CN110784301B - 一种硅基微腔混沌同步的安全通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种硅基微腔混沌同步的安全通信系统，包括发射模块和接收模块，所述发射模块包含第一光机械微腔；所述接收模块包含第二光机械微腔；两个独立泵浦激光器分别驱动第一光机械微腔和第二光机械微腔；第一光机械微腔的输出经过光放大器之后依次通过窄带光纤，电光调制器，单模光纤将微腔1的混沌信号耦合到微腔2上；第一光机械微腔的驱动激光波长为1539.66nm，第二光机械微腔驱动激光波长为1539.75nm；第一光机械微腔和第二光机械微腔的耦合强度为‑8.7dB。本发明选择耦合强度为‑8.7dB时实现了相关系数高达0.97的混沌同步。硅基微腔混沌同步的安全通信系统稳定性较好，误码率低。

Description

一种硅基微腔混沌同步的安全通信系统
技术领域
本发明属于通信技术领域具体涉及一种硅基微腔混沌同步的安全通信系统。
背景技术
安全通信是建立可靠的全球空间网络的基石。所建立的安全性，特别能在单光子限流环境之外进行操作，为在大陆和洲际网络中构建可信节点提供了平台，以确保端到端通信、命令和控制、敏感数据传输和安全交易。混沌同步是非线性动力学中一个长期存在的概念，它可以在长距离信道链路和在可伸缩模块中实现安全通信。
现有的安全通信系统稳定性较差，误码率高，不便于工程应用。
发明内容
本发明提供一种稳定性较好，误码率低的硅基微腔混沌同步的安全通信系统，包括发射模块和接收模块，
所述发射模块包含第一光机械微腔；
所述接收模块包含第二光机械微腔；
两个独立泵浦激光器分别驱动第一光机械微腔和第二光机械微腔；
第一光机械微腔的输出经过光放大器之后依次通过窄带光纤，电光调制器，单模光纤将第一光机械微腔的混沌信号耦合到第二光机械微腔上；
第一光机械微腔的驱动激光波长为1539.66nm，第二光机械微腔驱动激光波长为1539.75nm；第一光机械微腔和第二光机械微腔的耦合强度为-8.7dB。
进一步的，
发射模块的发射信号中包括10兆赫兹的正弦波，所述正弦波幅度为-38dBm；
发射模块的发射信号中包括1Mbit/s非归零数字消息；
接收机接收混沌时间波形并将混沌时间波形用作消息解密的参考信号。
本发明的有益效果是：
1.本发明利用硅基光子晶体芯片产生光混沌信号，进一步提高了混沌源装置的小型化、集成化程度，保证了混沌源的稳定性。
2.本发明与目前主流大规模集成电路(COMS)工艺具有极高的兼容性，因此可以有效降低制造成本，提高生产效率。
3.本发明通过芯片级的光机械耦合混沌振荡器实现了第一个混沌同步的安全信道链路。
4.本发明通过多次实验，最终确定第一光机械微腔的驱动激光波长为1539.66nm，第二光机械微腔驱动激光波长为1539.75nm；第一光机械微腔和第二光机械微腔的耦合强度为-8.7dB时，第一光机械微腔和第二光机械微腔具有最优的相互关系，实现了较高的稳定性。
5.本发明在单片硅光子晶体光机械腔中产生了混沌。本发明选择耦合强度为-8.7dB时实现了相关系数高达0.97的混沌同步。即使在长达50km的远距离传输过程中，混沌同步也能维持在0.93的水平。
6.本发明基于硅光机械腔，以极低的误码率实现了模拟信号和数字信号的加密解密。这些结果可能为探索实践非线性动力学科学提供一个新的硅平台，并为基于硅的物理加解密、信息处理和神经元建模提供一个开端。
附图说明
图1在两个光机械硅微腔中产生混沌示意图。
图2为远端光机械芯片组的混沌同步和时间互相关示意图。
