CN113890721B - 具有随机密钥与复杂熵源的光混沌保密通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明具有随机密钥和复杂熵源的光混沌保密通信系统，掺铒光纤放大器发出光信号，通过光放大器、光耦合器后分别进入相位调制器、波分复用器；激光器产生光信号，通过相位调制器、光纤布拉格光栅、相位调制器二后进入光耦合器二，分两路：一是通过G‑T干涉仪级联群、可调延迟线、光电探测器、射频放大器后返回相位调制器二，二是进入波分复用器；波分复用器依次通过单模光纤、波分复用器二等后与相减器相连；波分复用器二还与相位调制器三相连，相位调制器三与激光器二相连，相位调制器三通过光纤布拉格光栅二后与相位调制器四相连，相位调制器四依次通过光耦合器三等后与相减器相连；光耦合器三还通过G‑T干涉仪二等后接入相位调制器四。
Description
技术领域
本发明属于光信息技术领域，具体涉及一种具有随机密钥与复杂熵源的光混沌保密通信系统。
背景技术
混沌系统具有宽带宽、类噪声、对初始条件极度敏感且动力学复杂等特性，将混沌系统与光纤通信相结合可以实现基于物理层硬件加密的光混沌保密通信系统，与传统的应用层加解密系统相比，其具有更强的安全性，以及广阔的应用前景和应用价值。
物理层加密的关键是拥有足够随机或伪随机的波形来对信息进行掩盖。在目前已有的混沌通信系统中，往往存在采用低复杂度载波或小密钥空间而导致的系统安全性问题。因此，应尽可能采用复杂度或随机性较高的载波，以及由物理参数决定的高精度大密钥空间来保障通信系统的安全性。同时，复杂度较高的载波可有效掩盖密钥信息，较大的密钥空间可保障发射端硬件参数不被轻易破解，两者互相遮蔽，使非法接收方无法轻易复制发射端的混沌动力学，对信息进行截获，从而有效提升了通信系统保密性。
发明内容
本发明的目的是为了提升光混沌通信系统的安全性，提供了一种具有随机密钥和复杂熵源的光混沌保密通信系统。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
具有随机密钥和复杂熵源的光混沌保密通信系统，包括掺铒光纤放大器、第一激光器，掺铒光纤放大器发出第一光信号，通过第一光放大器、第一光耦合器后分两路分别进入第一相位调制器、第一波分复用器；第一激光器产生第二光信号，通过第一相位调制器、第一光纤布拉格光栅、第二相位调制器后进入第二光耦合器，第二光耦合器分两路，第一路通过第一G-T干涉仪级联群、第一可调延迟线、第一光电探测器、第一射频放大器后返回第二相位调制器，第二路进入第一波分复用器；第一波分复用器依次通过单模光纤、第二波分复用器、第一马赫-曾德尔干涉仪、第二光放大器、第三光电探测器与相减器相连；第二波分复用器还与第三相位调制器相连，第三相位调制器与第二激光器相连，第三相位调制器通过第二光纤布拉格光栅后与第四相位调制器相连，第四相位调制器依次通过第三光耦合器、第二马赫-曾德尔干涉仪、第三光放大器、第四光电探测器后与相减器相连；第三光耦合器还通过第二G-T干涉仪、第二可调延迟线、第二光电探测器、第二射频放大器后接入第四相位调制器。
放大后的第一信号由第一光耦合器分为第三信号光和第四信号光，第四信号光与激光器产生的第二信号光在第一相位调制器中发生调制产生第五光信号，第五光信号经过第一光纤布拉格光栅实现相位到强度的转换，转换后通过第二相位调制器进入电光时延反馈环中，光信号依次经过第一G-T干涉仪级联群、第一可调延迟线、第一光电探测器和第一射频放大器，并反馈回第二相位调制器中，接着通过第一波分复用器传入信道中传输，第三光信号也经过第一波分复用器传入信道中传输。第一波分复用器将第五光信号与第三光信号由汇合为第六光信号，第六光信号通过单模光纤传输至接收端的第二波分复用器，重新分解为第三光信号和第五光信号。接收端的第二半导体激光器产生第七光信号，与第三光信号在第三相位调制器中进行调制，调制后的信号依次通过第二光纤布拉格光栅、第四相位调制器、第三光耦合器、第二G-T干涉仪级联群、第二可调延迟线、第二光电探测器、第二射频放大器后馈入第四相位调制器，产生与第五光信号相同的第八光信号，再通过第二马赫-曾德尔干涉仪实现相位到强度的转化，转换后由第三光放大器和第四光电探测器进行放大并将光信号转化为电信号，输入相减器中。而第三光信号直接通过第一马赫-曾德尔干涉仪、第二光放大器和第三光电探测器，输入相减器中与第八光信号相减恢复出接收端信息。
