CN114584296A - 一种基于混沌自载波相位调制的高速密钥分发技术 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于混沌自载波相位调制的高速密钥分发技术实现方法，主要由共同驱动混沌同步、混沌自载波相位调制和混沌同步键控及密钥提取组成。共同驱动同步主要通过调节注入功率和注入偏振态，使得两个响应激光器实现混沌同步。通过混沌自载波相位调制处理后，混沌激光的光谱得到展宽，随后再利用色散器件将相位混沌转换到强度，实现了混沌带宽的展宽。最后在响应激光器后键控混沌的同步状态，并从键控信号相同的时隙中提取随机数作为密钥。本发明可以实现混沌带宽的展宽和同步恢复时间的降低，同时可以保障密钥分发安全性，最终实现高速高安全性的密钥分发。

Description

一种基于混沌自载波相位调制的高速密钥分发技术
技术领域
本发明涉及光通信领域，具体涉及一种基于混沌自载波相位调制的高速密钥分发实现方法。
背景技术
网络信息安全一直以来都是社会各界广泛关注的问题，为此发展出了多种保密通信方式，较为常用的是通信双方利用共享的密钥进行加解密，其中密钥的产生和分发是最大的困难之一。目前使用的密钥主要是通信双方利用相同的数学算法产生一致的密钥，其安全性主要取决于数学算法的复杂度。但随着计算机算力的不断提升，这种密钥分发方式的安全隐患也日益展现出。基于此，国内外研究团队提出了多种基于物理熵源的密钥分发方案，如量子密钥分配、基于信道噪声的密钥分配和基于光纤激光的密钥分配等。然而，由于对量子器件要求严格或熵源带宽受限，这些方式很难实现G比特量级的密钥分发。
混沌激光作为一种其宽频谱、大振幅的物理熵源，被证实可以用于高速随机数提取，并且异地的两个激光器可以实现混沌同步，这使得基于混沌激光的密钥分发成为可能。日本NTT公司Yoshimura等人提出并演示了一种基于混沌同步的安全密钥分发，该方法对共同随机光驱动的外腔反馈半导体激光器产生的同步混沌信号进行采样，提取出相关的随机数作为密钥。为了提高安全性，他们在响应激光器的反馈环中加入了随机参数键控的相位调制，当两个随机参数调制相同相位时，混沌同步并产生相同密钥，反之，混沌不同步产生不同密钥。但由于键控打破了激光器的输出状态，使得密钥分发速率只能达到182kb/s。电子科技大学江宁等人数值研究了基于随机偏振注入两个VCSEL实现的混沌同步进行密钥分发，键控注入偏振的状态来提高安全性，将密钥分发速率提升至G比特量级。在混沌键控过程中，通信双方的混沌激光器从非同步状态恢复到同步状态需要经过一个缓慢过程，键控周期中只有大于同步恢复时间的时隙才能获得有效的高质量混沌同步，从而产生一致密钥，因此同步恢复时间成为限制密钥分发速率的一个关键因素。
在以往的密钥分配方案中，要么因为较长的同步恢复时间缩短了键控周期内可用于提取密钥的时间，要么是较窄的混沌带宽限制了密钥提取的采样率，这些原因使得很难进一步提高密钥分配率。为了解决以上技术问题，本发明提出了在混沌同步后进行混沌自载波相位调制展宽混沌频谱以提高密钥提取的采样率，并键控相位调制的驱动信号振幅以实现同步键控提高安全性，最终实现高速高安全性的密钥分发。
发明内容
本发明的目的在于实现高速高安全性的密钥分发。本发明提供了一种基于混沌自载波相位调制的高速密钥分发实现方法。为实现发明目的，本发明主要通过以下方法实现：
一种基于混沌自载波相位调制的高速密钥分发实现方法，主要包括共同驱动混沌同步、混沌自载波相位调制和混沌同步键控及密钥提取；
所述共同驱动同步主要包括：一个驱动源、三个光耦合器、两段传输光纤、两个掺铒光纤放大器、两个偏振控制器和两个光隔离器。实现方法包括：混沌驱动源产生、注入功率控制、注入偏振态控制和响应激光器混沌同步。
所述的混沌自载波相位调制包括：两个光耦合器、四个光电探测器、两个射频放大器、两个相位调制器、两个色散器件。实现方法包括：混沌激光分束、光电转换、射频放大、相位调制、相位混沌到强度转换；
