CN116743347A - 基于多模激光器同步的物理密钥多路并行分发系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于半导体激光器的密钥分发，具体为基于多模激光器同步的物理密钥多路并行分发系统及方法，解决了背景技术中的技术问题，其包括超辐射发光二极管、实时数字示波器以及结构相同的Alice通信方和Bob通信方，Alice、Bob通信方均包括波分复用器、任意波形发生器、多模半导体激光器和光电探测器等。该系统利用多模半导体激光器的多个模式进行并行产生随机密钥，增加了密钥的复杂性，增强了密钥分发的安全性；且通信双方利用独立随机的私钥对注入信号进行键控，更进一步增加了密钥分发的安全性；开环结构的多模半导体激光器与多个模式并行产生随机密钥从两个层面上大幅度提高了密钥分发速率。

Description

基于多模激光器同步的物理密钥多路并行分发系统及方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及基于半导体激光器的密钥分发，具体为基于多模激光器同步的物理密钥多路并行分发系统及方法。
背景技术
保密通信事关国计民生，绝对安全的保密通信是人类社会一直不断追求的目标。
香农（Shannon）提出的“一次一密”理论是绝对安全的保密通信方式，其原理上需要满足两个条件：(1)能够高速的产生随机密钥；(2) 能够实现高速安全的密钥分发。因此，如何安全的将高速随机密钥分发至通信双方是实现绝对安全保密通信的关键研究内容之一。现行的密钥分发方案主要有基于数学算法和物理层的密钥分发。
基于物理层的密钥分发主要依赖于物理熵源的随机性，典型方案包括量子密钥分发、基于超长光纤激光器的密钥分发，基于光纤信道互易性的密钥分发以及基于混沌同步的密钥分发。
其中，基于超长光纤激光器的密钥分发中，通信双方的光纤通信路径构成了光纤激光器的谐振腔，通信双方独立随机的改变路径端的反射镜中心波长。当双方选取的反射镜中心波长相同时，光纤激光器输出对应中心波长的信号；当双方选取的反射镜中心波长不同时，光纤激光器输出信号的中心波长均位于均值波长处，窃听者无法从信号特征中明确判断双方的中心波长设置情况，而合法通信双方可以通过激光器输出与己方反射镜选择情况判断对方的选择信息，从而实现安全的密钥交换。然而，此类方案中，激光信号须在通信路径中经过多周重复传输才能实现1bit的密钥分发，极大地限制了密钥分发速率。例如，2014年英国学者A. El-Taher利用距离为500km的拉曼光纤激光器实现了速率为100bit/s的安全密钥分发。
其中基于光纤信道互易性的密钥分发中，通信双方共享同一条光纤链路，光信号在其中传输时引入的噪声成分高度一致，或者信号本身的某些参量例如信号幅值，相位，偏振态等受信道中的噪声或者信道传输特性影响产生高度一致的随机性变化。通信双方可将获得的高度相关的随机信号作为物理熵源，对其进行采样量化实现异地同时提取一致的随机序列作为共享密钥，从而完成密钥分发。随后，通过在光路中添加高频扰动装置的方法突破了物理熵源的原始带宽对密钥生成速率的限制，将速率提升至Gbit/s。但利用此类方案在进行百km甚至千km长距离传输时无法继续保持很高互易性，甚至无法完成密钥分发过程。
其中，基于混沌同步的密钥分发中，半导体激光器在外部扰动下可以产生宽带、大幅、类噪声的混沌信号，而且两个参数匹配的激光器在单向注入、互耦合以及共同信号驱动情况下可以实现混沌同步，即产生具有高度相关性的时间序列。2007年混沌信号作为熵源产生随机密钥的方案被提出，2008年首次实验实现了混沌激光信号产生高速随机密钥。随着研究的不断深入，目前利用混沌激光器这种物理熵源可以实时产生Gbit/s量级，离线产生Tbit/s量级的随机密钥。
所以，将混沌同步现象与混沌信号生成随机密钥相结合，有望实现基于混沌同步的密钥分发。通信双方独立随机地对各自混沌半导体激光器进行键控，当键控条件相同时，产生的混沌序列原理上是一致的。随后，双方筛选键控条件相同时的混沌序列作为熵源提取一致的随机密钥，完成密钥分发。参数的随机键控为此方案附加了物理层的安全性。例如，2013年利用振幅固定、相位随机的连续光作为驱动，实现了半导体激光器的混沌同步，并最终实现了分发速率为64kbit/s的密钥分发。2017年该小组利用振幅固定、相位随机的连续光作为驱动，实现了光子集成半导体激光器的混沌同步，并最终实现了速率为184kbit/s 的密钥分发。然而，闭环半导体激光器在键控条件变化即同步与不同步切换过程中会存在数十ns的同步恢复时间，将此类方案的密钥分发速率限制在kbit/s量级。而开环半导体激光器的同步恢复时间较开环结构降低数个量级，有望从量级上提高密钥分发速率。
