CN112291008B - 一种基于光时域微分的安全高速密钥分发系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光时域微分的安全高速密钥分发系统及方法，涉及保密通信技术领域。该系统通过超辐射发光二极管发出驱动信号通过1×2光纤耦合器分为两路，然后驱动两个多模混沌半导体激光器模块分别输出混沌激光，通过各自对应的波分复用器分为多路，再进入对应的光时域微分模块，经过波分复用器将微分后的混沌信号耦合到同一根光纤中，各自对应的光电探测器将混沌激光信号转化为电信号，该电信号通过模数转换器转换为随机序列并储存在对应的存储器中，将两个存储器中储存的私钥在公共信道上进行交换，选择相同私钥所对应的随机序列便可得到一致的密钥。本发明设计合理，能有效增加增强密钥分发的安全性，提升密钥分发速率，解决现有密钥分发中安全性不足及分发速率慢的问题。
Description
技术领域
本发明涉及保密通信技术领域，具体为一种基于光时域微分的安全高速密钥分发系统及方法。
背景技术
近年来，光纤网络传输中信息泄漏事件日益严重，对人们的生活、社会稳定和经济发展造成严重影响，防止信息泄漏最有效的方案是保密通信。
目前常见的加密方案主要包括：①基于数学算法的密钥加密：但由于确定算法导致其安全性不足，存在安全隐患（Annual International Cryptology Conference, pp.17-36, 2005）。②基于单光子不可克隆的量子密钥分发：窃听光量子必会改变其状态而被检测发现，从而实现密钥分发的绝对安全，然而，受限于单光子探测速率及长距离传输过程中光纤损耗的影响，其密钥分发速率为bps量级（Nature Photonics, vol. 9, pp. 163-168, 2015）。③基于超长腔光纤激光器的密钥分发：英国学者 Atalla等人通过调控光纤激光器波长实现了密钥的安全分发，其分发速率与传输距离成反比，传输距离500km的条件下密钥分发速率为100bps（Laser Photonics Reviews, vol. 8, pp. 436-442, 2014）。④基于信道噪声的密钥分发：俄罗斯学者 Konstantin等人利用光纤信道中高相关的信道噪声提取密钥，受限于信道噪声信号的带宽，密钥分发速率在Mbps量级。⑤基于混沌同步的密钥分发：日本学者Koizumi等人利用同一信号驱动两个镜面反馈激光器达到混沌同步，通过对反馈光的相位键控提取一致的随机密钥，最终实现传输距离为120km速率为184kbps的密钥分发（Optics Express, vol. 21, pp. 17869-17893, 2017），由于相位键控过程中混沌同步恢复时间的影响，密钥分发速率限制在kbps量级。
现行光纤通信干线速率已达Gbps，上述方案均无法满足现有高速通信的加密需求，因此，有必要设计一种同时具备安全及高速的密钥分发系统。
发明内容
本发明为了解决现行光纤通信中密钥分发速率慢、无法满足高速通信加密传输的问题，提供了一种基于光时域微分的安全高速密钥分发系统及方法。
本发明是通过如下技术方案来实现的：一种基于光时域微分的安全高速密钥分发系统，包括超辐射发光二极管、1×2光纤耦合器、第一多模混沌半导体激光器模块、第一波分复用器、第一光时域微分模块、第二波分复用器、第一光电探测器、第一模数转换器、第一存储器、第二多模混沌半导体激光器模块、第三波分复用器、第二光时域微分模块、第四波分复用器、第二光电探测器、第二模数转换器、第二存储器及公共信道；所述超辐射发光二极管的输出与1×2光纤耦合器的输入端连接；所述1×2光纤耦合器的一个输出端与第一多模混沌半导体激光器模块连接，另一输出端与第二多模混沌半导体激光器模块连接；所述第一多模混沌半导体激光器模块的输出端与第一波分复用器的输入端连接，所述第一波分复用器的多路输出端与第一光时域微分模块的多路输入端连接，所述第一光时域微分模块的多路输