CN111953472B - 基于混沌正交振幅调制的保密通信系统 - Google Patents

基于混沌正交振幅调制的保密通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于光纤通信领域中的混沌保密通信技术领域，公开了一种基于混沌正交振幅调制的保密通信系统，包括第一半导体激光器、第一光耦合器、第一马赫曾德调制器、π/相位调制器、第二马赫曾德调制器、串并转换装置、第二光耦合器、光隔离器、长距离光纤、第三光耦合器、第二半导体激光器、90°混频器、第一平衡探测器、第二平衡探测器、第一低通滤波器、第二低通滤波器和并串转换装置；本发明采用高阶正交振幅调制方案进行信息的加载与解调，将混沌信号作为实现信息加密和传输的载波信号，利用了混沌信号宽带、大幅、类噪声的特征，提高了信息传输的安全性。

Description

基于混沌正交振幅调制的保密通信系统
技术领域
本发明属于光纤通信领域中的混沌保密通信技术领域，具体涉及一种基于混沌正交振幅调制的保密通信系统。
背景技术
混沌光通信由于具有硬件加密、与现行光通信系统兼容、适用于高速（Gbit/s）、长距离（km）保密通信等优点受到广泛关注。2005年在120公里光纤链路上进行了加密传输速率为1Gb/s的基于半导体激光器混沌通信的现场实验（Nature,Vol.438,P.343-346,2005.）。2010年基于光电振荡器(OEO)的混沌通信的现场实验在超过100公里的链路上实现的信息传输速率为10 Gb /s（IEEE J. Quantum Electron,Vol.46,P.1430,2010.）。然而，混沌光通信的速率仍远低于传统相干光通信100Gb/s以上的传输速率。因此，混沌保密通信的关键问题之一是提高混沌光通信速率。
常用的提高混沌光通信速率的方法有以下两种。一是提高混沌载波带宽。混沌半导体激光器的带宽受弛豫频率限制，通过外部光注入可使半导体激光器的混沌带宽提高到20GHz左右（Opt. Express, Vol. 23, P.1470, 2015.）（Opt. Lett, Vol. 34, P.1144,2009.）。在OEO系统中使用双延迟反馈（Opt. Lett, Vol. 36, P.2833, 2011.）的正交移相键控调制使其混沌带宽也提高到13GHz。然而，进一步增强带宽需要复杂的系统结构或高速光电子设备，从而增加设备的成本与设备集成化的难度。另一种提高混沌通信速率的有效方法是采用正交振幅调制(QAM)等高阶调制方法。相干光通信中的光学QAM能够实现更高的调制速率和更大的容量。目前，利用OEO系统的强度混沌掩藏强度调制的双二进制信号和电16QAM信号可实现30Gb/s的加密信息传输（Opt. Lett, Vol. 43, P.1323, 2018.）（Opt.Lett, Vol. 44, P.5776, 2019.）。但是上述OEO系统仅使用光载波的强度而未使用光载波的相位，此外OEO系统结构复杂，成本高昂，不利于实用化和集成化。而半导体激光器结构简单、成本低，是目前混沌保密通信研究中最常用的收发机，但却尚未实现基于联合光载波的强度和相位的多维光学QAM等高阶调制方式的保密通信，其加密速率也有待进一步提高。因此，寻找一种结合半导体激光器混沌通信和相干光通信来提高信息传输速率、保证传输信息的安全性的方案是十分必要的。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于混沌正交振幅调制的保密通信系统。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于激光混沌的高阶正交振幅调制光通信系统，其特征在于，包括第一半导体激光器、第一光耦合器、第一马赫曾德调制器、π/2相位调制器、第二马赫曾德调制器、串并转换装置、第二光耦合器、光隔离器、长距离光纤、第三光耦合器、第二半导体激光器、90°混频器；第一平衡探测器、第二平衡探测器和并串转换装置；
待传输信息经串并转换装置进行串并转换后，分为两路分别加载到第一马赫曾德调制器和第二马赫曾德调制器上；
所述第一半导体激光器输出的混沌激光经第一光耦合器分为两束，一束经第一马赫曾德调制器、π/2相位调制器后入射到第二光耦合器，另一束经第二马赫曾德调制器后入射到第二光耦合器；携带加载信息的两束光经第二光耦合器合束后，依次通过光隔离器、长距离光纤后被第三光耦合器分为两束光，其中一束注入第二半导体激光器使其产生同步的混沌激光，另一束输入90°混频器的第一输入端；