综上，现有密钥分发方案存在或安全性差、或分发速率低的问题。因此，有必要发明一种高速且安全的密钥分发技术，以解决“一次一密”绝对安全保密通信中高速密钥安全分发这一关键技术障碍。
发明内容
为克服现有密钥分发方案存在或安全性差、或分发速率低的问题技术缺陷，本发明提供了一种基于多模激光器同步的物理密钥多路并行分发系统及方法。
本发明提供了基于多模激光器同步的物理密钥多路并行分发系统，包括超辐射发光二极管、实时数字示波器、Alice通信方和Bob通信方，超辐射发光二极管产生的宽带信号经过隔离器单向输入至第一耦合器后分为两路分别传输至Alice通信方和Bob通信方；Alice通信方包括第一波分复用器、第一任意波形发生器、第一多模半导体激光器、第二波分复用器和2n组第一光电探测器，第一耦合器输出的信号依次经过第一可调衰减器和第一偏振控制器后输入至第一波分复用器，第一波分复用器对注入信号进行滤波并分为不同中心波长的两束信号，其中第一波分复用器的滤波宽度覆盖第一多模半导体激光器的n个模式，不同中心波长的两束信号其中一路依次经过第二偏振控制器和第一强度调制器处理，另一路依次经过第三偏振控制器和第二强度调制器处理，第一强度调制器和第二强度调制器分别在第一任意波形发生器输出的两束逻辑非二进制码电信号的控制下对不同中心波长的两束信号进行开关键控，键控后的两束信号经过第二耦合器输出后注入第一多模半导体激光器，第一多模半导体激光器产生的多模激光信号经第二波分复用器滤波并分为2n束单模激光信号，2n束单模激光信号分别由2n组第一光电探测器处理后转化为电信号注入实时数字示波器进行数据采集，其中第一任意波形发生器输出至第二强度调制器的电信号同时输入至实时数字示波器进行数据采集；Bob通信方的结构与Alice通信方一致，Bob通信方包括第三波分复用器、第二任意波形发生器、第二多模半导体激光器、第四波分复用器和2n组第二光电探测器，第一耦合器输出的信号依次经过第二可调衰减器和第四偏振控制器后输入至第三波分复用器，第三波分复用器对注入信号进行滤波并分为不同中心波长的两束信号，其中第三波分复用器的滤波宽度覆盖第二多模半导体激光器的n个模式，不同中心波长的两束信号其中一路依次经过第五偏振控制器和第三强度调制器处理，另一路依次经过第六偏振控制器和第四强度调制器处理，第三强度调制器和第四强度调制器分别在第二任意波形发生器输出的两束逻辑非二进制码电信号的控制下对不同中心波长的两束信号进行开关键控，键控后的两束信号经过第三耦合器输出后注入第二多模半导体激光器，第二多模半导体激光器产生的多模激光信号经第四波分复用器滤波并分为2n束单模激光信号，2n束单模激光信号分别由2n组第二光电探测器处理后转化为电信号注入实时数字示波器进行数据采集，其中第二任意波形发生器输出至第四强度调制器的电信号同时输入至实时数字示波器进行数据采集；最后将实时数字示波器采集到的Alice通信方和Bob通信方的数据传输至计算机，对比通信双方的私钥信息，筛选私钥相同时对应产生的多路并行一致随机密钥，完成密钥分发。
本发明所述技术方案中，超辐射发光二极管的宽带噪声光信号注入多模半导体激光器产生的混沌信号不存在时延特征，并且可以降低模式间的相关性。第一多模半导体激光器和第二多模半导体激光器为开环结构，同步恢复时间仅为ps量级，并且多个模式作为并行熵源，所以本申请可以从上面两个层面上提高密钥分发的速率。本申请通过改变注入信号中心波长实现同步随机键控，多模半导体激光器多个模式并行产生随机密钥。
本发明还提供了基于多模激光器同步的物理密钥多路并行分发方法，是基于本发明所述的基于多模激光器同步的物理密钥多路并行分发系统实现的，其密钥分发协议为当Alice通信方和Bob通信方的私钥相同时，第一多模半导体激光器和第二多模半导体激光器的注入信号中心波长相同，为λ D1或λ D2，通信双方可实现同步，第一多模半导体激光器和第二多模半导体激光器输出的多纵模激光信号中心波长均为λ R1或λ R2，将其进行单纵模滤波后分别对应产生中心波长为λ 0 … λ n或λ n+i … λ 2n+i的n单纵模激光信号，其中i≥1，从中提取随机密钥，分别产生X0 … Xn或Xn+i … X2n+i的n个随机密钥序列；当Alice通信方和Bob通信方的私钥不同时，注入多第一多模半导体激光器和第二多模半导体激光器的注入信号中心波长不同，通信双方不同步，此时不产生随机密钥。
