CN112422267A - 基于光混沌的扩频保密通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光信息技术领域，具体涉及基于光混沌的扩频保密通信系统。包括两个混沌激光器、三个光耦合器、第一电光耦合器光开关、第一光参量放大器、两个阵列波导光栅、第一半导体光放大器、两条光纤、两个光电检测器、两个电放大器和第一相关器。本发明结合了光混沌通信技术与光扩频通信技术，在信号发送端与接收端利用混沌同步产生完全相同的光混沌扩频序列，在发送端将电平信号调制到光混沌信号的功率波形上，在接收端利用同步的本地光扩频信号进行相关解扩，最终实现光混沌扩频保密通信；本发明具有节约成本、性能稳定、误码率低和保密性强的特点。

Description

基于光混沌的扩频保密通信系统
技术领域
本发明属于光信息技术领域，具体涉及基于光混沌的扩频保密通信系统。
背景技术
随着通信技术的不断发展，信息的高速和安全可靠传输变得越来越重要，直接关乎每个人的切身利益。混沌扩频通信是使用混沌序列代替扩频通信的伪随机序列，由于混沌序列具有类噪声、宽带、相关性好、长期行为不可预测等特点，在激光保密通信领域具有良好的应用前景。利用激光混沌同步技术进行光扩频通信具有成本低、性能稳定、保密性强等特点。
目前，大多数激光混沌通信系统均采用半导体混沌激光器，然而半导体混沌激光器固有的缺陷容易导致有限带宽受限以及激光器时延信息泄露，使得激光混沌通信系统的保密安全性不是很理想。因此，设计一种保密性更强的基于光混沌的扩频保密通信系统就显得十分必要。
例如，申请号为CN201710406274.4的中国发明专利所述的一种基于超宽带扩频混沌载波的通信系统及通信方法，通过采用所述接收装置包括频谱压缩模块，与频谱压缩模块连接的第一光耦合器OC1，所述第一光耦合器OC1输出为两路，一路直接连接混沌同步单元，另一路通过光电转换单元连接混沌同步单元第一连接端；所述发送装置包括混沌外腔激光器，与混沌外腔激光器连接的MZ调制器，与MZ调制器连接的扩频模块；频谱压缩模块与扩频模块参数相反。虽然解决了混沌载波的通信系统存在的保密性低的技术问题，但是其缺点在于由于在接收端无需再对光扩频信号进行相关解扩操作，解密出发送端传送的信息，如果信号在传输途中被截获，容易被解密，整体扩频系统的安全保密性还是有所欠缺。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中，现有的激光混沌通信系统存在信息传输保密安全性较差的问题，提供了一种不仅能够实现光混沌扩频，而且具有节约成本、性能稳定、保密性强的基于光混沌的扩频保密通信系统。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
基于光混沌的扩频保密通信系统，包括第一混沌激光器、第二混沌激光器、第一光耦合器、第二光耦合器、第三光耦合器、第一电光耦合器光开关、第一光参量放大器、第一阵列波导光栅、第二阵列波导光栅、第一半导体光放大器、第一光纤、第二光纤、第一光电检测器、第二光电检测器、第一电放大器、第二电放大器和第一相关器；所述第一混沌激光器、第一光耦合器、第二光纤、第三光耦合器、第二混沌激光器依次连接，构成发送端与接收端的混沌同步链路；所述第一混沌激光器为发送端，所述第二混沌激光器为接收端；所述第一光耦合器、第一电光耦合器光开关、第一光参量放大器、第一阵列波导光栅、第二光耦合器依次连接，用于对混沌信号进行波长转换以及对转换后的光信号进行滤波；所述第一电光耦合器光开关、第一半导体光放大器、第二阵列波导光栅、第二光耦合器依次连接；所述第一光耦合器、第一电光耦合器光开关、第一光参量放大器、第一阵列波导光栅、第一半导体光放大器、第二阵列波导光栅和第二光耦合器构成发送端混沌扩频模块；所述第二光耦合器、第一光纤、第一光电检测器、第一电放大器、第一相关器依次连接，用于完成扩频信号的传输、检测与接收；所述第二混沌激光器、第三光耦合器、第二光电检测器、第二电放大器、第一相关器依次连接，用于实现混沌光信号从光到电的转换以及对接收信号的解扩。
