CN114205069B - 具有随机密钥的相干高效光混沌通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明具有随机密钥的相干高效光混沌通信系统，其发送端中主激光器和反射镜生成混沌光信号一，混沌光信号一经过第一环形器、开关、第一从激光器、第三光耦合器、第一光滤波器、第二光滤波器、第二从激光器、第四光耦合器、第三光滤波器、第四光滤波器生成混沌光信号二。第一半导体激光器、第一光耦合器、4QAM映射器、同相正交调制器生成光信号三，混沌光信号二和光信号三在第二光耦合器处完成加密，并与混沌光信号一共同送入信道中传输。接收端借助90°混波器对信号进行解密，恢复信息。本发明将混沌信号一作为随机密钥，并能够隐藏混沌信号的时延信息，提升了系统的安全性，并采用光注入的方式增强混沌信号带宽，提升信息传递效率。

Description

具有随机密钥的相干高效光混沌通信系统

技术领域

本发明属于光信息技术领域，更具体地，涉及一种具有随机密钥的相干高效光混沌通信系统。

背景技术

混沌系统具有复杂的动力学行为，具体表现为非线性系统中确定的、随机的、有界不收敛的过程。混沌系统在图像加密、光通信、神经网络和生物学等领域都有着广阔的应用前景。应用在光通信领域，混沌信号凭借类噪声、不可长期预测等独特优势，可以实现安全性极高的保密通信，从而吸引研究人员进行广泛地关注。然而，在目前的光混沌保密通信系统中，由于激光混沌系统的带宽受到弛豫振荡的限制、或是基于调制器的混沌系统的混沌带宽受到电子器件的限制，而存在着传输速率受限和信息传递速率低的问题。因此，如何提高光混沌保密通信系统的传输速率和传递效率是本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决混沌通信系统信息传输效率低和安全性弱的问题，提供了一种具有随机密钥的相干高效光混沌通信系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

具有随机密钥的相干高效光混沌通信系统，包括发射端和接收端，发射端与接收端相连，其结构如下：

发射端包括第一半导体激光器、第一光耦合器、4QAM映射器、同相正交调制器、第二光耦合器、主激光器、反射镜、第一环形器、开关、第一从激光器、第三光耦合器、第一光滤波器、第二光滤波器、第二从激光器、第四光耦合器、第三光滤波器、第四光滤波器、第一光电探测器、第一相位调制器、第一马赫-曾德尔干涉仪、第一波分复用器等；

接收端包括第二波分复用器、第二环形器、第三从激光器、第五光耦合器、第五光滤波器、第六光滤波、第二光电探测器、第二半导体激光器、第二相位调制器、第二马赫-曾德尔干涉仪、90°混波器、第三光电探测器、低通滤波器、判决器等；

第一半导体激光器和第一光耦合器的第一端口相连，第一光耦合器的第二端口、正交幅度调制映射器的第一端口、第二光耦合器的第一端口依次相连；第一光耦合器的第三端口、第一相位调制器的第二端口、第一马赫-曾德尔干涉仪的第一端口、第二光耦合器的第一端口依次相连；第二光耦合器的第二端口与第一波分复用器的第二端口相连；4QAM映射器的第一端口、第二端口分别于同相正交调制器的第三端口、第四端口相连；主激光器的第一端口与第一光纤反射镜相连，主激光器的第二端口与第一环形器的第一端口相连，第一环形器的第二端口与开关的第一端口相连，开关的第二端口与第一从激光器的第一端口相连，第一从激光器的第二端口与第三光耦合器的第一端口相连，第三光耦合器的第二端口与第一光滤波器相连，第三光耦合器的第三端口与第二光滤波器相连；开关的第三端口与第二从激光器的第一端口相连，第二激光器的第二端口与第四光耦合器的第一端口相连，第四光耦合器的第二端口与第三光滤波器相连，第四光耦合器的第二端口与第四光滤波器相连；第一环形器的第三端口通过第一光电探测器与第一相位调制器的第一端口相连；主激光器的第三端口与第一波分复用器的第一端口相连，第一波分复用器的第三端口、单模光纤、放大器、色散位移光纤、第二波分复用器的第一端口依次相连，第二波分复用器的第二端口与第二环形器的第一端口相连，第二环形器的第二端口与第三从激光器相连，第三从激光器的第二端口与第五光耦合器的第一端口相连，第五光耦合器的第二端口与第五光滤波器相连，第五光耦合器的第三端口与第五光滤波器相连；第二环形器的第三端口通过第二光电探测器与第二相位调制器的第一端口相连；第二半导体激光器和第二相位调制器的第二端口相连，第二相位调制器的第三端口通过第二马赫-曾德尔干涉仪与90°混波器的第一端口相连；第二波分复用器的第三端口与90°混波器的第二端口相连，90°混波器的第五端口、第三光电探测器、低通滤波器、判决器依次相连。

