用多路光注入的低关联长距离光混沌同步方法和实现该方法的相应装置，通过光多路不等距同时注入光纤链路，有效实现了远程的零时混沌同步，并同时显著降低了驱动激光器和授权激光器之间的关联度，为混沌保密系统的混沌载波长距离传递提供了安全保障，非常有助屏蔽长距离的高速光混沌保密通信方案中可能的安全漏洞问题；同时，本发明还具有较强的可延展性，在保密通信领域具有很强的实用价值。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例的逻辑结构示意图；
图3为图1中驱动模块的结构示意图；
图4为驱动激光器和两个授权激光器输出混沌波形结果图；
图5为驱动激光器和两个授权激光器输出混沌信号之间关联结果图。
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的说明。
如图1至图3所示，一种多路光注入的低关联长距离光混沌同步方法及装置，所述多路光注入的低关联长距离光混沌同步方法包括以下步骤：
1）通过驱动信号源产生混沌驱动信号；
2）混沌驱动信号经过放大后同时注入多路不等距光纤链路，之后再汇合到一条光纤链路中，经分束操作后等分成相同的两束激光；
3）两束激光经长距离传输后同时注入两个对称的授权激光器；
4）利用上述第一步所产生的混沌驱动信号作为种子信号来驱动两个授权激光器，以形成混沌动力学系统并使它们实现混沌同步；
5）在上述第四步混沌同步的过程中，还需要对授权激光器输出的信号进行同步检测，以实时调整系统参数，确保达到混沌同步的最佳效果。
所述驱动信号源产生混沌驱动信号在满足反馈率为1‰到1%之间的条件下进行。
所述利用驱动信号源产生混沌驱动信号作为种子信号来驱动两个授权激光器在满足AL1和AL2的内部参数一致、且驱动电流匹配以及注入光强度比率达为1%-10%之间的条件下进行。
所述实现多路光注入的低关联长距离光混沌同步方法的装置包括驱动模块和外部环境模块；
所述驱动模块包括依次连接的驱动激光器DL、掺铒光纤放大器EDFA、光分路器GF3、并联的多条光纤链路、以及光分路器GF4；所述每条光纤链路上均设置有可变衰减器AV3和偏振控制器PC3；其中，
驱动激光器DL主要用于产生混沌驱动信号；
掺铒光纤放大器EDFA主要用于对混沌驱动信号进行信号放大处理；
光纤链路主要用于对信号进行长距离传输；
可变衰减器AV3和偏振控制器PC3主要用于调整注入光功率和耦合偏振态；
光分路器GF3和光分路器GF4主要用于对光信号进行能量比例的分配；
所述外部环境模块包括并列设置的高速数字示波器SBQ和射频频谱分析仪RFSA，高速数字示波器SBQ和射频频谱分析仪RFSA的两端还分别通过第一支路和第二支路与驱动模块相连；所述第一支路包括依次连接的长距离单模光纤LD-SMF1、偏振控制器PC1、可变衰减器AV1、授权激光器AL1、光隔离器OI1、光分路器GF1和光电检测器PD1；所述第二支路包括依次连接的长距离单模光纤LD-SMF2、偏振控制器PC2、可变衰减器AV2、授权激光器AL2、光隔离器OI2、光分路器GF2、可变光延迟线YC和光电检测器PD2；所述光分路器GF1和光电检测器PD1之间还连接有光谱分析仪OSA1或光功率计OPM1；所述光分路器GF2和光电检测器PD2之间还连接有光谱分析仪OSA2或光功率计OSA2；其中，
长距离单模光纤LD-SMF1和长距离单模光纤LD-SMF2用于实现光信号的长距离传输；
偏振控制器PC1、可变衰减器AV1、偏振控制器PC2和可变衰减器AV2用于调整注入光功率和耦合偏振态；
授权激光器AL1和授权激光器AL2用于在种子信号的驱动下形成复杂的混沌动力学系统并使它们实现混沌同步；
光隔离器OI1和光隔离器OI2用于防止产生不必要的干扰反射；
光分路器GF1和光分路器GF2用于对光信号进行能量比例的分配；
光电检测器PD1和光电检测器PD2用于快速检测激光混沌信号；
可变光延迟线YC用来使授权激光器AL2的混沌波形精确对齐；
光谱分析仪OSA1、光功率计OPM1、光谱分析仪OSA2和光功率计OPM2分别对授权激光器AL1和授权激光器AL2输出的信号进行实时检测，观测其光学频谱分布和功率，以便于随时调整系统参数，确保授权激光器AL1和授权激光器AL2输出的信号能实现混沌同步的最佳效果；
高速数字示波器SBQ和射频频谱分析仪RFSA用于记录激光混沌信号。