作为优选，所述第一混沌激光器和第二混沌激光器的器件参数相同且混沌同步。
作为优选，所述第一混沌激光器和第二混沌激光器的透明载流子数均为1.6633×108。
作为优选，所述第一混沌激光器和第二混沌激光器的光纤延迟为2.67ns。
作为优选，所述第一混沌激光器和第二混沌激光器的阈值电流均为32mA。
作为优选，所述第一光电检测器和第二光电检测器的量子效率均为10％。
作为优选，所述第一电放大器和第二电放大器的增益均为10dB。
作为优选，所述第一电光耦合器光开关的开关电压为5.42V。
作为优选，所述第一混沌激光器和第二混沌激光器产生的信号波长均为1550nm，功率均为10mW。
本发明与现有技术相比，有益效果是：(1)本发明结合了光混沌通信技术与光扩频通信技术，在信号发送端与接收端利用混沌同步产生完全相同的光混沌扩频序列，在发送端通过电光耦合器光开关、光参量放大器、半导体光放大器、光耦合器等将电平信号调制到光混沌信号的功率波形上，在接收端利用同步的本地光扩频信号进行相关解扩，最终实现光混沌扩频保密通信；(2)本发明具有节约成本、性能稳定、误码率低和保密性强的特点。
附图说明
图1为本发明基于光混沌的扩频保密通信系统的一种结构示意图；
图2为本发明中第一混沌激光器发送的一种信号示意图；
图3为本发明中第二光耦合器输出的一种扩频信号示意图；
图4为本发明中第一混沌激光器发送的一种二进制信号示意图；
图5为本发明中第二混沌激光器接收解扩后的一种二进制信号示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
实施例1：
如图1所示的基于光混沌的扩频保密通信系统，包括第一混沌激光器1-1和第二混沌激光器1-2，第一光耦合器2-1、第二光耦合器2-2和第三光耦合器2-3，第一电光耦合器光开关3-1，第一光参量放大器4-1，第一阵列波导光栅5-1和第二阵列波导光栅5-2，第一半导体光放大器6-1，第一光纤7-1和第二光纤7-2，第一光电检测器8-1和第二光电检测器8-2，第一电放大器9-1和第二电放大器9-2，第一相关器10-1。所述第一光耦合器2-1、第一电光耦合器光开关3-1、第一光参量放大器4-1、第一阵列波导光栅5-1、第一半导体光放大器6-1、第二阵列波导光栅5-2和第二光耦合器2-2构成发送端混沌扩频模块。
其中，第一混沌激光器1-1的a1端口和第一光耦合器2-1的b1端口连接，第一光耦合器2-1用于将混沌光信号分成两路；第一光耦合器2-1的b3端口和第二光纤7-2的o1端口连接，第二光纤7-2的o2端口和第三光耦合器2-3的n2端口连接，第三光耦合器2-3的n1端口和第二混沌激光器1-2的m1端口连接，形成发送端与接收端的混沌同步链路。
第一光耦合器2-1的b2端口与第一电光耦合器光开关3-1的c1端口连接，第一定向光耦合器电光开关3-1的c2端口与第一光参量放大器4-1的d1端口连接，利用第一光参量放大器的四波混频效应对混沌信号进行波长转换，第一光参量放大器4-1的d2端口与第一阵列波导光栅5-1的e1端口连接。第一阵列波导光栅5-1的e2端口与第二光耦合器2-2的h1端口连接，用于对转换后的光信号进行滤波。
