CN111147234B - 基于多模激光器混沌同步的高速物理密钥分发系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于保密通信技术领域，针对现有密钥分发方案存在或安全性差、或分发速率低的问题，提出一种基于多模激光器混沌同步的高速物理密钥分发系统与方法。该系统利用超辐射发光二极管产生的宽带信号驱动多模激光器同步，通信双方利用可调谐滤波器分别滤出两个模式，独立随机地键控其中一个模式的输出，当通信双方键控信号相同时，双方输出的混沌信号同步，反之，则不同步。本发明并未改变混沌信号的状态，因此避免了同步恢复时间对现有密钥分发速率的限制，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，可以应用于保密通信领域。

Description

基于多模激光器混沌同步的高速物理密钥分发系统与方法

技术领域

本发明属于保密通信技术领域，具体涉及一种基于多模激光器混沌同步的高速物理密钥分发系统与方法。

背景技术

保密通信事关国家安定、社会安全、隐私保护等诸多方面。绝对安全的保密通信是人类社会追求的目标。

绝对安全的保密通信需要满足香农（Shannon）提出的“一次一密”理论：用完全随机且长度不短于明文长度的密钥对明文加密，且密钥仅使用一次。所以，要想实现无条件安全的保密通信，需要满足两个条件：(1)能够高速的产生随机密钥；(2) 能够实现高速安全的密钥分发。因此，安全高速的将密钥分发给合法通信双方是实现绝对安全保密通信的一个重要研究内容。

现行的密钥分发方案主要分为基于数学算法的密钥分发和基于物理熵源的密钥分发。其中，前者的安全性与加解密速度是一对矛盾，而且，其安全性均建立在窃听者仅具备有限的计算能力基础上。但随着计算机处理速度的提升以及算法的优化，此类密钥分发的安全性面临极大挑战。例如，1999年DES算法被RSA公司的超级计算机破解；2015年，RSA算法被秀尔算法破解；2017年AES-256算法被碰撞攻击破解。后者主要依赖于熵源的物理随机性，典型方案包括量子密钥分发、基于超长光纤激光器的密钥分发以及基于混沌同步的密钥分发。

基于混沌同步的密钥分发为在混沌条件下实现的通信方式，2007年利用半导体激光器混沌信号产生随机密钥的方案被提出，2008年首次实现了混沌激光产生高速随机码，随着研究的不断深入，目前利用混沌激光器这种物理熵源可以实时产生Gbit/s量级，离线产生Tbit/s量级的随机密钥（Nature Photonics, Vol. 2, No. 12, pp. 728-732, 2008;Optics Express, Vol. 21, No. 17, pp. 20452-20462, 2013; IEEE PhotonicsJournal, Vol. 9, No. 2, pp. 7201412-1-7201412-13, 2017，Optics Letters, Vol.44, No. 10, pp:2446-2449, 2019）。然而，受同步信号恢复时间的限制，上述方案的密钥分发速率难以继续提高。此外，密钥分发过程中的私钥交换降低了密钥分发的安全性。

综上，现有基于混沌同步的密钥分发方案存在或安全性差、或分发速率低的问题。因此，有必要发明一种高速且安全的密钥分发技术，以解决“一次一密”绝对安全保密通信中高速密钥安全分发这一关键技术障碍。

发明内容

本发明为解决基于混沌同步的密钥分发方案受限于同步恢复时间的问题，针对保密通信对密钥分发安全高速的要求，提出一种基于多模激光器混沌同步的高速物理密钥分发方法与系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于多模激光器混沌同步的高速物理密钥分发系统，包括可以发出宽带光的超辐射发光二极管、第一分光元件、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一可调衰减器、第二可调衰减器、第一耦合器、第二耦合器、第一多模半导体激光器、第二多模半导体激光器、第一键控模块、第二键控模块、第一光滤波器、第二光滤波器、第三光滤波器、第四光滤波器、第一合光元件、第二合光元件、第一探测器和第二探测器；所述超辐射发光二极管发出的宽带光信号经第一分光元件分为两路，一路经第一偏振控制器、第一可调衰减器、第一耦合器后注入所述第一多模半导体激光器，另一路经经第二偏振控制器、第二可调衰减器、第二耦合器后注入所述第二多模半导体激光器；所述第一多模半导体激光器发出的多波长混沌信号被分为两路，一路经第一键控模块进行开关键控、第一光滤波器进行滤波选模后入射至所述第一合光元件，另一路经第二光滤波器进行滤波选取另一个模式后入射至所述第一合光元件，从所述第一合光元件出射的光由第一探测器探测；所述第二多模半导体激光器发出的多波长混沌信号被分为两路，一路经第二键控模块进行开关键控、第三光滤波器进行滤波选模后入射至所述第二合光元件，另一路经第二光滤波器进行滤波选取另一个模式后入射至所述第二合光元件，从所述第二合光元件出射的光由第二探测器探测。