第二半导体激光器输出的混沌激光经第三光耦合器后输入90°混频器的第二输入端，所述90°混频器的第一和第三输出端输出的信号经第二平衡探测器探测，第二和第四输出端后输出的信号被第一平衡探测器探测，探测得到电信号经并串转换装置进行并串转化后得到原始信息。
所述的一种基于激光混沌的高阶正交振幅调制光通信系统，还包括第一低通滤波器和第二低通滤波器，第一低通滤波器设置在第一平衡探测器和并串转换装置之间，第二低通滤波器设置在第二平衡探测器与并串转换装置之间，分别用于对第一平衡探测器第二平衡探测器的输出信号进行低通滤波。
所述第一半导体激光器和第二半导体激光器的参数一致。
所述的一种基于激光混沌的高阶正交振幅调制光通信系统，还包括镜面，所述镜面用于将第一激光器输出的光反射回去，使第一激光器输出混沌激光。
所述的一种基于激光混沌的高阶正交振幅调制光通信系统，还包括第三半导体激光器，所述第三半导体激光器用于输出光注入所述第一半导体激光器，使其输出混沌激光。
所述的一种基于激光混沌的高阶正交振幅调制光通信系统，还包括第一电合路器和第二电合路器，所述串并转换装置将待传输信息进行串并转换为路并行信号后，其中路经第一电合路器转化为一路信号后加载到第一马赫曾德调制器上，另一路经第二电合路器转化为一路信号后加载到第二马赫曾德调制器上。
所述第三光耦合器为2×2光耦合器。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明提出了一种基于激光混沌的高阶正交振幅调制光通信系统，其采用同步的混沌信号作为传统高阶正交振幅调制方案中收发端的载波信号存在，保证了信息在信道传输中的安全性。接收端通过混沌同步实现混沌信号与信息的分离，即解调得到相应的信息。既避免了传统光通信的安全性问题，又解决了混沌保密通信速率受限的问题，通过高阶信息正交振幅调制的方法，可实现安全高速的信息传输。
2、与混沌光通信的直调直解方案相比，本发明采用高阶正交振幅调制方案进行信息的加载与解调，可实现通信速率更高，带宽利用率更强，频谱效率更高。
3、与传统光通信相比，本发明中将混沌信号作为实现信息加密和传输的载波信号，利用了混沌信号宽带、大幅、类噪声的特征，提高了信息传输的安全性。
附图说明
图1为本发明实施例提出的一种基于激光混沌的高阶正交振幅调制光通信系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中90°混频器的工作原理图；
图中：1为镜面；2为第一半导体激光器；3为第一光耦合器；4为第一马赫曾德调制器；5为π/2相位调制器；6为第二马赫曾德调制器；7为第二光耦合器；8为串并转换装置；9为第一电合路器；10为第二电合路器；11为光隔离器；12为长距离光纤；13为第三光耦合器；14为第二半导体激光器；15为90°混频器；16为第一平衡探测器；17为第二平衡探测器；18为第一低通滤波器；19为第二低通滤波器；20为并串转换装置。
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。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于激光混沌的高阶正交振幅调制光通信系统，包括第一半导体激光器2、第一光耦合器3、第一马赫曾德调制器4、π/2相位调制器5、第二马赫曾德调制器6、串并转换装置8、第二光耦合器7、光隔离器11、长距离光纤12、第三光耦合器13、第二半导体激光器14、90°混频器15；第一平衡探测器16第二平衡探测器17和并串转换装置20。
本实施例中，待传输信息经串并转换装置8进行串并转换后，分为两路分别加载到第一马赫曾德调制器4和第二马赫曾德调制器6上。
具体地，如图1所示，本实施例中，第一光耦合器3和第二光耦合器7为1×2光耦合器，第三光耦合器13为2×2光耦合器。
具体地，如图1所示，本实施例中，所述第一半导体激光器2发出的光经镜面1反馈后输出混沌激光，输出的混沌激光经第一光耦合器3分为两束，一束经第一马赫曾德调制器4、π/2相位调制器5后入射到第二光耦合器7，另一束经第二马赫曾德调制器6后入射到第二光耦合器7；携带加载信息的两束光经第二光耦合器7合束后，依次通过光隔离器11、长距离光纤12后被第三光耦合器13分为两束光，其中一束注入第二半导体激光器14使其产生同步的混沌激光，另一束输入90°混频器15的第一输入端。此外，图1中，示意性地画出了镜面1，实际上，第一半导体激光器2输出的光被分为两个光路，镜面1位于其中一个光路上，此光路的光经镜面1反射后返回第一半导体激光器2，对其扰动使其输出混沌激光，另一光路直接输出混沌激光到第一光耦合器3。也就是说，镜面1与第一半导体激光器2构成外腔光反馈半导体激光器，通过镜面1的外腔反馈作用，可以使第一半导体激光器2输出混沌激光。