优选的，通过二进制信息对开关进行控制，以每二比特为单位对二进制信息序列进行划分，并按顺序对划分后的信息单位进行判断。当信息为“00”时，开关接第一从激光器，当信息为“01”、“10”、“11”时，开关接第二从激光器。当二进制信息为“01000110”时，开关依次接第二、第一、第二、第二从激光器。

作为优选方案，第一半导体激光器和第二半导体激光器的中心波长均为1550nm。

作为优选方案，主激光器的中心波长为1549.7nm。

作为优选方案，所有耦合器的耦合系数都为0.5。

作为优先方案，第二从激光器与第三从激光器、第三光滤波器和第五光滤波器、第四光滤波器和第六光滤波器的硬件参数分别相等。

作为优选方案，由于主激光器输出作为随机密钥进入信道中传输，为降低密钥被截获的可能，设置主激光器与反射镜之间的反馈时间等于主激光器的弛豫振荡周期。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

本发明一种具有随机密钥的相干高效光混沌通信系统，可以实现相位和强度的混沌加密，提高了通信传输的效率；并将主激光器产生的混沌信号作为随机密钥，传输至接收端实现解密操作，提高了系统的安全性。此外，本发明采用不同的混沌序列搭载不同的信息，提高了混沌的复杂程度，进一步增强了系统的安全性。

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的相干高效光混沌通信系统的架构示意图。

图2为本发明实施例具有随机密钥的相干高效光混沌通信系统中主激光器输出混沌信号的混沌吸引子(a)和自相关函数曲线(b)。

图3为本发明实施例具有随机密钥的相干高效光混沌通信系统中主从激光器产生的混沌波形时域图。

图4为本发明实施例具有随机密钥的相干高效光混沌通信系统中主从激光器波形之间的散点图。

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，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，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。

如图1所示，本发明实施例具有随机密钥的相干高效光混沌通信系统，包括发送端和接收端，具体元器件包括第一半导体激光器1-1、第一光耦合器2-1、4QAM(正交幅度调制)映射器3、同相正交调制器4、第二光耦合器2-2、主激光器5、反射镜6、第一环形器7-1、开关8、第一从激光器9-1、第三光耦合器2-3、第一光滤波器10-1、第二光滤波器10-2、第二从激光器9-2、第四光耦合器2-4、第三光滤波器10-3、第四光滤波器10-4、第一光电探测器11-1、第一相位调制器12-1、第一马赫-曾德尔干涉仪13-1、第一波分复用器14-1、第二波分复用器14-2、第二环形器7-2、第三从激光器9-3、第五光耦合器2-5、第五光滤波器10-5、第六光滤波10-6、第二光电探测器11-2、第二半导体激光器1-2、第二相位调制器12-2、第二马赫-曾德尔干涉仪13-2、90°混波器18、第三光电探测器11-3、低通滤波器19、判决器20。

上述元器件具体的连接方式如下：

第一半导体激光器1-1的端口a1和第一光耦合器2-1的第一端口b1相连，第一光耦合器2-1的第二端口b2与4QAM映射器3的第一端口c1相连，4QAM映射器3的第一端口c2与第二光耦合器2-2的第一端口d1相连，第二光耦合器2-2的第二端口d2与第一波分复用器14-1的第二端口r2相连。

4QAM映射器3的第一、二端口J1、J2分别与同相正交调制器4的端口c3、c4相连。

主激光器5的第一端口e1与第一光纤反射镜6的第一端口f1相连，主激光器5的第二端口e2与第一环形器7-1的第一端口g1相连，第一环形器7-1的第二端口g2与开关8的第一端口h1相连，开关8的第二端口h2与第一从激光器9-1的第一端口i1相连，第一从激光器9-1的第二端口i2与第三光耦合器2-3的第一端口j1相连，第三光耦合器2-3的第二端口j2与第一光滤波器10-1的端口k1相连，第三光耦合器2-3的第三端口j3与第二光滤波器10-2的端口k2相连；开关8的第三端口h3与第二从激光器9-2的第一端口l1相连，第二激光器9-2的第二端口l2与第四光耦合器2-4的第一端口m1相连，第四光耦合器2-4的第二端口m2与第三光滤波器10-3的端口n1相连，第四光耦合器2-4的第二端口m3与第四光滤波器10-4的端口n2相连。

第一环形器7-1的第三端口g3与第一光电探测器11-1的第一端口o1相连，第一光电探测器11-1的第二端口o2与第一相位调制器12-1的第一端口p1相连；第一光耦合器2-1的第三端口b3与第一相位调制器12-1的第二端口p2相连，第一相位调制器12-1的第三端口p3与第一马赫-曾德尔干涉仪13-1的第一端口q1相连，第一马赫-曾德尔干涉仪13-1的第二端口q2与第二光耦合器2-2的第一端口d1相连。