图3为混沌优化以及超过50km的光纤链路的长距离混沌传输示意图。
图4为混沌掩蔽，通滤波以及信息的加密解密示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在安全通信领域内，单光子和相关双光子技术取得了进展，包括量子密钥分发、测量设备无关的量子通道和具有高光子信息效率和光谱密度的高维希尔伯特空间。但在没有量子中继器和放大器的情况下，这些安全的光通信信道受到光纤损耗和低秘钥速率的限制，地表上最大传输距离大约为100千米，空间中的秘钥速率大约为5kb/s。在没有单光子和双光子的量子增强安全性的情况下，在采用经典的掺铒光纤放大器时，目前最先进的光通信网络已经跨越了全球范围，并同时能达到Tb/s的通信速率，基本接近掺铒光纤带宽。基于物理的对信道进行保密的光通信的另一种途径是使用激光源产生混沌及混沌的同步。这些混沌源和接收机——基于非线性动态拓扑结构和分数维的激光振荡器——与当前部署在嵌入式网络中的光放大器是协同的。通信信道的安全性基于动态同步，支持混沌掩蔽和通滤波。
振荡器之间的同步现象在许多领域都能观察到，从生物学，化学反应，到高精度时钟，频率稳定和量子信息处理。动态混沌同步是非线性动力学中一个长期就有的概念，两个极度不同的混沌信号现在可以步调一致地前进，并在电子电路、激光和高频射频辐射中得到验证。
发射模块和接收模块都包含了一个硅基的光子晶体微腔，首先在这两个微腔中产生了非周期的混沌。因为每个混沌微腔都有不同的拓扑结构、李亚普诺夫指数和相关维数，所以本发明实施例先证明了两个混沌吸引子的同步，其近距离传输的互相关系数高达0.971。在50公里的用于安全通信的开环信道链路上，本发明实施例进一步实现了混沌的稳定和同步。此时两个腔中产生的混沌互相关为0.932，传输信噪比为55dB。接着，本发明实施例绘制了两个腔之间耦合强度和激光失谐的广义同步优化图，说明了弱驱动和过度驱动的区别，后者在接收端非周期波形中存在非线性失真。然后，本发明成功地实现了小振幅安全信息的混沌掩蔽和通滤波，其中只有大振幅混沌载波由于光机械接收腔的非线性驱动响应而达到同步。经过解密的10MHZ测试消息的信噪比大约为15dB，这是由光学机械和Drude等离子体频率的半共振所抵消的结果，这与本发明的非线性耦合模式的建模形式保持一致。第四，作为可操作的一个测试平台，本发明实施例实现了对数字消息的物理安全加密和解密，使用32通道频分复用和可变的调制速率。在基于硅芯片的同步混沌实验台上，利用汉明码纠错技术安全的实现了二维图像的传输。
如图1所示，图1中a1和b1是带有气隙共振的硅光机械腔和用深紫外线光刻纳米制造的扫描电子显微照片。比例尺：5μm。a2和b2是两个候选腔的冷腔透射光谱，用实验数据和理论拟合。加载的洛伦兹线性光学品质因素约为17,100(腔1)和12,800(腔2)。C是模型的基模的平面内机械位移剖面。d是模拟|E|2——基波共振的强度分布。e和f是候选腔1和腔2的二维射频(RF)频谱图，显示非线性和混沌动力学随波长(失谐)的演化。注入功率由下至上依次为-8dBm，-6dBm，-4dBm，-2dBm。动力学状态可分别识别为光力学振荡(OMO)态、混沌态、fomo/3态、fomo/2态和自激光调制(SOM)态。插入的轨道相位图显示了在两个候选腔中观察到的混沌的奇异吸引子结构，其中点是测量的实验数据，实心的线是重建的轨迹。