所述第一键控模块包括第一波形发生器和第一电光调制器，所述第一波形发生器发出的调制信号控制所述第一电光调制器，所述第一电光调制器设置在光路中；所述第二键控模块包括第二波形发生器和第二电光调制器，所述第二波形发生器发出的调制信号控制所述第二电光调制器，所述第二电光调制器设置在光路中。

所述的一种基于多模激光器混沌同步的高速物理密钥分发系统，还包括第一1×2耦合器、第二1×2耦合器；所述第一1×2耦合器设置在所述第一可调衰减器和第一多模半导体激光器之间，用于将超辐射发光二极管发出的宽带光信号注入至第一多模半导体激光器，还用于输出第一多模半导体激光器产生的混沌信号；所述第二1×2耦合器设置在所述第二可调衰减器和第二多模半导体激光器之间，用于将超辐射发光二极管发出的宽带光信号注入至第二多模半导体激光器，还用于输出第二多模半导体激光器产生的混沌信号。

所述的一种基于多模激光器混沌同步的高速物理密钥分发系统，还包括第二分光元件和第三分光元件，分别用于将所述第一多模半导体激光器产生的混沌信号和第二多模半导体激光器产生的混沌信号分成束。

所述第一分光元件、第二分光元件、第三分光元件、第一合光元件和第二合光元件均为1×2的光纤耦合器。

所述的一种基于多模激光器混沌同步的高速物理密钥分发系统，还包括第一隔离器、第二隔离器、第三隔离器、可调谐滤波器和掺铒光纤放大器；所述超辐射发光二极管发出的宽带光信号依次经第三隔离器、可调谐滤波器和掺铒光纤放大器后入射所述第一分光元件，所述第一隔离器设置在第一偏振控制器和第一可调衰减器之间，所述第二隔离器设置在第二偏振控制器和第二可调衰减器之间。

此外，本发明还提供了一种基于多模激光器混沌同步的高速物理密钥分发方法，采用所述的密钥分发系统，其秘钥分发协议具体如下：

当通信双方私钥相同时，双方可实现同步；当双方私钥均选择1时，协议此时密钥为1，当双方私钥均选择为0时，协议此时密钥为0。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明利用宽带类噪声信号作为驱动源，其具有宽带的特点，使得窃听者无法完全观测时域的变化进而无法重构完整驱动信号，有效地增强了密钥分发的安全性；

2、本发明利用多模混沌激光器的两个模式进行叠加产生随机密钥，增加了密钥的复杂性，进一步增强了密钥分发的安全性；

3、此外，本发明中通信双方利用独立随机的私钥进行开关键控，窃听者无法获取完整的私钥信息，更进一步增加了密钥分发的安全性；

4、本发明通过对比进行开关键控的私钥信息和通过叠加多模混沌激光器的两个模式产生的随机序列，实现一致密钥的产生，避免了混沌同步恢复时间的限制，并利用了混沌激光信号的宽带优势，从而大幅度提高密钥分发速率。

综上所述，本发明所述的基于多模激光器混沌同步的高速物理密钥分发系统及方法解决了现有密钥分发技术安全性差、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。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于多模激光器混沌同步的高速物理密钥分发系统及方法。

图中，1为超辐射发光二极管；2，7a，7b为隔离器；3为可调谐滤波器；4为掺铒光纤放大器；5，9a，9b，11a，11b，16a，16b为耦合器；6a，6b为偏振控制器；8a，8b为衰减器；10a，10b为多模半导体激光器；12a，12b为电光调制器；13a，13b为任意波形发生器；14a，14b，15a，15b为光滤波器；17a，17b为光电探测器。

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，下面将对本发明实施例中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的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于多模激光器混沌同步的高速物理密钥分发系统，包括可以发出宽带光的超辐射发光二极管1、第一分光元件5、第一偏振控制器6a、第二偏振控制器6b、第一可调衰减器8a、第二可调衰减器8b、第二耦合器9a、第三耦合器9b、第一多模半导体激光器10a、第二多模半导体激光器10b、第一键控模块、第二键控模块、第一光滤波器14a、第二光滤波器15a、第三光滤波器14b、第四光滤波器15b、第一合光元件16a、第二合光元件16b、第一探测器17a和第二探测器17b；所述超辐射发光二极管1发出的宽带光信号经第一分光元件5分为两路，一路经第一偏振控制器6a、第一可调衰减器8a后注入所述第一多模半导体激光器10a，另一路经第二偏振控制器6b、第二可调衰减器8b后注入所述第二多模半导体激光器10b；所述第一多模半导体激光器10a发出的多波长混沌信号被分为两路，一路经第一键控模块进行开关键控、第一光滤波器14a进行滤波选模后入射至所述第一合光元件16a，另一路经第二光滤波器15a进行滤波选取另一个模式后入射至所述第一合光元件16a，从所述第一合光元件16a出射的光由第一探测器17a探测；所述第二多模半导体激光器10b发出的多波长混沌信号被分为两路，一路经第二键控模块进行开关键控、第三光滤波器14b进行滤波选模后入射至所述第二合光元件16b，另一路经第四光滤波器15b进行滤波选取另一个模式后入射至所述第二合光元件16b，从所述第二合光元件16b出射的光由第二探测器17b探测。