第一电光耦合器光开关3-1的c3端口与第一半导体光放大器6-1的f1端口连接，利用第一半导体光放大器的交叉增益调制效应，对“0”混沌信号进行功率波形翻转。第一半导体光放大器6-1的f2端口与第二阵列波导光栅5-2的g1端口连接，用于对转换后输出光进行滤波；第二阵列波导光栅5-2的g2端口与第二光耦合器2-2的h2端口连接，用于与上述波长转换电路合波后，实现对待传输信号的混沌扩频调制。
第二光耦合器2-2的h3端口与第一光纤7-1的i1端口连接，第一光纤7-1的i2端口与第一光电检测器8-1的j1端口连接，用于完成光混沌扩频信号在光纤链路中的传输。第一光电检测器8-1的j2端口与第一电放大器9-1的k1端口连接，用于完成扩频信号的检测与接收；第三光耦合器2-3的n3端口与第二光电检测器8-2的p1端口连接，第二光电检测器8-2的p2端口与第二电放大器9-2的q1端口连接，用于实现本地同步混沌光信号从光到电的转换。
第一电放大器9-1的k2端口与第一相关器10-1的l1端口连接，第二电放大器9-2的q2端口与第一相关器的l2端口连接，用于完成对接收信号的解扩。
本发明根据混沌信号优良的自相关特性，利用一个光扩频模块实现对信号的混沌扩频。首先第一混沌激光器1-1产生混沌驱动光信号，将产生的混沌信号输入到第一光耦合器2-1中，分出两路信号，其中一路信号作为驱动信号经过第二光纤7-2输入到接收端的本地混沌激光器中，与被驱动的第一半导体激光器6-1实现混沌同步，混沌同步要求收发双方的结构、器件参数完全一致，即所述第一混沌激光器1-1和第二混沌激光器1-2的器件参数相同且混沌同步。另一路信号输入电光耦合器光开关，将待传输的二进制信息序列作为第一电光耦合器光开关3-1的控制电压对混沌扩频信号进行调制，当发送信息处于“0”比特周期内时，调节第一电光耦合器光开关3-1的控制电压与开关电压相等，使比特周期内的混沌信号从光开关的交叉臂输出；在交叉臂端利用第一半导体光放大器6-1的交叉增益调制效应，对混沌信号进行功率波形翻转，再利用第二阵列波导光栅5-2进行滤波；当发送信息处于“1”比特周期内时，调节第一电光耦合器光开关3-1的控制电压为0V，使比特周期内的混沌信号从光开关的直通臂输出，在直通臂端利用第一光参量放大器4-1的四波混频效应进行波长转换，使交叉臂和直通臂输出的混沌信号波长相同；运用第二光耦合器2-2进行合波，实现信息信号的扩频。
具体效果如图2和图3所示，在经过混沌扩频模块后，“0”信号混沌波形成功实现了功率波形翻转，“1”信号混沌波形保持不变，表明系统的发送端能够实现信号的扩频调制。
解码的过程从接收端进行相关解扩，再进行极性变换，就能解密出发送端传送的信息，这样增加了扩频系统的保密性，假使信号在传输途中被截获，若无信宿的本地信号和信息序列的周期，也无法成功解码出要传递的信息。
另外，当发送的是为图4所示的一种二进制信号时，在经过本发明系统的扩频和解扩程序后，接收到如图5所示的解扩后的二进制信号。对比两者的信号完全相同，说明本发明在对保密扩频信号的解扩恢复效果十分显著。
进一步的，所述第一混沌激光器1-1和第二混沌激光器1-2的透明载流子数均为1.6633×108。
进一步的，所述第一混沌激光器1-1和第二混沌激光器1-2的光纤延迟为2.67ns。
进一步的，所述第一混沌激光器1-1和第二混沌激光器1-2的阈值电流均为32mA。
进一步的，所述第一光电检测器8-1和第二光电检测器8-2的量子效率均为10％。
进一步的，所述第一电放大器9-1和第二电放大器9-2的增益均为10dB。
进一步的，所述第一电光耦合器光开关3-1的开关电压为5.42V。
进一步的，所述第一混沌激光器1-1和第二混沌激光器1-2产生的信号波长均为1550nm，功率均为10mW
本发明的工作实现方式主要过程如下：
S1，发送端第一混沌激光器1-1与接收端第二混沌激光器1-2利用混沌同步产生完全相同的光混沌扩频信号；
