CN116405185A - 基于全光混沌调制的自由空间轨道角动量广播通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于全光混沌调制的自由空间轨道角动量广播通信系统，加密发送端中的主激光器经过常规光反馈结构产生宽带混沌载波信号，再通过强度调制的方式将光信息隐藏在混沌光载波进行加密；在光场调控模块中的空间光调制器上加载特殊设计的多阶复用相位板，将准直到空间光路中的高斯加密光信号调控为具有多个OAM模式的复用光束；在经过自由空间链路传输后，在OAM广播模块中的空间光调制器上分别加载多个相反的单阶相位板，实现相关光场模式解调，分别对应接收端多个用户；在接收模块，用户利用单向注入‑锁定机理实现本地混沌同步，进而通过将携带有信息的混沌光载波与本地同步混沌信号相减，得到原始信息，最终完成安全广播通信。

Description

基于全光混沌调制的自由空间轨道角动量广播通信系统
技术领域
本发明属于光通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于全光混沌调制的自由空间轨道角动量广播通信系统。
背景技术
近年来，随着4G/5G移动通信、物联网、云计算、大数据、人工智能等技术的蓬勃发展，给人们生活带来了更多便利，也给通信系统带来了更大挑战。作为信息传输主流方式之一的光通信技术，正从多通道、高速率向超高速、超大容量、超长距离光通信演进。
空间激光通信具有速率高、抗电磁干扰性强、无频谱限制等突出优势，是“最后一公里通信”、星地/星间通信等场景核心通信体制；与此同时，携带有不同轨道角动量(OAM)模式的涡旋光束具有彼此正交的特性，可以通过复用、广播等方式进一步提升空间激光通信系统的传输容量。然而，随着传输容量需求的急剧增加，信息安全问题日益严峻，尤其当激光在经过远距离自由空间信道传输后，光束发散引起接收端光斑尺寸扩大，极大增加了信息被窃听的风险。
目前，传统的信息安全技术，大多采用密码学加密算法技术在介质访问控制层及其上层进行数据加密，随着具有超快计算能力的量子计算机的出现，这类基于算法加密的保密通信方式面临着被暴力破解的威胁，而物理层安全作为整个通信系统安全的第一道屏障，具有举足轻重的意义。因此，如何提高自由空间光通信系统的物理层信息安全性已经成为了当前学术界的研究热点问题。
基于激光器非线性动力学特性产生的混沌信号具有初值敏感、宽带类噪声等特性，可以将信息掩盖在宽带混沌光载波中实现保密光传输，是增强光通信系统物理层信息安全性的重要技术之一。然而,在经过深入研究后，学者们发现半导体激光器固有的弛豫振荡导致混沌激光带宽仅为数GHz，在混沌光通信中，混沌激光作为载波隐藏传输的光信息，有限的混沌载波带宽限制了混沌光通信的传输速率，尽管已经提出了一些激光混沌带宽增强方案，但是由于其方案的复杂性，很难应用到现有的光通信系统。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于全光混沌调制的自由空间轨道角动量广播通信系统，在保证光信息空间链路传输安全性的同时，利用了混沌载波的空间维度，提升了混沌通信系统的传输容量。
为实现上述发明目的，本发明提供一种基于全光混沌调制的自由空间轨道角动量广播通信系统，其特征在于，包括：加密发送端、光场调控模块、自由空间链路、OAM广播模块、以及接收用户端；
所述加密发送端包括：主激光器DL、偏振控制器PC、光纤耦合器FC1、可调光衰减器VOA1、光纤反射镜M1、光隔离器ISO、马赫曾德尔调制器MZM和任意波形发生器AWG；