本发明提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：一、本发明所述的基于多模激光器同步的物理密钥多路并行分发系统的驱动源为宽带类噪声信号，窃听者无法从公共信道完全观测其时域的变化进而无法获取完整驱动信号，无法重构同步，有效地增强了密钥分发的安全性；进一步，该系统利用多模半导体激光器的多个模式进行并行产生随机密钥，增加了密钥的复杂性，进一步增强了密钥分发的安全性；此外，该系统中通信双方利用独立随机的私钥对注入信号进行键控，即使窃听者获取了在公共信道传输的私钥，也无法破解密钥信息，更进一步增加了密钥分发的安全性；二、本发明所述系统及方法通过对比通信双方的私钥信息，筛选私钥相同时对应产生的多路并行一致随机密钥，完成密钥分发；开环结构的多模半导体激光器与多个模式并行产生随机密钥从两个层面上大幅度提高密钥分发速率；综上所述，本发明所述的基于多模激光器同步的物理密钥多路并行分发系统及方法解决了现有密钥分发技术安全性差、分发速率慢的问题，为绝对安全的保密通信提供了一种安全高速的密钥分发方案。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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。
图1为本发明所述基于多模激光器同步的物理密钥多路并行分发系统的结构示意图；
图2为本发明所述基于多模激光器同步的物理密钥多路并行分发方法的密钥分发协议示意图。
图中，1、超辐射发光二极管；2、隔离器；3、第一耦合器；4a、第一可调衰减器；5a、第一偏振控制器；6a、第一波分复用器；7a、第二偏振控制器；8a、第三偏振控制器；9a、第一强度调制器；10a、第二强度调制器；11a、第一任意波形发生器；12a、第二耦合器；13a、第一多模半导体激光器；14a、第二波分复用器；15a、第一光电探测器；16、实时数字示波器；4b、第二可调衰减器；5b、第四偏振控制器；6b、第三波分复用器；7b、第五偏振控制器；8b、第六偏振控制器；9b、第三强度调制器；10b、第四强度调制器；11b、第二任意波形发生器；12b、第三耦合器；13b、第二多模半导体激光器；14b、第四波分复用器；15b、第二光电探测器。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将对本发明的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在描述中，需要说明的是，术语 “第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
在一个实施例中，如图1所示，基于多模激光器同步的物理密钥多路并行分发系统，包括超辐射发光二极管1、实时数字示波器16、Alice通信方和Bob通信方，超辐射发光二极管1产生的宽带信号经过隔离器2单向输入至第一耦合器3后分为两路分别传输至Alice通信方和Bob通信方；Alice通信方包括第一波分复用器6a、第一任意波形发生器11a、第一多模半导体激光器13a、第二波分复用器14a和2n组第一光电探测器15a，第一耦合器3输出的信号依次经过第一可调衰减器4a和第一偏振控制器5a后输入至第一波分复用器6a，第一波分复用器6a对注入信号进行滤波并分为不同中心波长的两束信号，其中第一波分复用器6a的滤波宽度覆盖第一多模半导体激光器13a的n个模式，不同中心波长的两束信号其中一路依次经过第二偏振控制器7a和第一强度调制器9a处理，另一路依次经过第三偏振控制器8a和第二强度调制器10a处理，第一强度调制器9a和第二强度调制器10a分别在第一任意波形发生器11a输出的两束逻辑非二进制码电信号的控制下对不同中心波长的两束信号进行开关键控，键控后的两束信号经过第二耦合器12a输出后注入第一多模半导体激光器13a，第一多模半导体激光器13a产生的多模激光信号经第二波分复用器14a滤波并分为2n束单模激光信号，2n束单模激光信号分别由2n组第一光电探测器15a处理后转化为电信号注入实时数字示波器16进行数据采集，其中第一任意波形发生器11a输出至第二强度调制器10a的电信号同时输入至实时数字示波器16进行数据采集