具体地，本实施例中，所述第一键控模块包括第一波形发生器13a和第一电光调制器12a，所述第一波形发生器13a发出的调制信号控制所述第一电光调制器12a，所述第一电光调制器12a设置在光路中；所述第二键控模块包括第二波形发生器13b和第二电光调制器12b，所述第二波形发生器13b发出的调制信号控制所述第二电光调制器12b，所述第二电光调制器12b设置在光路中。

具体地，本实施例提供的一种基于多模激光器混沌同步的高速物理密钥分发系统，还包括第一1×2耦合器9a、第二1×2耦合器9b；所述第一1×2耦合器9a设置在所述第一可调衰减器8a和第一多模半导体激光器10a之间，用于将超辐射发光二极管1发出的宽带光信号注入至第一多模半导体激光器10a，还用于输出第一多模半导体激光器10a产生的混沌信号；所述第二1×2耦合器9b设置在所述第二可调衰减器8b和第二多模半导体激光器10b之间，用于将超辐射发光二极管1发出的宽带光信号注入至第二多模半导体激光器10b，还用于输出第二多模半导体激光器10b产生的混沌信号。

具体地，本实施例提供的一种基于多模激光器混沌同步的高速物理密钥分发系统，还包括第二分光元件11a和第三分光元件11b，分别用于将所述第一多模半导体激光器10a产生的混沌信号和第二多模半导体激光器10b产生的混沌信号分成2束。

具体地，本实施例中，所述第一分光元件5、第二分光元件11a、第三分光元件11b、第一合光元件16a和第二合光元件16b均为1×2的光纤耦合器。

具体地，本实施例提供的一种基于多模激光器混沌同步的高速物理密钥分发系统，还包括第一隔离器7a、第二隔离器7b、第三隔离器2、可调谐滤波器3和掺铒光纤放大器器4；所述超辐射发光二极管1发出的宽带光信号依次经第三隔离器2、可调谐滤波器3和掺铒光纤放大器4后入射所述第一分光元件5，所述第一隔离器7a设置在第一偏振控制器6a和第一可调衰减器8a之间，所述第二隔离器7b设置在第二偏振控制器6b和第二可调衰减器8b之间。

本实施例提供的一种基于多模激光器混沌同步的高速物理密钥分发系统的工作原理如下：超辐射发光二极管1产生的宽带信号经过隔离器2单向输入到可调滤波器3进行滤波，滤波后的信号经过掺饵光纤放大器4放大后通过耦合器5分成两路分别输入到合法通信双方，在此以Alice方为例说明过程，耦合器5输出的信号输入到偏振控制器6a中调节信号的偏振态，后通过隔离器7a控制其单向输入到衰减器8a中以调节信号经过耦合器9a注入到多模半导体激光器10a的注入功率，注入信号扰动多模半导体激光器10a产生多波长混沌信号由耦合器9a输出进入到耦合器11a分成两路进行模式滤波，一路经过由任意波形发生器13a调制的电光调制器12a来进行开关键控，输出的混沌信号通过滤波器14a进行滤波选模，另一路直接经过另一个滤波器15a进行滤波选取另一个模式，两个滤波器输出的信号经过耦合器16a耦合为一路混沌信号，由光电探测器17a转化成电信号进行探测。通信方Bob方的过程与Alice方相同，此处不再赘述。