具体地，如图1所示，所述第二半导体激光器14输出的混沌激光经第三耦合器13后输入90°混频器15的第二输入端。所述90°混频器15的第一输出端a和第三输出端c输出的信号经第二平衡探测器17探测，第二输出端b和第四输出端d后输出的信号被第一平衡探测器16探测，探测得到电信号经并串转换装置20转化后得到解调信息。
进一步地，本实施例提供的一种基于激光混沌的高阶正交振幅调制光通信系统，还包括第一低通滤波器18和第二低通滤波器19，第一低通滤波器18设置在第一平衡探测器16和并串转换装置20之间，第二低通滤波器19设置在第二平衡探测器17与并串转换装置20之间，分别用于对第一平衡探测器16第二平衡探测器17的输出信号进行低通滤波。
具体地，本实施例中，所述第一半导体激光器2和第二半导体激光器14的参数一致。具体地，本发明中的参数保持一致是指，两个激光器的芯片来自同一晶圆，且激光器的中心波长和P-I曲线斜效率、阈值电流失配均小于2%。通过参数保持一致，可以使所述半导体激光器产生同步的混沌光。
此外，本实施例中，所述镜面1也可以用第三半导体激光器替代，第三半导体激光器与第一半导体激光器2构成光注入半导体激光器，通过将第三半导体激光器输出的光注入第一半导体激光器2，在光注入的作用下，可以使第一半导体激光器2输出混沌激光。
具体地，本实施例中，第一半导体激光器2输出的混沌激光注入第二半导体激光器14使其产生同步的混沌激光，进而实现发送端的信息加载和接收端的信息解调。具体地，本发明中的同步指的是：两束光的相关系数大于0.8，若相关系数小于0.8，则认为两束光不同步。
进一步地，如图1所示，本实施例提供的一种基于激光混沌的高阶正交振幅调制光通信系统，还包括第一电合路器9和第二电合路器10，所述串并转换装置8将待传输信息进行串并转换为4路并行信号后，其中2路经第一电合路器9转化为一路电信号后加载到第一马赫曾德调制器4上，另一路经第二电合路器10转化为一路电信号后加载到第二马赫曾德调制器6上。
本发明实施例的工作原理如下：
1）混沌同步光路。
发射端受镜面1反馈的第一半导体激光器 2经第一光耦合器3分为两路。一路经第一马赫曾德调制器4、π/2相位调制器5进入第二光耦合器7中，另一路经第二马赫曾德调制器6进入第二光耦合器7中。第二光耦合器7输出的光经光隔离器11、长距离光纤12输入到接收端。接收端接收到的光经第三光耦合器13后一路输入到第二半导体激光器14中。在此过程中，第一半导体激光器2和第二半导体激光器14通过参数调节可实现同步，具体可以通过调节光的注入强度、频率失谐等参数来实现上述目的。发射端受镜面1反馈的第一半导体激光器2与接收端第二半导体激光器14组成混沌同步链路。
2）信息加载。
信息经过串并转换装置8分别输入到第一电合路器9和第二电合路器10 中，这两路电信号分别加载到第一马赫曾德调制器 (MZM) 4 和第二马赫曾德调制器6上，对混沌激光器2产生的混沌光载波进行调制，调制后的混沌载波加信息一路经过π/2相位调制器5进入第二光耦合器7中，一路直接进入第二光耦合器7中。这一调制的过程即为正交振幅调制。第二光耦合器7输出的是经过调制后的混沌载波加信息。
3）信息解调。
第三光耦合器13接收到的经过混沌正交振幅调制的光信号输入到90°混频器15中，90°混频器15输出的光信号分别输入到平衡探测器16和17中，分别得到正交的电信息。再分别经过低通滤波器18和19后共同输入到并串转换装置20中解调出信息。
如图2所示，为本发明实施例中，90°混频器的原理示意图，信号E1和信号E2通过90°混频器后，其四路输出分别为：
Figure 796300DEST_PATH_IMAGE002
；（1）
因此，本实施例中，90°混频器15的两个输入信号分别为携带了信息的两路发送端的混沌光束，以及与第二激光器14发出的与发送端的混沌光束同步的混沌信号，其输出的两路（即Ea和Ec）经第二平衡探测器17后输出的电信号为解调后的同相分量（I）信息，另外两路（即Eb和Ed）经第一平衡探测器16探测后输出的电信号为解调后的正交分量（Q）信息，上述解调后的I信号和Q信号分别经过低通滤波器18和19后共同输入到并串转换装置20中解调出原始信息。