如图2所示，图2a图：两个独立泵浦激光器(PL)驱动两个相似的光机械微腔。微腔1的输出经过光放大器(OA)之后通过窄带光纤(NOF)。然后通过电光调制器(EOM)，单模光纤(SMA)将微腔1的混沌信号耦合到微腔2上。PD：光电探测器。b图：测量得到的微腔1和微腔2的时间波形。C图：微腔1和微腔2随时间延迟变化的互相关度。图中左上方的小图：微腔1和微腔2对应的相关图。右上方图：放大的互相关随时间延迟变化的图，最大互相关是0.932。d和e：微腔1(上)和微腔2(下)的宽带混沌射频谱，信号比背景噪声(灰线)高大约50dB。
如图3所示，图3a，短距离传输下的互相关和耦合强度，腔1的驱动激光波长为1539.66nm，腔2的驱动激光波长为1539.75nm。耦合强度为-8.7dB时，最大互相关为0.971。b，二维相关系数图，横轴为耦合强度，纵轴为时间延迟。分别在a点(图c3，耦合强度为-14.2dB)、b点(图c2，耦合强度为-8.7dB)和c点(图c1，耦合强度为-0.67dB)时腔1和第腔2的功率谱比较。三条线分别是腔1的光谱、腔2的光谱和背景噪声。d，耦合强度分别为-0.67dB(d1)，-3.5dB(d2)，-8.7dB(d3)，-12.4dB(d4)，-14.2dB(d5)和-17.5dB(d6)的腔1和腔2的相关关系图。图中图像为采样间隔为200ps的经过噪声滤波的数据点。e，近距离(背对背)的互相关关系达到最大值0.971。f，在50km光纤链路上长距离混沌传输的最大互相关系为0.937。
本发明的发明人通过实验发现，当耦合强度在-8.7dB时具有最大的互相关系数，此时安全通信系统稳定性较好，误码率低。
如图4所示，图4a，发射模块的发射功率谱中隐藏一个10兆赫的正弦波，波幅度约为-38dBm。b，接收器功率谱。c，解密后的10MHZ报文(黑线)具有混沌通滤波效果的功率谱。解密后的信息的信噪比为15dB，在边框中高亮显示。d，隐藏1Mbit/s非归零(NRZ)数字消息的发射器的混沌时间波形。e，接收机的混沌时间波形，用作消息解密的参考信号。f，解密后1Mbit/s NRZ数字消息的时间波形。g，应用了1Mbit/s NRZ信息的发射器的原始眼图。h，传输混沌波形与NRZ数字信息混合的眼图。I，接收器的混沌波形眼图。j，同步(授权)接收器的经过解密解密的NRZ信息的眼图，其中解密的眼图的Q值约为4.0，对应的原始误码率约为3x10-5。k，图像加密和解密。UCLA标志(k1)测试图像，将UCLA标志加密后隐藏在混沌载波(k2)中，在授权接收端(k3)解密标志。
最后应说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种硅基微腔混沌同步的安全通信系统，包括发射模块和接收模块，其特征在于，
所述发射模块包含第一光机械微腔；
所述接收模块包含第二光机械微腔；
两个独立泵浦激光器分别驱动第一光机械微腔和第二光机械微腔；
第一光机械微腔的输出经过光放大器之后依次通过窄带光纤，电光调制器，单模光纤将第一光机械微腔的混沌信号耦合到第二光机械微腔上；
第一光机械微腔的驱动激光波长为1539.66nm，第二光机械微腔驱动激光波长为1539.75nm；第一光机械微腔和第二光机械微腔的耦合强度为-8.7dB。
2.如权利要求1所述的一种硅基微腔混沌同步的安全通信系统，其特征在于，发射模块的发射信号中包括10兆赫兹的正弦波，所述正弦波幅度为-38dBm；
发射模块的发射信号中包括1Mbit/s非归零数字消息；
接收机接收混沌时间波形并将混沌时间波形用作消息解密的参考信号。
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