主激光器5的第三端口e3与第一波分复用器14-1的第一端口r1相连，第一波分复用器14-1的第三端口r3与单模光纤15的第一端口s1相连，单模光纤15的第二端口s2与放大器16的第一端口t1相连，放大器16的第二端口t2与色散位移光纤17的第一端口u1相连，色散位移光纤17的第二端口u2与第二波分复用器14-2的第一端口v1相连，第二波分复用器14-2的第二端口v2与第二环形器7-2的第一端口w1相连，第二环形器7-2的第二端口w2与第三从激光器9-3的第一端口x1相连，第三从激光器9-3的第二端口x2与第五光耦合器2-5的第一端口y1相连，第五光耦合器2-5的第二端口y2与第五光滤波器10-5的端口z1相连，第五光耦合器2-5的第三端口y3与第五光滤波器10-6的端口A1相连。

第二环形器7-2的第三端口w3与第二光电探测器11-2的第一端口B1相连，第二光电探测器11-2的第二端口B2与第二相位调制器12-2的第一端口D1相连；第二半导体激光器1-2的第一端口C1和第二相位调制器12-2的第二端口D2相连，第二相位调制器12-2的第三端口D3与第二马赫-曾德尔干涉仪13-2的第一端口E1相连，第二马赫-曾德尔干涉仪13-2的第二端口E2与90°混波器18的第一端口F1相连；第二波分复用器14-2的第三端口v3与90°混波器18的第二端口F2相连，90°混波器18的第五端口F5与第三光电探测器11-3的第一端口G1相连，第三光电探测器11-3的第二端口G2与低通滤波器19的第一端口H1相连，低通滤波器19的第二端口H2与判决器20的第一端口I1相连，判决器20的第二端口I2直接输出恢复后的信息。

本实施例中，通过二进制信息对开关进行控制，以每二比特为单位对二进制信息序列进行划分，并依按顺序对划分后的信息单位进行判断。当信息为“00”时，开关接第一从激光器，当信息为“01”、“10”、“11”时，开关接第二从激光器。当二进制信息为“01000110”时，开关依次接第二、第一、第二、第二从激光器。

本实施例中，第一半导体激光器和第二半导体激光器的中心波长均为1550nm。主激光器的中心波长为1549.7nm。所有耦合器的耦合系数都为0.5。第二从激光器与第三从激光器、第三光滤波器和第五光滤波器、第四光滤波器和第六光滤波器的硬件参数分别相等。

本实施例中，由于主激光器输出作为随机密钥进入信道中传输，为降低密钥被截获的可能，设置主激光器与反射镜之间的反馈时间等于主激光器的弛豫振荡周期。

本实施例公开的具有随机密钥的相干高效光混沌通信系统，对信息加解密的原理为：

首先将产生的4QAM信号搭载在中心波长为1550nm的光波上，并利用由一个反射镜作为单外腔构成的单反馈主激光器，产生混沌光信号一，主激光器输出信号的波长为1549.7nm。

混沌光信号一通过开关控制，选择性地进入任一带有双滤波反馈的从激光器。对以每二比特为单位对二进制信息序列进行划分，并依次进行判断。当单位信息为“00”时，进入第一从激光器；当相邻信息为“01”、“10”、“11”时，进入第二从激光器，最终生成混沌光信号二。

混沌光信号二由光电探测器转换为电信号一，电信号一通过相位调制器搭载在1550nm的光波上，接着通过马赫-曾德尔干涉仪实现相位到强度的转化，生成强度和相位均处于混沌状态的光信号三。

光信号三与4QAM信号在光耦合器处完成加密。加密后的信号和单反馈主激光器产生的混沌光信号一通过波分复用器传输至信道中。依次通过单模光纤、放大器和色散补偿光纤进入接收端。

在接收端，首先由波分复用器将波长不同的信号分开，波长为1549.7nm的信号传输至带有双滤波反馈的从激光器中，生成混沌光信号四，混沌光信号四通过相位调制器搭载在中心波长为1550nm的波长上，在通过马赫-曾德尔干涉仪实现相位到强度的转换，与波分复用器处输出的1550nm的加密信号一起输入90°混波器中，实现解密操作，并通过低通滤波器和判决器对信号进行处理，即可恢复出发送端信息。

采用本实施例具有随机密钥的相干高效光混沌通信系统实现通信的过程如下：

1.发射端可以分为两个部分，第一部分为4QAM信号的生成，第二部分为相位强度混沌信号的生成，并利用耦合器实现对4QAM信号的加密。其中，混沌信号的生成是由带有单反馈腔的主激光器注入带有双滤波反馈的从激光器中。因此，可以将主激光器输出信号作为随机密钥，与加密后信号共同送入信道中传输。