所述的混沌同步键控及密钥提取包括：两个随机数发生器、两个强度调制器和两个模数转换器。实现方法包括：随机数发生、强度调制、随机数交换和密钥提取；
所述的共同驱动同步的产生方法包括以下步骤：1-驱动源产生的混沌驱动信号经由2-光耦合器分光后。通过3a-传输光纤、4a-掺铒光纤放大器、5a-偏振控制器、6a-光隔离器、7a-光耦合器注入8a-半导体激光器；通过3b-传输光纤、4b-掺铒光纤放大器、5b-偏振控制器、6b-光隔离器、7b-光耦合器注入8b-半导体激光器。分别通过掺铒光纤放大器和偏振控制器分别调节注入功率和注入偏振态，使得两个响应激光器实现混沌同步。8a-半导体激光器输出的混沌信号经过7a-光耦合器输出到10a-光耦合器中；8b-半导体激光器输出的混沌信号经过7b-光耦合器输出到10b-光耦合器中。
所述的混沌自载波相位调制的方法包括以下步骤：在共同驱动混沌同步的基础上，将8a-半导体激光器输出通过10a-光耦合器分两束光其中一束光作为混沌自载波相位调制的载波，通过14a-相位调制器进行相位调制。另外一束光经由12a-光电探测器转换为电信号，通过13a-射频放大器放大后作为相位调制的驱动信号，以实现混沌自载波相位调制。通过混沌自载波相位调制处理后，混沌激光的光谱得到展宽，再利用15a-色散器件将光谱展宽后的相位混沌转换到强度，实现了混沌带宽的展宽。最后利用16a-光电探测器将展宽的混沌激光转换为电信号。同理，8b-半导体激光器输出通过10b-光耦合器分两束光，其中一束光作为混沌自载波相位调制的载波，通过14b-相位调制器进行相位调制。另外一束光经由12b-光电探测器转换为电信号，通过13b-射频放大器放大后作为相位调制的驱动信号，以实现混沌自载波相位调制。通过混沌自载波相位调制处理后，混沌激光的光谱得到展宽，再利用15b-色散器件将光谱展宽后的相位混沌转换到强度，实现了混沌带宽的展宽。最后利用16b-光电探测器将展宽的混沌激光转换为电信号。
所述的混沌同步键控及密钥提取的方法包括以下步骤：以9a-随机数发生器和9b-随机数发生器产生的随机数作为11a-强度调制器和11b-强度调制器的驱动信号进行强度调制，使得混沌自载波相位调制产生不同的驱动振幅。当两个随机数发生器产生相同的随机数时，混沌自载波相位调制有着相同的驱动信号振幅，通信双方可以实现高质量的混沌同步，并利用17a-模数转换器和17b-模数转换器从同步的宽带混沌信号中提取一致密钥。但当两个随机数发生器产生不同的随机数时，混沌自载波相位调制有着不同的驱动信号振幅，通信双方将无法实现混沌同步。最后通信双方交换各自随机数发生器产生的随机数，只保留随机数相同时产生的密钥，从而保证最终密钥的一致性。
优选地，采用混沌自载波相位调制之后，混沌带宽不再受限于激光器驰豫振荡频率，可以得到宽带的混沌信号，其时域呈现出更快速的振荡，使得进行密钥提取时可以采用更高速的采样率，从而产生高速密钥；
优选地，受到混沌自载波相位调制和色散器件的共同作用，和非线性波形变换的影响，本发明有效消除了输出混沌与混沌驱动信号之间的相关性，使得窃听者从传输光纤中无法获取任何与密钥相关的信息，保证了密钥分发的安全性；
优选地，本发明采用的混沌同步键控方式是在响应激光器后进行的，不会打破响应激光器的输出状态，从而使得同步恢复时间不再受限于激光器的瞬态响应时间，极大缩短了同步恢复时间，进而增长了键控周期内可用于提取密钥的时间，提升了密钥产生速率。
现有的基于混沌同步的密钥分发方案，主要存在两个不足，首先是混沌带宽较窄，限制了密钥提取的采样率；其次是较长的同步恢复时间缩短了键控周期内的可用于提取密钥的时间，进而限制了密钥产生速率。针对上述问题，本发明提出了在混沌同步后，进行混沌自载波相位调制展宽混沌频谱，以提高密钥提取的采样率，并键控相位调制的驱动信号振幅以实现同步键控提高安全性，最终实现高速高安全性的密钥分发。
附图说明
图1为本发明的一种基于混沌自载波相位调制的高速密钥分发实现方法框图；