出端与第二波分复用器的多路输入端连接，所述第二分复用器的输出端与第一光电探测器的输入端连接，所述第一光电探测器的输出端与第一模数转换器的输入端连接，所述第一模数转换器的输出端与第一存储器的输入端连接；所述第二多模混沌半导体激光器模块的输出端与第三波分复用器的输入端连接，所述第三波分复用器的多路输出端与第二光时域微分模块的多路输入端连接，所述第二光时域微分模块的多路输出端与第四波分复用器的多路输入端连接，所述第四分复用器的输出端与第二光电探测器的输入端连接，所述第二光电探测器的输出端与第二模数转换器的输入端连接，所述第二模数转换器的输出端与第二存储器的输入端连接；所述第一存储器和第二存储器通过公共信道连接，所述第一存储器、第二存储器中还分别储存了控制第一光时域微分模块、第二光时域微分模块的私钥。
一种基于光时域微分的安全高速密钥分发方法，该方法在上述的一种基于光时域微分的安全高速密钥分发系统中实现，该方法是采用如下步骤实现的：
①超辐射发光二极管作为驱动源输出的信号通过1×2光纤耦合器后平均分为两路，分别驱动第一多模混沌半导体激光器模块与第二多模混沌半导体激光器模块使两个模块进入混沌状态并实现同步；
②第一多模混沌半导体激光器模块输出的混沌激光通过第一波分复用器分为多路，然后多路激光进入第一光时域微分模块，所述第一光时域微分模块对输入的混沌波形进行k阶微分，其中模式选择由存储于第一存储器的私钥控制，最后利用第二波分复用器将微分后的混沌信号耦合到同一根光纤中；类似的，第二多模混沌半导体激光器模块输出的混沌激光通过第三波分复用器分为多路，然后多路激光进入第二光时域微分模块，第二光时域微分模块对输入的混沌波形进行k阶微分，其中模式选择由存储于第二存储器的私钥控制，最后利用第四波分复用器将微分后的混沌信号耦合到同一根光纤中；
③第一光电探测器将第二波分复用器输出的混沌激光信号转化为电信号，所述电信号通过第一模数转换器转换为随机序列并储存在第一存储器中；第二光电探测器将第四波分复用器输出的混沌激光信号转化为电信号，所述电信号通过第二模数转换器转换为随机序列并储存在第二存储器中；
④将第一存储器和第二存储器中储存的私钥在公共信道上进行交换，然后选择相同私钥所对应的随机序列便可得到一致的密钥。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种基于光时域微分的安全高速密钥分发系统及方法有以下优势：
（1）本发明有效提升密钥分发速率：一方面得益于宽带的混沌激光，可以保证随机密钥的生成速率达到Gbps；另一方面由于方案中无需中断混沌同步，避免了同步恢复时间对密钥分发速率的影响，由此实现安全密钥的高速分发。
（2）光时域微分模块增强系统安全性：首先，光时域微分模块对输入的混沌波形进行非线性的变化，消除光时域微分模块输出信号与多模混沌半导体激光器模块输出信号的相关性；其次，由私钥控制的光时域微分模块对波长进行随机选择，增加混沌信号的复杂度；此外，随机波长叠加的混沌信号同样增加混沌信号的复杂度，进而增加随机密钥的安全性。
综上所述，本发明设计合理，能有效增加增强密钥分发的安全性，提升密钥分发速率，解决现有密钥分发中安全性不足及分发速率慢的问题。
附图说明
图1为本发明一种基于光时域微分的安全高速密钥分发系统的结构示意图。
图中标记如下：1-超辐射发光二极管，2-1×2光纤耦合器，3-第一多模混沌半导体激光器模块，4-第一波分复用器，5-第一光时域微分模块，6-第二波分复用器，7-第一光电探测器，8-第一模数转换器，9-第一存储器，10-第二多模混沌半导体激光器模块，11-第三波分复用器，12-第二光时域微分模块，13-第四波分复用器，14-第二光电探测器，15-第二模数转换器，16-第二存储器，17-公共信道。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