作为优选方案，16QAM信息通过第二光耦合器耦合入混沌波形中。
作为优选方案，掺铒光纤放大器产生的第一光信号(放大自发辐射噪声)既作为发射端与接收端的高复杂度熵源提供初始值，又作为随机密钥建立起两端系统的同步性。
作为优选方案，掺铒光纤放大器产生的放大自发辐射噪声的中心频率为193.4THZ，激光器产生光波的中心频率为193.1THZ。
作为优选方案，G-T干涉仪级联群由多个G-T干涉仪组成，可以对不同频率的光信号产生不同程度的时延，增加密钥的复杂性。
作为优选方案，可调延迟线具有较高精度，可大幅增加密钥空间。
作为优选方案，发射端与接收端采用相同的硬件参数，即：第一激光器、第二激光器采用相同的硬件参数；第一光放大器、第二光放大器、第三光放大器采用相同的硬件参数；第一光耦合器、第二光耦合器、第三光耦合器采用相同的硬件参数；第一相位调制器、第二相位调制器、第三相位调制器、第四相位调制器采用相同的硬件参数；第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅采用相同的硬件参数；第一G-T干涉仪级联群、第二G-T干涉仪级联群采用相同的硬件参数；第一可调延迟线、第二可调延迟线采用相同的硬件参数；第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器采用相同的硬件参数；第一射频放大器、第二射频放大器采用相同的硬件参数；第一波分复用器、第二波分复用器采用相同的硬件参数；第一马赫-曾德尔干涉仪、第二马赫-曾德尔干涉仪采用相同的硬件参数。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
本发明具有随机密钥与复杂熵源的光混沌保密通信系统，采用掺铒光纤放大器产生放大自发辐射噪声作为发射端与接收端的复杂熵源，使系统产生复杂度较高的混沌波形；此外，放大自发辐射噪声还作为随机密钥建立起发射端与接收端的同步性，提高了通信系统的保密性，并在电光时延反馈环中加入G-T干涉仪级联群和可调延迟线增加密钥复杂程度，增强系统安全性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细的描述。
图1是本发明实施例具有随机密钥和复杂熵源光混沌保密通信系统的示意图。
图2为本发明实施例具有随机密钥和复杂熵源的光混沌保密通信系统中发送端输出信号x(t)的混沌吸引子。
图3为本发明实施例具有随机密钥和复杂熵源的光混沌保密通信系统中可调延迟线延迟时间失配程度与两端混沌波形互相关函数的曲线图。一般而言，互相关函数不小于0.9时，才认为两端波形具有较好的同步性。
图4为本发明实施例具有随机密钥和复杂熵源的光混沌保密通信系统中G-T干涉仪数量失配与两端混沌波形互相关函数的曲线图。
图5为本发明实施例具有随机密钥和复杂熵源的光混沌保密通信系统中G-T干涉仪腔长失配与两端混沌波形互相关函数的曲线图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图对本发明的技术方案作进一步描述说明。显而易见地，以下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，也可以根据如下附图获得其他的附图及实施方式。
如图1所示，本实施例具有随机密钥和复杂熵源的光混沌保密通信系统，包括发送端和接收端具体包括如下元器件：掺铒光纤放大器1、第一光放大器2-1、第一光耦合器3-1、第一激光器4-1、第一相位调制器5-1、第一光纤布拉格光栅6-1、第二相位调制器5-2、第二光耦合器3-2、第一G-T干涉仪级联群7-1、第一可调延迟线8-1、第一光电探测器9-1、第一射频放大器10-1、第一波分复用器11-1、单模光纤12、第二波分复用器11-2、第一马赫-曾德尔干涉仪13-1、第二光放大器2-2、第三光电探测器9-3、第二激光器4-2、第三相位调制器5-3、第二光纤布拉格光栅6-2、第四相位调制器5-4、第三光耦合器3-3、第二G-T干涉仪级联群7-2、第二可调延迟线8-2、第二光电探测器9-2、第二射频放大器10-2、第二马赫-曾德尔干涉仪13-2、第三光放大器2-3、第四光电探测器9-4、相减器14；其中，发射端包括掺铒光纤放大器、第一光放大器、第一光耦合器、第一激光器、第一相位调制器、第一光纤布拉格光栅、第二相位调制器、第二光耦合器、第一G-T干涉仪级联群、第一可调延迟线、第一光电探测器、第一射频放大器、第一波分复用器；接收端包括第二波分复用器、第一马赫-曾德尔干涉仪、第二光放大器、第三光电探测器、第二激光器、第三相位调制器、第二光栅布拉格光纤、第四相位调制器、第三光耦合器、第二G-T干涉仪级联群、第二可调延迟线、第二光电探测器、第二射频放大器、第二马赫-曾德尔干涉仪、第三光放大器、第四光电探测器、相减器。