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好地说明本实施例，附图某些部位会有省略、放大或缩小，并不代表实际尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知内容说明可能省略是可以理解的。
附图中描述位置关系的仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
本发明提出的高速密钥分发系统主要包括混沌驱动端，Alice通信方和Bob通信方。
其中，混沌驱动端包括：1-驱动源和2一光耦合器。混沌驱动端主要用于产生混沌同步的驱动信号。各模块的连接关系如下：
1-驱动源的输出端与2-光耦合器的输入端相连，2-光耦合器的输出端分别连接通往Al ice通信方和Bob通信方的3a-传输光纤和3b-传输光纤的输入端。
Alice通信方包括：4a-掺铒光纤放大器、5a-偏振控制器、6a-光隔离器、7a-光耦合器、8a-半导体激光器、9a-随机数发生器、10a-光耦合器、11a-强度调制器、12a-光电探测器、13a-射频放大器、14a-相位调制器、15a-色散器件、16a-光电探测器和17a-模数转换器。各模块的连接关系如下：
3a-传输光纤的输出端与4a-掺铒光纤放大器的输入端相连，4a-掺铒光纤放大器的输出端与5a-偏振控制器的输入端相连，5a-偏振控制器的输出端与6a-光隔离器的输入端相连，6a-光隔离器的输出端与7a-光耦合器的左侧上端相连，7a-光耦合器的右侧与8a-半导体激光器相连，同时7a-光耦合器的左侧下端与10a-光耦合器的左侧端口相连，10a-光耦合器的右侧上下端口分别连接11a-强度调制器的光输入端和14a-相位调制器的光输入端，9a-随机数发生器的输出端与11a-强度调制器的电输入端相连，11a-强度调制器的光输出端与12a-光电探测器的输入端相连，12a-光电探测器的输出端与13a-射频放大器的输入端相连，13a-射频放大器的输出端与14a-相位调制器的电输入端相连，14a-相位调制器的光输出端与15a-色散器件的输入端相连，15a-色散器件的输出端与16a-光电探测器的输入端相连，16a-光电探测器的输出端与17a-模数转换器的输入端相连，17a-模数转换器输出的数字信号作为密钥。
Bob通信方包括：4b-掺铒光纤放大器、5b-偏振控制器、6b-光隔离器、7b-光耦合器、8b-半导体激光器、9b-随机数发生器、10b-光耦合器、11b-强度调制器、12b-光电探测器、13b-射频放大器、14b-相位调制器、15b-色散器件、16b-光电探测器和17b-模数转换器。各模块的连接关系如下：
3b-传输光纤的输出端与4b-掺铒光纤放大器的输入端相连，4b-掺铒光纤放大器的输出端与5b-偏振控制器的输入端相连，5b-偏振控制器的输出端与6b-光隔离器的输入端相连，6b-光隔离器的输出端与7b-光耦合器的左侧上端相连，7b-光耦合器的右侧与8b-半导体激光器相连，同时7b-光耦合器的左侧下端与10b-光耦合器的左侧端口相连，10b-光耦合器的右侧上下端口分别连接11b-强度调制器的光输入端和14b-相位调制器的光输入端，9b-随机数发生器的输出端与11b-强度调制器的电输入端相连，11b-强度调制器的光输出端与12b-光电探测器的输入端相连，12b-光电探测器的输出端与13b-射频放大器的输入端相连，13a-射频放大器的输出端与14b-相位调制器的电输入端相连，14b-相位调制器的光输出端与15b-色散器件的输入端相连，15b-色散器件的输出端与16b-光电探测器的输入端相连，16b-光电探测器的输出端与17b-模数转换器的输入端相连，17b-模数转换器输出的数字信号作为密钥。

Claims (10)

1.本发明提供了一种基于混沌自载波相位调制的高速密钥分发实现方法，主要包括共同驱动混沌同步、混沌自载波相位调制和混沌同步键控及密钥提取。
2.所述共同驱动同步主要包括：一个驱动源、三个光耦合器、两段传输光纤、两个掺铒光纤放大器、两个偏振控制器、两个光隔离器和两个半导体激光器。实现方法包括：混沌驱动源产生、注入功率控制、注入偏振态控制和响应激光器混沌同步。