主激光器DL产生激光信号，经过偏振控制器PC后输入至光纤耦合器FC1，光纤耦合器FC1按照设置的光分束比将激光分为两路，其中一路光经过可调光衰减器VOA1的衰减后由光纤反射镜M1反射回主激光器DL；另一路光输出为混沌光载波，混沌光载波通过光隔离器ISO后进入马赫曾德尔调制器MZM，同时任意波形发生器AWG产生的信息通过MZM调制到混沌光载波上，得到携带有信息的混沌光载波，然后经过一个光纤准直器COL1准直为空间高斯光束进入光场调控模块；
所述光场调控模块包括一个线偏振片LP和一个反射式空间光调制器SLM1；
携带有信息的混沌光载波经过线偏振片LP后传输至反射式空间光调制器SLM1处进行OAM的n阶复用光场调控，调控后的光信号经反射式空间光调制器SLM1反射至自由空间链路进行传输，随后进入OAM广播模块；
所述OAM广播模块包括一个空间光调制器SLM2、n个45度反射镜M2-1～M2-n、以及n个光纤准直器COL2-1～COL2-n；
将空间光调制器SLM2的液晶屏等分为n份，每一份对应一个接收用户，每个用户在液晶屏上对应部分加载阶数相反的涡旋相位板，实现对自身OAM的解调，解调后得到n路高斯光束；第一路高斯光束经过反射镜M2-1、光纤准直器COL2-1准直进入光纤内传输至接收用户1；第二路解调高斯光束经过M2-2、COL2-2准直进入光纤内传输至接收用户2，以此类推，从而实现基于OAM的n个用户的广播；
所述接收用户端包括n个结构相同的接收用户，其中，第i个接收用户包括一个光纤隔离器ISO、一个小信号放大器EDFA、一个2×2光纤耦合器FC2-i、三个可调光衰减器VOA2-i/VOA3-i/VOA4-i、一个偏振控制器PC、一个从激光器SLi、以及两个光电探测器PD1-i/PD2-i，i＝1,2,3,…,n；
在第i个接收用户中，准直器耦合后的光信号经过光纤隔离器ISO后输入至小信号放大器EDFA，通过小信号放大器EDFA补偿空间传输损伤后由光纤耦合器FC2-i分为两路，其中一路光信号经过可调光衰减器VOA2-i、偏振控制器PC单向注入至从激光器SLi，此时从激光器SLi产生本地同步混沌信号，并经过光纤耦合器FC2-i、可调光衰减器VOA4-i后被光电探测器PD2-i接收；另一路光信号经过可调光衰减器VOA3-i后被光电探测器PD1-i接收；最后，两个光电探测器接收到的信号经过相减得到原始光信号。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明基于全光混沌调制的自由空间轨道角动量广播通信系统，加密发送端中的主激光器经过常规光反馈结构产生宽带混沌载波信号，再通过强度调制的方式将光信息隐藏在混沌光载波进行加密；在光场调控模块中的空间光调制器上加载特殊设计的多阶复用相位板，将准直到空间光路中的高斯加密光信号调控为具有多个OAM模式的复用光束；在经过自由空间链路传输后，在OAM广播模块中的空间光调制器上分别加载多个相反的单阶相位板，实现相关光场模式解调，分别对应接收端多个用户；在接收模块，用户利用单向注入-锁定机理实现本地混沌同步，进而通过将携带有信息的混沌光载波与本地同步混沌信号相减，得到原始信息，最终完成安全广播通信。
同时，本发明基于全光混沌调制的自由空间轨道角动量广播通信系统还具有以下有益效果：
(1)、本发明设计的全光混沌OAM广播安全通信方案，能够有效的实现对信息的加密与解密，保证了广播网络内用户的通信安全性和私密性；
(2)、OAM广播网络中发送端光场调控模块仅需要一个空间光相位调制器即可实现OAM复用光场产生，极大地降低了系统成本；
(3)、本方案相比于常规宽带混沌信号产生方案，通过调控混沌信号的空间模式，实现了混沌保密通信系统传输容量的提升。
附图说明
图1是本发明基于全光混沌调制的自由空间轨道角动量广播通信系统原理图；