当采用上述的一种基于多模激光器混沌同步的高速物理密钥分发系统进行密钥分发时，秘钥分发协议如表1所示：

表1 密钥分发协议

具体如下：当通信双方私钥相同时，双方可实现同步；当双方私钥均选择1时，协议此时密钥为1，当双方私钥均选择为0时，协议此时密钥为0。

本发明中，采用多模半导体激光器的两个模式进行光探测，利用多模激光器模式间相关性低的特性；此外，利用超辐射发光二极管产生的宽带光源作为驱动信号可以使得多模半导体激光器产生的混沌信号不存在时延特征，且会降低模式间的相关性。通过开关键控两个模式之一的输出可以调节总的输出信号的同步状态，此过程中并未改变混沌信号的内部特征，因此避免了同步恢复时间的存在，可以提高密钥分发的速率。本发明避免了现有基于混沌同步的密钥分发方案中限制密钥分发速率进一步提升的同步恢复时间问题，可以进一步提高密钥分发速率。此方案基于多模激光器的模式间相关性很低，利用私钥对其中一个模式进行开关键控，当通信双方私钥相同时，输出的混沌激光包含另一个模式或者全部模式，可实现混沌同步；当双方私钥不同时，通信一方输出的混沌激光包含全部模式，另一方输出的混沌激光中缺少键控的模式，通信双方不同步。此方案通过控制键控模式的有无来改变同步状态，避免了同步恢复时间的存在，可以提高密钥分发的速率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于多模激光器混沌同步的高速物理密钥分发系统，其特征在于，包括可以发出宽带光的超辐射发光二极管（1）、第一分光元件（5）、第一偏振控制器（6a）、第二偏振控制器（6b）、第一可调衰减器（8a）、第二可调衰减器（8b）、第一耦合器（9a）、第二耦合器（9b）、第一多模半导体激光器（10a）、第二多模半导体激光器（10b）、第一键控模块、第二键控模块、第一光滤波器（14a）、第二光滤波器（15a）、第三光滤波器（14b）、第四光滤波器（15b）、第一合光元件（16a）、第二合光元件（16b）、第一探测器（17a）和第二探测器（17b）；

所述超辐射发光二极管（1）发出的宽带光信号经第一分光元件（5）分为两路，一路经第一偏振控制器（6a）、第一可调衰减器（8a）、第一耦合器（9a）后注入所述第一多模半导体激光器（10a），另一路经经第二偏振控制器（6b）、第二可调衰减器（8b）、第二耦合器（9b）后注入所述第二多模半导体激光器（10b）；

所述第一多模半导体激光器（10a）发出的多波长混沌信号经第一耦合器（9a）输出后被分为两路，一路经第一键控模块进行开关键控、第一光滤波器（14a）进行滤波选模后入射至所述第一合光元件（16a），另一路经第二光滤波器（15a）进行滤波选取另一个模式后入射至所述第一合光元件（16a），从所述第一合光元件（16a）出射的光由第一探测器（17a）探测；

所述第二多模半导体激光器（10b）发出的多波长混沌信号经第二耦合器（9b）输出后被分为两路，一路经第二键控模块进行开关键控、第三光滤波器（14b）进行滤波选模后入射至所述第二合光元件（16b），另一路经第四光滤波器（15b）进行滤波选取另一个模式后入射至所述第二合光元件（16b），从所述第二合光元件（16b）出射的光由第二探测器（17b）探测；所述第一键控模块和第二键控模块用于根据各自的私钥对通信双方的其中一个模式进行开关键控，进而调节第一探测器（17a）和第二探测器（17b）的同步状态，分发密钥根据同步状态下的私钥确定。

2.根据权利要求1所述的一种基于多模激光器混沌同步的高速物理密钥分发系统，其特征在于，所述第一键控模块包括第一波形发生器（13a）和第一电光调制器（12a），所述第一波形发生器（13a）发出的调制信号控制所述第一电光调制器（12a），所述第一电光调制器（12a）设置在光路中；

所述第二键控模块包括第二波形发生器（13b）和第二电光调制器（12b），所述第二波形发生器（13b）发出的调制信号控制所述第一电光调制器（12b），所述第二电光调制器（12b）设置在光路中。

3.根据权利要求1所述的一种基于多模激光器混沌同步的高速物理密钥分发系统，其特征在于，还包括第二分光元件（11a）和第三分光元件（11b），分别用于将所述第一多模半导体激光器（10a）产生的混沌信号和第二多模半导体激光器（10b）产生的混沌信号分成2束。

4.根据权利要求3所述的一种基于多模激光器混沌同步的高速物理密钥分发系统，其特征在于，所述第一分光元件（5）、第二分光元件（11a）、第三分光元件（11b）、第一合光元件（16a）和第二合光元件（16b）均为1×2的光纤耦合器。

5.根据权利要求1所述的一种基于多模激光器混沌同步的高速物理密钥分发系统，其特征在于，还包括第一隔离器（7a）、第二隔离器（7b）、第三隔离器（2）、可调谐滤波器（3）和掺铒光纤放大器（4）；所述超辐射发光二极管（1）发出的宽带光信号依次经第三隔离器（2）、可调谐滤波器（3）和掺铒光纤放大器（4）后入射所述第一分光元件（5），所述第一隔离器（7a）设置在第一偏振控制器（6a）和第一可调衰减器（8a）之间，所述第二隔离器（7b）设置在第二偏振控制器（6b）和第二可调衰减器（8b）之间。

6.一种基于多模激光器混沌同步的高速物理密钥分发方法，采用如权利要求1所述的密钥分发系统，其特征在于，其秘钥分发协议具体如下：

当通信双方私钥相同时，双方可实现同步；当双方私钥均选择1时，协议此时密钥为1，当双方私钥均选择为0时，协议此时密钥为0。

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