3.所述的混沌自载波相位调制包括：两个光耦合器、四个光电探测器、两个射频放大器、两个相位调制器、两个色散器件。实现方法包括：混沌激光分束、光电转换、射频放大、相位调制、相位混沌到强度转换。
4.所述的混沌同步键控及密钥提取包括：两个随机数发生器、两个强度调制器和两个模数转换器。实现方法包括：随机数发生、强度调制、随机数交换和密钥提取。
5.所述的共同驱动同步的产生方法包括以下步骤：1-驱动源产生的混沌驱动信号经由2-光耦合器分光后。通过3a-传输光纤、4a-掺铒光纤放大器、5a-偏振控制器、6a-光隔离器、7a-光耦合器注入8a-半导体激光器；通过3b-传输光纤、4b-掺铒光纤放大器、5b-偏振控制器、6b-光隔离器、7b-光耦合器注入8b-半导体激光器。分别通过掺铒光纤放大器和偏振控制器分别调节注入功率和注入偏振态，使得两个响应激光器实现混沌同步。8a-半导体激光器输出的混沌信号经过7a-光耦合器输出到10a-光耦合器中；8b-半导体激光器输出的混沌信号经过7b-光耦合器输出到10b-光耦合器中。
6.所述的混沌自载波相位调制的方法包括以下步骤：在共同驱动混沌同步的基础上，将8a-半导体激光器输出通过10a-光耦合器分两束光其中一束光作为混沌自载波相位调制的载波，通过14a-相位调制器进行相位调制。另外一束光经由12a-光电探测器转换为电信号，通过13a-射频放大器放大后作为相位调制的驱动信号，以实现混沌自载波相位调制。通过混沌自载波相位调制处理后，混沌激光的光谱得到展宽，再利用15a-色散器件将光谱展宽后的相位混沌转换到强度，实现了混沌带宽的展宽。最后利用16a-光电探测器将展宽的混沌激光转换为电信号。同理，8b-半导体激光器输出通过10b-光耦合器分两束光，其中一束光作为混沌自载波相位调制的载波，通过14b-相位调制器进行相位调制。另外一束光经由12b-光电探测器转换为电信号，通过13b-射频放大器放大后作为相位调制的驱动信号，以实现混沌自载波相位调制。通过混沌自载波相位调制处理后，混沌激光的光谱得到展宽，再利用15b-色散器件将光谱展宽后的相位混沌转换到强度，实现了混沌带宽的展宽。最后利用16b-光电探测器将展宽的混沌激光转换为电信号。
7.所述的混沌同步键控及密钥提取的方法包括以下步骤：以9a-随机数发生器和9b-随机数发生器产生的随机数作为11a-强度调制器和11b-强度调制器的驱动信号进行强度调制，使得混沌自载波相位调制产生不同的驱动振幅。当两个随机数发生器产生相同的随机数时，混沌自载波相位调制有着相同的驱动信号振幅，通信双方可以实现高质量的混沌同步，并利用17a-模数转换器和17b-模数转换器从同步的宽带混沌信号中提取一致密钥。但当两个随机数发生器产生不同的随机数时，混沌自载波相位调制有着不同的驱动信号振幅，通信双方将无法实现混沌同步。最后通信双方交换各自随机数发生器产生的随机数，只保留随机数相同时产生的密钥，从而保证最终密钥的一致性。
8.所述的基于混沌自载波相位调制的高速密钥分发实现方法，其特征在于，采用混沌自载波相位调制之后，混沌带宽不再受限于激光器驰豫振荡频率，可以得到宽带的混沌信号，其时域呈现出更快速的振荡，使得进行密钥提取时可以采用更高速的采样率，从而产生高速密钥。
9.所述的基于混沌自载波相位调制的高速密钥分发实现方法，其特征在于，受到混沌自载波相位调制和色散器件的共同作用，和非线性波形变换的影响，本发明有效消除了输出混沌与混沌驱动信号之间的相关性，使得窃听者从传输光纤中无法获取任何与密钥相关的信息，保证了密钥分发的安全性。
10.所述的基于混沌自载波相位调制的高速密钥分发实现方法，其特征在于，本发明采用的混沌同步键控方式是在响应激光器后进行的，不会打破响应激光器的输出状态，从而使得同步恢复时间不再受限于激光器的瞬态响应时间，极大缩短了同步恢复时间，进而增长了键控周期内可用于提取密钥的时间，提升了密钥产生速率。
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