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 (7)

1.一种基于激光混沌的高阶正交振幅调制光通信系统，其特征在于，包括第一半导体激光器（2）、第一光耦合器（3）、第一马赫曾德调制器（4）、π/2相位调制器（5）、第二马赫曾德调制器（6）、串并转换装置（8）、第二光耦合器（7）、光隔离器（11）、长距离光纤（12）、第三光耦合器（13）、第二半导体激光器（14）、90°混频器（15）、第一平衡探测器（16）、第二平衡探测器（17）和并串转换装置（20）；
待传输信息经串并转换装置（8）进行串并转换后，分为两路分别加载到第一马赫曾德调制器（4）和第二马赫曾德调制器（6）上；
所述第一半导体激光器（2）输出的混沌激光经第一光耦合器（3）分为两束，一束经第一马赫曾德调制器（4）、π/2相位调制器（5）后入射到第二光耦合器（7），另一束经第二马赫曾德调制器（6）后入射到第二光耦合器（7）；携带加载信息的两束光经第二光耦合器（7）合束后，依次通过光隔离器（11）、长距离光纤（12）后被第三光耦合器（13）分为两束光，其中一束注入第二半导体激光器（14）使其产生同步的混沌激光，另一束输入90°混频器（15）的第一输入端；
第二半导体激光器（14）输出的混沌激光经第三光耦合器（13）后输入90°混频器（15）的第二输入端，所述90°混频器（15）的第一和第三输出端输出的信号经第二平衡探测器（17）探测，第二和第四输出端输出的信号被第一平衡探测器（16）探测，探测得到电信号经并串转换装置（20）进行并串转化后得到原始信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光混沌的高阶正交振幅调制光通信系统，其特征在于，还包括第一低通滤波器（18）和第二低通滤波器（19），第一低通滤波器（18）设置在第一平衡探测器（16）和并串转换装置（20）之间，第二低通滤波器（19）设置在第二平衡探测器（17）与并串转换装置（20）之间，分别用于对第一平衡探测器（16）第二平衡探测器（17）的输出信号进行低通滤波。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光混沌的高阶正交振幅调制光通信系统，其特征在于，所述第一半导体激光器（2）和第二半导体激光器（14）的参数一致。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光混沌的高阶正交振幅调制光通信系统，其特征在于，还包括镜面（1），第一半导体激光器（2）输出的光被分为两个光路，镜面（1）位于其中一个光路上，此光路的光经镜面（1）反射后返回第一半导体激光器（2），对其扰动使其输出混沌激光，另一光路直接输出混沌激光到第一光耦合器（3）。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光混沌的高阶正交振幅调制光通信系统，其特征在于，还包括第三半导体激光器，所述第三半导体激光器用于输出光注入所述第一半导体激光器（2），使其输出混沌激光。
6.根据权利要求1所述的一种基于激光混沌的高阶正交振幅调制光通信系统，其特征在于，还包括第一电合路器（9）和第二电合路器（10），所述串并转换装置（8）将待传输信息进行串并转换为4路并行信号后，其中2路经第一电合路器（9）转化为一路信号后加载到第一马赫曾德调制器（4）上，另2路经第二电合路器（10）转化为一路信号后加载到第二马赫曾德调制器（6）上。
7.根据权利要求1所述的一种基于激光混沌的高阶正交振幅调制光通信系统，其特征在于，所述第三光耦合器（13）为2×2光耦合器。
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开环单向藕合半导体激光器的相位混沌同步;孙宇川 等;《中国激光》;20200703;全文 *
混沌保密光通信研究进展;义理林等;《通信学报》;20200325(第03期);全文 *
混沌激光的产生与应用;王云才;《激光与光电子学进展》;20090410(第04期);全文 *

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