一种基于光时域微分的安全高速密钥分发系统，如图1所示：包括超辐射发光二极管1、1×2光纤耦合器2、第一多模混沌半导体激光器模块3、第一波分复用器4、第一光时域微分模块5、第二波分复用器6、第一光电探测器7、第一模数转换器8、第一存储器9、第二多模混沌半导体激光器模块10、第三波分复用器11、第二光时域微分模块12、第四波分复用器13、第二光电探测器14、第二模数转换器15、第二存储器16及公共信道17；所述超辐射发光二极管1的输出与1×2光纤耦合器2的输入端连接；所述1×2光纤耦合器2的一个输出端与第一多模混沌半导体激光器模块3连接，另一输出端与第二多模混沌半导体激光器模块10连接；所述第一多模混沌半导体激光器模块3的输出端与第一波分复用器4的输入端连接，所述第一波分复用器4的多路输出端与第一光时域微分模块5的多路输入端连接，所述第一光时域微分模块5的多路输出端与第二波分复用器6的多路输入端连接，所述第二分复用器6的输出端与第一光电探测器7的输入端连接，所述第一光电探测器7的输出端与第一模数转换器8的输入端连接，所述第一模数转换器8的输出端与第一存储器9的输入端连接；所述第二多模混沌半导体激光器模块10的输出端与第三波分复用器11的输入端连接，所述第三波分复用器11的多路输出端与第二光时域微分模块12的多路输入端连接，所述第二光时域微分模块12的多路输出端与第四波分复用器13的多路输入端连接，所述第四分复用器13的输出端与第二光电探测器14的输入端连接，所述第二光电探测器14的输出端与第二模数转换器15的输入端连接，所述第二模数转换器15的输出端与第二存储器16的输入端连接；所述第一存储器9和第二存储器16通过公共信道17连接，所述第一存储器9、第二存储器16中还分别储存了控制第一光时域微分模块5、第二光时域微分模块12的私钥。
本实施例中：所述第一多模混沌半导体激光器模块3与第二多模混沌半导体激光器模块10参数一致，包含N个模式；所述第一波分复用器4、第二波分复用器6、第三波分复用器11及第四波分复用器13参数一致，且波长间隔与多模混沌半导体激光器对应，隔离度大于30dB；所述第一光时域微分模块5与第二光时域微分模块12参数一致；第一模数转换器8与第二模数转换器15参数一致；第一存储器9与第二存储器16参数一致；所述第一光电探测器7与第二光电探测器14参数一致，带宽大于6GHz。
本实施例中：所述第一光时域微分模块5与第二光时域微分模块12均各自包含N个光时域微分器，且光谱范围与多模混沌半导体激光模块波长一一对应。
此外，光时域微分模块可根据私钥对模式进行相应的选择，最终输出叠加的混沌信号可表示为：
其中，E为多模混沌半导体激光器时变电场的复振幅；λi为多模半导体激光器的第i个模式；N为总的模式个数；A λi 为私钥对第i个模式的选取情况（1为选择，0为舍弃）；h ki (t)为第i个光时域微分器的响应函数，k为该微分器的微分阶数；“*”表示卷积运。需说明，为保证混沌激光的正常输出，模式选择过程中不能全部舍弃。
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 (7)
1.一种基于光时域微分的安全高速密钥分发系统，其特征在于：包括超辐射发光二极管（1）、1×2光纤耦合器（2）、第一多模混沌半导体激光器模块（3）、第一波分复用器（4）、第一光时域微分模块（5）、第二波分复用器（6）、第一光电探测器（7）、第一模数转换器（8）、第一存储器（9）、第二多模混沌半导体激光器模块（10）、第三波分复用器（11）、第二光时域微分模块（12）、第四波分复用器（13）、第二光电探测器（14）、第二模数转换器（15）、第二存储器（16）及公共信道（17）；
所述超辐射发光二极管（1）的输出与1×2光纤耦合器（2）的输入端连接；所述1×2光纤耦合器（2）的一个输出端与第一多模混沌半导体激光器模块（3）连接，另一输出端与第二多模混沌半导体激光器模块（10）连接；