图2是主激光器与从激光器输出信号的时域波形图和频谱图；其中，(a1)是主激光器输出信号的时域波形图；(a2)是从激光器输出信号的时域波形图；(b1)是主激光器输出信号的频谱图；(b2)是从激光器输出信号的频谱图；(c)是通信双方输出信号之间的互相关图；
图3是以用户1为例：(a)为合法接收用户解调后的信息时域波形图；(b)为非法接收用户解调的信息时域波形图；(c)为合法接收用户解调的信息眼图；(d)为非法接收用户解调的信息眼图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明基于全光混沌调制的自由空间轨道角动量广播通信系统原理图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种基于全光混沌调制的自由空间轨道角动量广播通信系统，包括：加密发送端、光场调控模块、自由空间链路、OAM广播模块、以及接收用户端；
加密发送端包括：主激光器DL、偏振控制器PC、光纤耦合器FC1、可调光衰减器VOA1、光纤反射镜M1、光隔离器ISO、马赫曾德尔调制器MZM和任意波形发生器AWG；
主激光器DL产生激光信号，经过偏振控制器PC后输入至光纤耦合器FC1，光纤耦合器FC1按照设置的光分束比将激光分为两路，在本实施例中，光分束比设为2：8，那么一路包含20％的激光经过可调光衰减器VOA1的衰减后由光纤反射镜M1反射回主激光器DL；另一路包含80％的激光输出为混沌光载波，混沌光载波通过光隔离器ISO后进入马赫曾德尔调制器MZM，同时任意波形发生器AWG产生的信息通过MZM调制到混沌光载波上，得到携带有信息的混沌光载波，然后经过一个光纤准直器COL1准直为空间高斯光束进入光场调控模块；
光场调控模块包括一个线偏振片LP和一个反射式空间光调制器SLM1；
携带有信息的混沌光载波经过线偏振片LP后传输至反射式空间光调制器SLM1处进行OAM的n阶复用光场调控，调控后的光信号经反射式空间光调制器SLM1反射至自由空间链路进行传输，随后进入OAM广播模块；
OAM广播模块包括一个空间光调制器SLM2、n个45度反射镜M2-1～M2-n、以及n个光纤准直器COL2-1～COL2-n；
将空间光调制器SLM2的液晶屏等分为n份，每一份对应一个接收用户，每个用户在液晶屏上对应部分加载阶数相反的涡旋相位板，实现对自身OAM的解调，解调后得到n路高斯光束；第一路高斯光束经过反射镜M2-1、光纤准直器COL2-1准直进入光纤内传输至接收用户1；第二路解调高斯光束经过M2-2、COL2-2准直进入光纤内传输至接收用户2，以此类推，从而实现基于OAM的n个用户的广播；
接收用户端包括n个结构相同的接收用户，其中，第i个接收用户包括一个光纤隔离器ISO、一个小信号放大器EDFA、一个2×2光纤耦合器FC2-i、三个可调光衰减器VOA2-i/VOA3-i/VOA4-i、一个偏振控制器PC、一个从激光器SLi、以及两个光电探测器PD1-i/PD2-i，i＝1,2,3,…,n；
以用户i为例，在第i个接收用户中，准直器耦合后的光信号经过光纤隔离器ISO后输入至小信号放大器EDFA，通过小信号放大器EDFA补偿空间传输损伤后由光纤耦合器FC2-i分为两路，其中一路光信号经过可调光衰减器VOA2-i、偏振控制器PC单向注入至从激光器SLi，此时从激光器SLi产生本地同步混沌信号，并经过光纤耦合器FC2-i、可调光衰减器VOA4-i后被光电探测器PD2-i接收；另一路光信号经过可调光衰减器VOA3-i后被光电探测器PD1-i接收；最后，两个光电探测器接收到的信号经过相减得到原始光信号。