所述光分路器GF1和光分路器GF2的光能量分配比例均为20%和80%；所述光分路器GF3的光能量分配比例为10%和90%；所述光分路器GF4的光能量分配比例为50%和50%。
利用多路光注入的低关联长距离光混沌同步装置的工作原理如下：在满足反馈率为千分之一到百分之一之间的条件时，驱动激光器DL产生混沌驱动信号，信号经过掺铒光纤放大器EDFA放大后同时注入多路不等距光纤链路，之后再汇合到一条光纤链路中，经光分束器后等分成相同的两束激光。两束激光经长距离单模光纤LD-SMF传输后同时注入两个对称的授权激光器AL1和AL2。当AL1和AL2的内部参数一致、且驱动电流匹配以及注入光强度比率达为1%-10%之间时，驱动激光器产生的混沌信号作为种子信号来驱动授权激光器AL1和AL2形成复杂的混沌动力学系统并使它们实现混沌同步。当多路不等距光纤链路的参数满足各个支路的时间延迟量符合非公约关系时，即可产生与驱动信号低关联的响应信号。基于授权激光器AL1、AL2形成的复杂的混沌动力学系统，可实现信息的低关联长距离保密传输。
如图4所示，该图给出了相隔约10千米的授权激光器AL1和授权激光器AL2以及驱动激光器DL的输出在时间上的激光混沌波形结果。从图中结果可见，授权激光器AL1和授权激光器AL2的混沌波形均是迅速变化的亚纳秒尺度复杂脉冲串。而授权激光器AL1和授权激光器AL2的波形具有很好的一致性，说明二者间较好的混沌同步。考虑到授权激光器AL1和授权激光器AL2之间长达10千米的光纤链接距离，从图中可见激光系统实现了稳定的长距离混沌同步。特别的，驱动激光器DL信号波形与授权激光器AL1和授权激光器AL2的混沌波形非常不同。这个结果与单光注入的结果相比，差别非常明显。考虑到驱动激光器DL的输出信号是驱动信号，而授权激光器AL1和授权激光器AL2的信号是混沌载波信号，这样驱动信号与载波信号的显著不同将可以极大的提升系统的通信安全性能。
如图5所示，该图给出了授权激光器AL1，授权激光器AL2和驱动激光器DL之间的混沌信号关联结果。其中，左上图a1是授权激光器AL1和授权激光器AL2混沌信号的关联图，从图中可见两个混沌信号具有很好的线性关联度。右上图a2给出了授权激光器AL1和授权激光器AL2混沌信号的关联函数曲线，可见授权激光器AL1和授权激光器AL2的信号在时移为0ns处具有了0.9以上的关联度，说明两个授权激光器的混沌信号取得了良好的同步关系。左中图b1给出了授权激光器AL1和驱动激光器DL的混沌信号关联图，该图中数据点在二维空间的分布具有明显的离散和无序特征，说明了授权激光器AL1和驱动激光器DL混沌信号之间的线性关联度低。右中图b2给出了授权激光器AL1和驱动激光器DL混沌信号的关联函数曲线，可见授权激光器AL1和驱动激光器DL的信号在时移为-0.42ns处仅仅具有了0.2左右的低关联度。左下图c1给出了授权激光器AL2和驱动激光器DL的混沌信号关联图，该图中数据点在二维平米上的分布区域广泛，显著离散，说明了授权激光器AL2和驱动激光器DL混沌信号之间的关联度低。右下图c2直接给出了授权激光器AL2和驱动激光器DL信号的关联函数曲线，可见授权激光器AL2和驱动激光器DL的信号在时移为-0.42ns处仅仅具有了0.18左右的极低关联度，表明二者之间的关联度已基本可忽略。在现有技术中，单光注入系统中授权激光器AL1和驱动激光器DL之间的关联度一般约0.7，本发明专利所提供的方法和装置能使得相应的关联值比单光注入系统中的显著降低，这种显著降低的授权激光器和驱动激光器的信号关联度在保密通信中意义重大，无论是对于预防黑客攻击，还是提升系统固有安全性能都具有重要意义。另外，本发明专利所提供的方法和装置还具有模块化特征和良好的空间可延展性，可以适合于更长尺度的长距离通信方案。
本发明提出一种利用多路光注入的低关联长距离光混沌同步方法和实现该方法的相应装置，通过光多路不等距同时注入光纤链路，有效实现了远程的零时混沌同步，并同时显著降低了驱动激光器和授权激光器之间的关联度，为混沌保密系统的混沌载波长距离传递提供了安全保障，非常有助屏蔽长距离的高速光混沌保密通信方案中可能的安全漏洞问题；同时，本发明还具有较强的可延展性，在保密通信领域具有很强的实用价值。
Claims (5)
1.一种多路光注入的低关联长距离光混沌同步方法，其特征在于：所述多路光注入的低关联长距离光混沌同步方法包括以下步骤：