所述第一多模混沌半导体激光器模块（3）的输出端与第一波分复用器（4）的输入端连接，所述第一波分复用器（4）的多路输出端与第一光时域微分模块（5）的多路输入端连接，所述第一光时域微分模块（5）的多路输出端与第二波分复用器（6）的多路输入端连接，所述第二波分复用器（6）的输出端与第一光电探测器（7）的输入端连接，所述第一光电探测器（7）的输出端与第一模数转换器（8）的输入端连接，所述第一模数转换器（8）的输出端与第一存储器（9）的输入端连接；
所述第二多模混沌半导体激光器模块（10）的输出端与第三波分复用器（11）的输入端连接，所述第三波分复用器（11）的多路输出端与第二光时域微分模块（12）的多路输入端连接，所述第二光时域微分模块（12）的多路输出端与第四波分复用器（13）的多路输入端连接，所述第四波分复用器（13）的输出端与第二光电探测器（14）的输入端连接，所述第二光电探测器（14）的输出端与第二模数转换器（15）的输入端连接，所述第二模数转换器（15）的输出端与第二存储器（16）的输入端连接；所述第一存储器（9）和第二存储器（16）通过公共信道（17）连接，所述第一存储器（9）、第二存储器（16）中还分别储存了控制第一光时域微分模块（5）、第二光时域微分模块（12）的私钥；
所述密钥分发系统实现密钥分发的具体步骤如下：①超辐射发光二极管（1）作为驱动源输出的信号通过1×2光纤耦合器（2）后平均分为两路，分别驱动第一多模混沌半导体激光器模块（3）与第二多模混沌半导体激光器模块（10）使两个模块进入混沌状态并实现同步；
②第一多模混沌半导体激光器模块（3）输出的混沌激光通过第一波分复用器（4）分为多路，然后多路激光进入第一光时域微分模块（5），所述第一光时域微分模块（5）对输入的混沌波形进行k阶微分，其中模式选择由存储于第一存储器（9）的私钥控制，最后利用第二波分复用器（6）将微分后的混沌信号耦合到同一根光纤中；相应的，第二多模混沌半导体激光器模块（10）输出的混沌激光通过第三波分复用器（11）分为多路，然后多路激光进入第二光时域微分模块（12），第二光时域微分模块（12）对输入的混沌波形进行k阶微分，其中模式选择由存储于第二存储器（16）的私钥控制，最后利用第四波分复用器（13）将微分后的混沌信号耦合到同一根光纤中；
③第一光电探测器（7）将第二波分复用器（6）输出的混沌激光信号转化为电信号，所述电信号通过第一模数转换器（8）转换为随机序列并储存在第一存储器（9）中；第二光电探测器（14）将第四波分复用器（13）输出的混沌激光信号转化为电信号，所述电信号通过第二模数转换器（15）转换为随机序列并储存在第二存储器（16）中；
④将第一存储器（9）和第二存储器（16）中储存的私钥在公共信道（17）上进行交换，然后选择相同私钥所对应的随机序列便可得到一致的密钥。
2.根据权利要求1所述的一种基于光时域微分的安全高速密钥分发系统，其特征在于：所述第一多模混沌半导体激光器模块（3）与第二多模混沌半导体激光器模块（10）参数一致，包含N个模式。
3.根据权利要求1所述的一种基于光时域微分的安全高速密钥分发系统，其特征在于：所述第一波分复用器（4）、第二波分复用器（6）、第三波分复用器（11）及第四波分复用器（13）参数一致，且波长间隔与多模混沌半导体激光器对应，隔离度大于30dB。
4.根据权利要求1所述的一种基于光时域微分的安全高速密钥分发系统，其特征在于：所述第一光时域微分模块（5）与第二光时域微分模块（12）参数一致；第一模数转换器（8）与第二模数转换器（15）参数一致；第一存储器（9）与第二存储器（16）参数一致。
5.根据权利要求1所述的一种基于光时域微分的安全高速密钥分发系统，其特征在于：所述第一光电探测器（7）与第二光电探测器（14）参数一致，带宽大于6GHz。
6.根据权利要求1所述的一种基于光时域微分的安全高速密钥分发系统，其特征在于：所述第一光时域微分模块（5）与第二光时域微分模块（12）均各自包含N个光时域微分器，且光谱范围与多模混沌半导体激光模块波长一一对应。