接下来将展示实验验证结果，作为原理验证性实验，我们成功验证了单用户比特率为6Gbps、调制格式为OOK的信号在1.2米自由空间链路中的OAM广播安全传输。以接收用户1为例，附图2展示了主激光器DL产生的混沌载波时域波形图(a1)、频谱图(b1)和用户1的从激光器SL1产生的本地混沌信号时域波形图(a2)、频谱图(b2)和相关点图(c)。这里我们采用互相关系数(CC)来量化其输出信号之间的相关性。经过本方案提出的OAM广播后，互相关系数高达0.95，接收端产生的混沌信号均能够同发送端产生的混沌信号高度相关，高相关性保证了信号的正确解调。
附图3展示了用户1原始信息信号(a)、加密信号波形(b)及对应的眼图(c)和(d)。可以看到，对比原始信息信号通信眼图张开情况，加密后的信息波形呈现随机波动的趋势，无法分辨出原始信息，通信眼图紧闭，经计算，加密误码率接近0.5，因此验证了OAM广播安全通信方案的安全性。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种基于全光混沌调制的自由空间轨道角动量广播通信系统，其特征在于，包括：加密发送端、光场调控模块、自由空间链路、OAM广播模块、以及接收用户端；
所述加密发送端包括：主激光器DL、偏振控制器PC、光纤耦合器FC1、可调光衰减器VOA1、光纤反射镜M1、光隔离器ISO、马赫曾德尔调制器MZM和任意波形发生器AWG；
主激光器DL产生激光信号，经过偏振控制器PC后输入至光纤耦合器FC1，光纤耦合器FC1按照设置的光分束比将激光分为两路，其中一路光经过可调光衰减器VOA1的衰减后由光纤反射镜M1反射回主激光器DL；另一路光输出为混沌光载波，混沌光载波通过光隔离器ISO后进入马赫曾德尔调制器MZM，同时任意波形发生器AWG产生的信息通过MZM调制到混沌光载波上，得到携带有信息的混沌光载波，然后经过一个光纤准直器COL1准直为空间高斯光束进入光场调控模块；
所述光场调控模块包括一个线偏振片LP和一个反射式空间光调制器SLM1；
携带有信息的混沌光载波经过线偏振片LP后传输至反射式空间光调制器SLM1处进行OAM的n阶复用光场调控，调控后的光信号经反射式空间光调制器SLM1反射至自由空间链路进行传输，随后进入OAM广播模块；
所述OAM广播模块包括一个空间光调制器SLM2、n个45度反射镜M2-1～M2-n、以及n个光纤准直器COL2-1～COL2-n；
将空间光调制器SLM2的液晶屏等分为n份，每一份对应一个接收用户，每个用户在液晶屏上对应部分加载阶数相反的涡旋相位板，实现对自身OAM的解调，解调后得到n路高斯光束；第一路高斯光束经过反射镜M2-1、光纤准直器COL2-1准直进入光纤内传输至接收用户1；第二路解调高斯光束经过M2-2、COL2-2准直进入光纤内传输至接收用户2，以此类推，从而实现基于OAM的n个用户的广播；
所述接收用户端包括n个结构相同的接收用户，其中，第i个接收用户包括一个光纤隔离器ISO、一个小信号放大器EDFA、一个2×2光纤耦合器FC2-i、三个可调光衰减器VOA2-i/VOA3-i/VOA4-i、一个偏振控制器PC、一个从激光器SLi、以及两个光电探测器PD1-i/PD2-i，i＝1,2,3,…,n；
在第i个接收用户中，准直器耦合后的光信号经过光纤隔离器ISO后输入至小信号放大器EDFA，通过小信号放大器EDFA补偿空间传输损伤后由光纤耦合器FC2-i分为两路，其中一路光信号经过可调光衰减器VOA2-i、偏振控制器PC单向注入至从激光器SLi，此时从激光器SLi产生本地同步混沌信号，并经过光纤耦合器FC2-i、可调光衰减器VOA4-i后被光电探测器PD2-i接收；另一路光信号经过可调光衰减器VOA3-i后被光电探测器PD1-i接收；最后，两个光电探测器接收到的信号经过相减得到原始光信号。
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