1）通过驱动信号源产生混沌驱动信号；
2）混沌驱动信号经过放大后同时注入多路不等距光纤链路，之后再汇合到一条光纤链路中，经分束操作后等分成相同的两束激光；
3）两束激光经长距离传输后同时注入两个对称的授权激光器；
4）利用上述第一步所产生的混沌驱动信号作为种子信号来驱动两个授权激光器，以形成混沌动力学系统并使它们实现混沌同步；
5）在上述第四步混沌同步的过程中，还需要对授权激光器输出的信号进行同步检测，以实时调整系统参数，确保达到混沌同步的最佳效果。
2.如权利要求1所述的多路光注入的低关联长距离光混沌同步方法，其特征在于：所述驱动信号源产生混沌驱动信号在满足反馈率为1‰到1%之间的条件下进行。
3.如权利要求1所述的多路光注入的低关联长距离光混沌同步方法，其特征在于：所述利用驱动信号源产生混沌驱动信号作为种子信号来驱动两个授权激光器在满足两个授权激光器的内部参数一致、驱动电流匹配以及注入光强度比率达为1%-10%之间的条件下进行。
4.一种实现多路光注入的低关联长距离光混沌同步方法的装置，其特征在于：所述实现多路光注入的低关联长距离光混沌同步方法的装置包括驱动模块和外部环境模块；
所述驱动模块包括依次连接的驱动激光器（DL）、掺铒光纤放大器（EDFA）、光分路器（GF3）、并联的多条光纤链路、以及光分路器（GF4）；所述每条光纤链路上均设置有可变衰减器（AV3）和偏振控制器（PC3）；其中，
驱动激光器（DL）主要用于产生混沌驱动信号；
掺铒光纤放大器（EDFA）主要用于对混沌驱动信号进行信号放大处理；
光纤链路主要用于对信号进行长距离传输；
可变衰减器（AV3）和偏振控制器（PC3）主要用于调整注入光功率和耦合偏振态；
光分路器（GF3）和光分路器（GF4）主要用于对光信号进行能量比例的分配；
所述外部环境模块包括并列设置的高速数字示波器（SBQ）和射频频谱分析仪（RFSA），高速数字示波器（SBQ）和射频频谱分析仪（RFSA）的两端还分别通过第一支路和第二支路与驱动模块相连；所述第一支路包括依次连接的长距离单模光纤（LD-SMF1）、偏振控制器（PC1）、可变衰减器（AV1）、授权激光器（AL1）、光隔离器（OI1）、光分路器（GF1）和光电检测器（PD1）；所述第二支路包括依次连接的长距离单模光纤（LD-SMF2）、偏振控制器（PC2）、可变衰减器（AV2）、授权激光器（AL2）、光隔离器（OI2）、光分路器（GF2）、可变光延迟线（YC）和光电检测器（PD2）；所述光分路器（GF1）和光电检测器（PD1）之间还连接有光谱分析仪（OSA1）或光功率计（OPM1）；所述光分路器（GF2）和光电检测器（PD2）之间还连接有光谱分析仪（OSA2）或光功率计（OSA2）；其中，
长距离单模光纤（LD-SMF1）和长距离单模光纤（LD-SMF2）用于实现光信号的长距离传输；
偏振控制器（PC1）、可变衰减器（AV1）、偏振控制器（PC2）和可变衰减器（AV2）用于调整注入光功率和耦合偏振态；
授权激光器（AL1）和授权激光器（AL2）用于在种子信号的驱动下形成复杂的混沌动力学系统并使它们实现混沌同步；
光隔离器（OI1）和光隔离器（OI2）用于防止产生不必要的干扰反射；
光分路器（GF1）和光分路器（GF2）用于对光信号进行能量比例的分配；
光电检测器（PD1）和光电检测器（PD2）用于快速检测激光混沌信号；
可变光延迟线（YC）用来使授权激光器（AL2）的混沌波形精确对齐；
光谱分析仪（OSA1）、光功率计（OPM1）、光谱分析仪（OSA2）和光功率计（OPM2）分别用来对授权激光器（AL1）和授权激光器（AL2）输出的信号进行实时检测，观测其光学频谱分布和功率，以便于随时调整系统参数，确保授权激光器（AL1）和授权激光器（AL2）输出的信号能实现混沌同步的最佳效果；
高速数字示波器（SBQ）和射频频谱分析仪（RFSA）用于记录激光混沌信号。
5.如权利要求4所述的多路光注入的低关联长距离光混沌同步装置，其特征在于：所述光分路器（GF1）和光分路器（GF2）的光能量分配比例均为20%和80%；所述光分路器（GF3）的光能量分配比例为10%和90%；所述光分路器（GF4）的光能量分配比例为50%和50%。
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