7.权利要求1所述的基于光时域微分的安全高速密钥分发系统的分发方法，其特征在于：包括如下步骤：
①超辐射发光二极管（1）作为驱动源输出的信号通过1×2光纤耦合器（2）后平均分为两路，分别驱动第一多模混沌半导体激光器模块（3）与第二多模混沌半导体激光器模块（10）使两个模块进入混沌状态并实现同步；
②第一多模混沌半导体激光器模块（3）输出的混沌激光通过第一波分复用器（4）分为多路，然后多路激光进入第一光时域微分模块（5），所述第一光时域微分模块（5）对输入的混沌波形进行k阶微分，其中模式选择由存储于第一存储器（9）的私钥控制，最后利用第二波分复用器（6）将微分后的混沌信号耦合到同一根光纤中；相应的，第二多模混沌半导体激光器模块（10）输出的混沌激光通过第三波分复用器（11）分为多路，然后多路激光进入第二光时域微分模块（12），第二光时域微分模块（12）对输入的混沌波形进行k阶微分，其中模式选择由存储于第二存储器（16）的私钥控制，最后利用第四波分复用器（13）将微分后的混沌信号耦合到同一根光纤中；
③第一光电探测器（7）将第二波分复用器（6）输出的混沌激光信号转化为电信号，所述电信号通过第一模数转换器（8）转换为随机序列并储存在第一存储器（9）中；第二光电探测器（14）将第四波分复用器（13）输出的混沌激光信号转化为电信号，所述电信号通过第二模数转换器（15）转换为随机序列并储存在第二存储器（16）中；
④将第一存储器（9）和第二存储器（16）中储存的私钥在公共信道（17）上进行交换，然后选择相同私钥所对应的随机序列便可得到一致的密钥。
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|---|---|---|---|---|
| WO2016204847A2 (en) * | 2015-03-31 | 2016-12-22 | Corning Incorporated | Systems and methods for quantum key generation |
| CN108180853A (zh) * | 2017-12-22 | 2018-06-19 | 太原理工大学 | 一种基于混沌调制的布里渊光时域反射应变检测装置 |
| CN108989036A (zh) * | 2018-09-30 | 2018-12-11 | 太原理工大学 | 基于混沌激光分时量化的高速密钥安全分发系统及方法 |
| CN110601829A (zh) * | 2019-09-12 | 2019-12-20 | 太原理工大学 | 一种高速混沌密钥安全分发系统及方法 |
| CN111147234A (zh) * | 2019-12-06 | 2020-05-12 | 太原理工大学 | 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 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 利用保密增强实现基于混沌激光同步的安全密钥分发;赵琦等;《中国科技论文》;20160723(第14期);全文 * |
| 基于功率谱分析法光反馈半导体激光器时延信息识别的研究;武媛;《中国优秀硕士学位论文全文数据 信息科技辑》;20150815;第2-4章 * |
| 混沌激光通信的保密性能研究进展;赵清春等;《激光与光电子学进展》;20100310(第03期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112291008A (zh) | 2021-01-29 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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