上述元器件的具体连接方式如下：
发射端中，掺铒光纤放大器1的端口a1与第一光放大器2-1的第一端口b1相连，第一光放大器2-1的第二端口b2与第一光耦合器3-1的第一端口c1相连，第一光耦合器3-1的第二端口c2与第一波分复用器11-1的第一端口d1相连。
第一半导体激光器4-1的第一端口e1与第一相位调制器5-1的第一端口f1相连。第一光耦合器3-1的第三端口c3与第一相位调制器5-1的第三端口f3相连，第一相位调制器5-1的第二端口f2与第一光纤布拉格光栅6-1的第一端口g1相连，第一光纤布拉格光栅6-1的第二端口g2与第二相位调制器5-2的第一端口h1相连，第二相位调制器5-2的第二端口h2与第二光耦合器3-2的第一端口i1相连，第二光耦合器3-2的第二端口i2与第一G-T干涉仪级联群7-1的第一端口j1相连，第一G-T干涉仪级联群7-1的第二端口j2与第一可调延迟线8-1的第一端口k1相连，第一可调延迟线8-1的第二端口k2与第一光电探测器9-1的第一端口l1相连，第一光电探测器9-1的第二端口l2与第一射频放大器10-1的第一端口m1相连，第一射频放大器10-1的第二端口m2与第二相位调制器5-2的第三端口h3相连，从第二相位调制器5-2的h2端口到h3端口形成一个电光时延反馈环。
第二光耦合器3-2的第三端口i3与第一波分复用器11-1的第一端口d1相连，第一波分复用器11-1的第二端口d2与单模光纤12的第一端口n1相连，单模光纤12的第二端口n2与第二波分复用器11-2的第一端口o1相连，第二波分复用器11-2的第二端口o2与第三相位调制器5-3的第二端口q2相连，第二半导体激光器4-2的端口p1与第三相位调制器5-3的第一端口q1相连，第三相位调制器5-3的第三端口q3与第二光纤布拉格光栅6-2的第一端口r1相连，第二光纤布拉格光栅6-2的第二端口r2与第四相位调制器5-4的第一端口s1相连，第四相位调制器5-4的第二端口s2与第三光耦合器3-3的第一端口t1相连，第三光耦合器3-3的第二端口t2与第二G-T干涉仪级联群7-2的第一端口u1相连，第二G-T干涉仪级联群7-2的第二端口u2与第二可调延迟线8-2的第一端口v1相连，第二可调延迟线8-2的第二端口v2与第二光电探测器9-2的第一端口w1相连，第二光电探测器9-2的第二端口w2与第一射频放大器10-2的第一端口x1相连，第一射频放大器10-2的第二端口x2与第四相位调制器5-4的第三端口s3相连，从第四相位调制器5-4的端口s2到端口s3构成一个电光时延反馈环。
第三光耦合器3-3的第三端口t3与第二马赫-曾德尔干涉仪13-2的第一端口z1相连，第二马赫-曾德尔干涉仪13-2的第二端口z2与第三光放大器2-3的第一端口A1相连，第三光放大器2-3的第二端口A2与第四光电探测器9-4的第一端口D1相连，第四光电探测器9-4的第二端口D2与相减器14的第二端口E2端口相连。第二波分复用器11-2的第二端口o2与第一马赫-曾德尔干涉仪13-1的第一端口y1相连，第一马赫-曾德尔干涉仪13-1的第二端口y2与第二光放大器2-2的第一端口B1相连，第二光放大器2-2的第二端口B2与第三光电探测器9-3的第一端口C1相连，第三光电探测器9-3的第二端口C2与相减器14的第一端口E1相连，相减器14的第三端口E3输出恢复出的信息。