S2，利用二进制序列调节第一电光耦合器光开关3-1的电压，在发送“0”和“1”信号时分别将该比特周期内的混沌信号输入交叉臂和直通臂，实现对待传输信号的扩频调制；
S3，利用第一半导体光放大器6-1的交叉增益调制效应，实现对“0”比特周期的混沌光信号的功率波形翻转；
S4，利用第一光参量放大器4-1的四波混频效应，实现对“1”比特周期的混沌光信号的波长转换；
S5，根据扩频通信原理，在接收端利用本地同步的混沌扩频码与接收的扩频信号相乘，实现对加密信号的相关解扩。
本发明结合了光混沌通信技术与光扩频通信技术，在信号发送端与接收端利用混沌同步产生完全相同的光混沌扩频序列，在发送端通过电光耦合器光开关、光参量放大器、半导体光放大器、光耦合器等将电平信号调制到光混沌信号的功率波形上，在接收端利用同步的本地光扩频信号进行相关解扩，最终实现光混沌扩频保密通信；本发明具有节约成本、性能稳定、误码率低和保密性强的特点。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.基于光混沌的扩频保密通信系统，其特征在于，包括第一混沌激光器、第二混沌激光器、第一光耦合器、第二光耦合器、第三光耦合器、第一电光耦合器光开关、第一光参量放大器、第一阵列波导光栅、第二阵列波导光栅、第一半导体光放大器、第一光纤、第二光纤、第一光电检测器、第二光电检测器、第一电放大器、第二电放大器和第一相关器；所述第一混沌激光器、第一光耦合器、第二光纤、第三光耦合器、第二混沌激光器依次连接，构成发送端与接收端的混沌同步链路；所述第一混沌激光器为发送端，所述第二混沌激光器为接收端；所述第一光耦合器、第一电光耦合器光开关、第一光参量放大器、第一阵列波导光栅、第二光耦合器依次连接，用于对混沌信号进行波长转换以及对转换后的光信号进行滤波；所述第一电光耦合器光开关、第一半导体光放大器、第二阵列波导光栅、第二光耦合器依次连接；所述第一光耦合器、第一电光耦合器光开关、第一光参量放大器、第一阵列波导光栅、第一半导体光放大器、第二阵列波导光栅和第二光耦合器构成发送端混沌扩频模块；所述第二光耦合器、第一光纤、第一光电检测器、第一电放大器、第一相关器依次连接，用于完成扩频信号的传输、检测与接收；所述第二混沌激光器、第三光耦合器、第二光电检测器、第二电放大器、第一相关器依次连接，用于实现混沌光信号从光到电的转换以及对接收信号的解扩。
2.根据权利要求1任一项所述的基于光混沌的扩频保密通信系统，其特征在于，所述第一混沌激光器和第二混沌激光器的器件参数相同且混沌同步。
3.根据权利要求2所述的基于光混沌的扩频保密通信系统，其特征在于，所述第一混沌激光器和第二混沌激光器的透明载流子数均为1.6633×108。
4.根据权利要求2所述的基于光混沌的扩频保密通信系统，其特征在于，所述第一混沌激光器和第二混沌激光器的光纤延迟为2.67ns。
5.根据权利要求2所述的基于光混沌的扩频保密通信系统，其特征在于，所述第一混沌激光器和第二混沌激光器的阈值电流均为32mA。
6.根据权利要求1所述的基于光混沌的扩频保密通信系统，其特征在于，，所述第一光电检测器和第二光电检测器的量子效率均为10％。
7.根据权利要求1所述的基于光混沌的扩频保密通信系统，其特征在于，所述第一电放大器和第二电放大器的增益均为10dB。
8.根据权利要求1-6任一项所述的基于光混沌的扩频保密通信系统，其特征在于，所述第一电光耦合器光开关的开关电压为5.42V。
9.根据权利要求2-5任一项所述的基于光混沌的扩频保密通信系统，其特征在于，所述第一混沌激光器和第二混沌激光器产生的信号波长均为1550nm，功率均为10mW。
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