2.在接收端，随机密钥注入与发射端完美匹配的双滤波反馈从激光器(与发射端二进制信息为“01”、“10”、“11”时所对应的双滤波反馈从激光完美匹配)中，生成与发射端部分相同的混沌信号，在90°混波器中实现解密，恢复出除“00”以外的信息。接着通过低通滤波器和判决器，恢复出全部信息。

本发明采用光注入的带宽增强技术，产生带宽增强的混沌信号；并对信号的相位和幅度进行调制，有效提升频谱效率，提高信息传递效率。此外，为提高系统的安全性，本发明将主激光器输出的信号作为随机密钥，通过波分复用器与加密信号共同传入信道中传输，降低信息被截获的可能，提升系统的安全性。

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 (7)

1.具有随机密钥的相干高效光混沌通信系统，其特征在于，包括第一半导体激光器、第一光耦合器、正交幅度调制映射器、同相正交调制器、第二光耦合器、主激光器、反射镜、第一环形器、开关、第一从激光器、第三光耦合器、第一光滤波器、第二光滤波器、第二从激光器、第四光耦合器、第三光滤波器、第四光滤波器、第一光电探测器、第一相位调制器、第一马赫-曾德尔干涉仪、第一波分复用器、第二波分复用器、第二环形器、第三从激光器、第五光耦合器、第五光滤波器、第六光滤波、第二光电探测器、第二半导体激光器、第二相位调制器、第二马赫-曾德尔干涉仪、90°混波器、第三光电探测器、低通滤波器、判决器；

第一半导体激光器和第一光耦合器的第一端口相连，第一光耦合器的第二端口、正交幅度调制映射器的第一端口、第二光耦合器的第一端口依次相连；第一光耦合器的第三端口、第一相位调制器的第二端口、第一马赫-曾德尔干涉仪的第一端口、第二光耦合器的第一端口依次相连；

第二光耦合器的第二端口与第一波分复用器的第二端口相连；

4QAM映射器的第一端口、第二端口分别于同相正交调制器的第三端口、第四端口相连；

主激光器的第一端口与第一光纤反射镜相连，主激光器的第二端口与第一环形器的第一端口相连，第一环形器的第二端口与开关的第一端口相连，开关的第二端口与第一从激光器的第一端口相连，第一从激光器的第二端口与第三光耦合器的第一端口相连，第三光耦合器的第二端口与第一光滤波器相连，第三光耦合器的第三端口与第二光滤波器相连；开关的第三端口与第二从激光器的第一端口相连，第二激光器的第二端口与第四光耦合器的第一端口相连，第四光耦合器的第二端口与第三光滤波器相连，第四光耦合器的第二端口与第四光滤波器相连；

第一环形器的第三端口通过第一光电探测器与第一相位调制器的第一端口相连；

主激光器的第三端口与第一波分复用器的第一端口相连，第一波分复用器的第三端口、单模光纤、放大器、色散位移光纤、第二波分复用器的第一端口依次相连，第二波分复用器的第二端口与第二环形器的第一端口相连，第二环形器的第二端口与第三从激光器相连，第三从激光器的第二端口与第五光耦合器的第一端口相连，第五光耦合器的第二端口与第五光滤波器相连，第五光耦合器的第三端口与第五光滤波器相连；

第二环形器的第三端口通过第二光电探测器与第二相位调制器的第一端口相连；第二半导体激光器和第二相位调制器的第二端口相连，第二相位调制器的第三端口通过第二马赫-曾德尔干涉仪与90°混波器的第一端口相连；第二波分复用器的第三端口与90°混波器的第二端口相连，90°混波器的第五端口、第三光电探测器、低通滤波器、判决器依次相连。

2.根据权利要求1所述具有随机密钥的相干高效光混沌通信系统，其特征在于，通过二进制信息对开关进行控制，以每二比特为单位对二进制信息序列进行划分，并依按顺序对划分后的信息单位进行判断。

3.根据权利要求1所述具有随机密钥的相干高效光混沌通信系统，其特征在于，第一半导体激光器和第二半导体激光器的中心波长均为1550nm。

4.根据权利要求1所述具有随机密钥的相干高效光混沌通信系统，其特征在于，主激光器的中心波长为1549.7nm。

5.根据权利要求1所述具有随机密钥的相干高效光混沌通信系统，其特征在于，第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、第五耦合器的耦合系数都为0.5。

6.根据权利要求1所述具有随机密钥的相干高效光混沌通信系统，其特征在于，第二从激光器与第三从激光器、第三光滤波器和第五光滤波器、第四光滤波器和第六光滤波器的硬件参数分别相等。

7.根据权利要求1-6任一项所述具有随机密钥的相干高效光混沌通信系统，其特征在于，主激光器与反射镜之间的反馈时间等于主激光器的弛豫振荡周期。