本实施例公开的具有随机密钥和复杂熵源的光混沌保密通信系统中，其对信息实现强度相位双重加密及提高系统安全性的方法原理为：混沌保密通信系统是一种基于物理层硬件加密的系统，物理层加密的关键是拥有足够随机性或复杂性的熵源，以此产生随机或伪随机信号来对信息进行掩盖。此处利用掺铒光纤放大器产生的放大自发辐射噪声作为复杂熵源，对中心频率为193.1THZ的光波进行相位调制，将放大自发辐射噪声搭载在光波上产生相位混沌波形，随后通过光纤布拉格光栅将相位混沌转换为强度混沌。强度混沌波进入带有可调延迟线和G-T干涉仪级联群的电光时延反馈环中继续生成相位混沌波。其中，可调延迟线具有较大的调节范围，有效增大了密钥空间，G-T干涉仪可以对不同频率的光信号产生不同程度的时延，增强了密钥空间的复杂性，并通过光耦合器将16QAM信息耦合入混沌载波中，最终实现对信息相位和强度的双加密。并利用波分复用器将中心频率为193.4THZ的放大自发辐射噪声与中心频率为193.1THZ的加密信息汇合再一起，通过单模光纤传输至接收端，传输至接收端的放大自发辐射噪声用于驱动接收端产生与发射端相同的强度加密波，并采用与发射端完美匹配的电光时延反馈环，最终产生与发射端完全同步的混沌波形，之后分别通过两个马赫-曾德尔干涉仪实现加密波形和接收端混沌波形从相位到强度的转换，再利用相减器将加密信息与接收端产生的混沌波形进行相减，即可恢复出发射端的明文信息。由此可见，放大自发辐射噪声在发送端与接收端均作为随机熵源存在，驱动系统产生复杂度较高的混沌波形，并作为随机密钥建立起发射端与接收端的同步性，若第三方想要搭建非法接收端，则必须获得与接收端同步且同时刻的放大自发辐射噪声才有可能驱动非法接收端产生与发射端相同的混沌波形。除此之外，可调延迟线的延迟时间以及G-T干涉仪级联群的时延曲线信息和级联个数作为多维密钥存在于系统之中，与放大自发辐射噪声协同工作增加系统密钥的复杂程度，增加第三方破译密钥的难度，提高系统的安全性。
本实施例具有随机密钥和复杂熵源的光混沌通信系统实现通信的过程如下：
1.通过相位调制器将掺铒光纤放大器产生的中心频率为193.4THz的放大自发辐射噪声搭载到中心频率为193.1THz的光波上，产生相位混沌波，相位混沌波通过光纤布拉格光栅实现相位到强度的转化，输出强度混沌波形。
2.输出的强度混沌波进入电光时延反馈环中，G-T干涉仪级联群可对输入的波形产生不同程度的延时，可调延迟线扩大了时延密钥空间，光电检测器将光信号转化为电信号，经射频放大器放大后反馈回相位调制器中，产生相位上的加密，并利用耦合器将16QAM信息与混沌载波耦合在一起，实现对信息相位和强度的双重掩盖，输出加密信息。
3.利用波分复用器将发射端的放大自发辐射噪声与加密信息经信道一同传输至接收端，放大自发辐射噪声驱动接收端产生与发射端相同的强度混沌波形，并利用与发射端硬件参数相同的器件，如光纤布拉格光栅的累计色散度、可调延迟线的延迟时间、G-T干涉仪级联群的时延曲线及级联个数等，构建与发射端匹配的电光时延反馈环，以此产生同步的混沌波形。再利用两个马赫-曾德尔干涉仪分别对加密信息和接收端混沌波形实现相位到强度的转换，并将两路波形通过相减器相减，恢复出发射端信息。
本发明中，放大自发辐射噪声在发送端与接收端均作为复杂熵源存在，驱动系统产生复杂度较高的混沌波形，并作为随机密钥建立起发射端与接收端的同步性能，与可调延迟线、G-T干涉仪级联群相结合，扩大了密钥空间，提高了系统的保密性能。
以上为本发明的优选实施方式，并不限定本发明的保护范围，对于本领域普通技术人员而言，依据本发明提供的研究思路，在具体的设计方案上会有改进之处，而这些改变也应当视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.具有随机密钥和复杂熵源的光混沌保密通信系统，其特征在于，包括掺铒光纤放大器(1)、第一激光器(4-1)，掺铒光纤放大器(1)发出第一光信号，通过第一光放大器(2-1)、第一光耦合器(3-1)后分两路分别进入第一相位调制器(5-1)、第一波分复用器(11-1)；第一激光器(4-1)产生第二光信号，通过第一相位调制器(5-1)、第一光纤布拉格光栅(6-1)、第二相位调制器(5-2)后进入第二光耦合器(3-2)，第二光耦合器(3-2)分两路，第一路通过第一G-T干涉仪级联群(7-1)、第一可调延迟线(8-1)、第一光电探测器(9-1)、第一射频放大器(10-1)后返回第二相位调制器(5-2)，第二路进入第一波分复用器(11-1)；
第一波分复用器(11-1)依次通过单模光纤(12)、第二波分复用器(11-2)、第一马赫-曾德尔干涉仪(13-1)、第二光放大器(2-2)、第三光电探测器(9-3)后与相减器(14)相连；第二波分复用器(11-2)还与第三相位调制器(5-3)相连，第三相位调制器(5-3)与第二激光器(4-2)相连，第三相位调制器(5-3)通过第二光纤布拉格光栅(6-2)后与第四相位调制器(5-4)相连，第四相位调制器(5-4)依次通过第三光耦合器(3-3)、第二马赫-曾德尔干涉仪(13-2)、第三光放大器(2-3)、第四光电探测器(9-4)后与相减器(14)相连；第三光耦合器(3-3)还通过第二G-T干涉仪级联群(7-2)、第二可调延迟线(8-2)、第二光电探测器(9-2)、第二射频放大器(10-2)后接入第四相位调制器(5-4)。
2.根据权利要求1所述的具有随机密钥和复杂熵源的光混沌保密通信系统，其特征在于，掺铒光纤放大器(1)产生的放大自发辐射噪声的中心频率为193.4Thz，第一激光器(4-1)、第二激光器(4-2)产生光波的中心频率为193.1Thz。
3.根据权利要求1或2所述的具有随机密钥和复杂熵源的光混沌保密通信系统，其特征在于：第一激光器(4-1)、第二激光器(4-2)采用相同的硬件参数。
4.根据权利要求1所述的具有随机密钥和复杂熵源的光混沌保密通信系统，其特征在于：第一光放大器(2-1)、第二光放大器(2-2)、第三光放大器(2-3)采用相同的硬件参数。
5.根据权利要求1或4所述的具有随机密钥和复杂熵源的光混沌保密通信系统，其特征在于：第一光耦合器(3-1)、第二光耦合器(3-2)、第三光耦合器(3-3)采用相同的硬件参数。
6.根据权利要求1所述的具有随机密钥和复杂熵源的光混沌保密通信系统，其特征在于，第一相位调制器(5-1)、第二相位调制器(5-2)、第三相位调制器(5-3)、第四相位调制器(5-4)采用相同的硬件参数；或，第一光纤布拉格光栅(6-1)、第二光纤布拉格光栅(6-2)采用相同的硬件参数；或，第一G-T干涉仪级联群(7-1)、第二G-T干涉仪级联群(7-2)采用相同的硬件参数；或，第一可调延迟线(8-1)、第二可调延迟线(8-2)采用相同的硬件参数；或，第一光电探测器(9-1)、第二光电探测器(9-2)、第三光电探测器(9-3)、第四光电探测器(9-4)采用相同的硬件参数；或，第一射频放大器(10-1)、第二射频放大器(10-2)采用相同的硬件参数；或，第一波分复用器(11-1)、第二波分复用器(11-2)采用相同的硬件参数；或，第一马赫-曾德尔干涉仪(13-1)、第二马赫-曾德尔干涉仪(13-2)采用相同的硬件参数。
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|---|---|---|---|---|
| CN107769859A (zh) * | 2017-10-19 | 2018-03-06 | 华中科技大学 | 一种基于相位‑幅度转换的保密光通信系统 |
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-
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|---|---|---|---|---|
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Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| A Key Space Enhanced Chaotic Encryption Scheme for Physical Layer Security in OFDM-PON;Meihua等;IEEE;第9卷(第1期);全文 * |
| Research on the Performance of Multimode Optical Chaotic Secure Communication System With Multidimensional Keys and a Complex Entropy Source;Jingyang Liu等;IEEE;第14卷(第4期);全文 * |
| 基于连续变量的经典-量子信息共信道同传系统拉曼散射影响分析;许振宇;李云霞;石磊;蒙文;姬一鸣;;量子电子学报(03);全文 * |
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