；Bob通信方的结构与Alice通信方一致，Bob通信方包括第三波分复用器6b、第二任意波形发生器11b、第二多模半导体激光器13b、第四波分复用器14b和2n组第二光电探测器15b，第一耦合器3输出的信号依次经过第二可调衰减器4b和第四偏振控制器5b后输入至第三波分复用器6b，第三波分复用器6b对注入信号进行滤波并分为不同中心波长的两束信号，其中第三波分复用器6b的滤波宽度覆盖第二多模半导体激光器13b的n个模式，不同中心波长的两束信号其中一路依次经过第五偏振控制器7b和第三强度调制器9b处理，另一路依次经过第六偏振控制器8b和第四强度调制器10b处理，第三强度调制器9b和第四强度调制器10b分别在第二任意波形发生器11b输出的两束逻辑非（反相）二进制码电信号的控制下对不同中心波长的两束信号进行开关键控，键控后的两束信号经过第三耦合器12b输出后注入第二多模半导体激光器13b，第二多模半导体激光器13b产生的多模激光信号经第四波分复用器14b滤波并分为2n束单模激光信号，2n束单模激光信号分别由2n组第二光电探测器15b处理后转化为电信号注入实时数字示波器16进行数据采集，其中第二任意波形发生器11b输出至第四强度调制器10b的电信号同时输入至实时数字示波器16进行数据采集；最后将实时数字示波器16采集到的Alice通信方和Bob通信方的数据传输至计算机，对比通信双方的私钥信息，筛选私钥相同时对应产生的多路并行一致随机密钥，完成密钥分发。Alice通信方的私钥通过第一任意波形发生器11a产生， Bob通信方的私钥通过第二任意波形发生器11b产生。
其中，可调衰减器可调节注入激光的强度；偏振控制器可调节注入信号的偏振态；本发明所述技术方案中，超辐射发光二极管1的宽带噪声光信号注入多模半导体激光器产生的混沌信号不存在时延特征，并且可以降低模式间的相关性。第一多模半导体激光器13a和第二多模半导体激光器13b为开环结构，同步恢复时间仅为ps量级，并且多个模式作为并行熵源，所以本申请可以从上面两个层面上提高密钥分发的速率。本申请通过改变注入信号中心波长实现同步随机键控，多模半导体激光器多个模式并行产生随机密钥。
本发明还公开了基于多模激光器同步的物理密钥多路并行分发方法，该方法基于本发明所述的基于多模激光器同步的物理密钥多路并行分发系统实现的，该方法的密钥分发协议如图2所示，当通信双方私钥相同时，注入多模半导体激光器的注入信号中心波长相同，为λ D1或λ D2，通信双方可实现同步，多模半导体激光器输出的多纵模激光信号中心波长均为λ R1或λ R2，将其进行单纵模滤波后分别对应产生中心波长为λ 0 … λ n或λ n+i … λ 2n+i的n单纵模激光信号，其中i≥1，从中提取随机密钥，分别产生X0 … Xn或Xn+i … X2n+i的n个随机密钥序列；当私钥不同时，注入多模激光器的注入信号中心波长不同，通信双方不同步，这种情况下不可用于随机密钥产生。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。尽管参照前述各实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离各实施例技术方案的范围，其均应涵盖权利要求书的保护范围中。

Claims (2)

1.基于多模激光器同步的物理密钥多路并行分发系统，其特征在于，包括超辐射发光二极管（1）、实时数字示波器（16）、Alice通信方和Bob通信方，超辐射发光二极管（1）产生的宽带信号经过隔离器（2）单向输入至第一耦合器（3）后分为两路分别传输至Alice通信方和Bob通信方；Alice通信方包括第一波分复用器（6a）、第一任意波形发生器（11a）、第一多模半导体激光器（13a）、第二波分复用器（14a）和2n组第一光电探测器（15a），第一耦合器（3）输出的信号依次经过第一可调衰减器（4a）和第一偏振控制器（5a）后输入至第一波分复用器（6a），第一波分复用器（6a）对注入信号进行滤波并分为不同中心波长的两束信号，其中第一波分复用器（6a）的滤波宽度覆盖第一多模半导体激光器（13a）的n个模式，不同中心波长的两束信号其中一路依次经过第二偏振控制器（7a）和第一强度调制器（9a）处理，另一路依次经过第三偏振控制器（8a）和第二强度调制器（10a）处理，第一强度调制器（9a）和第二强度调制器（10a）分别在第一任意波形发生器（11a）输出的两束逻辑非二进制码电信号的控制下对不同中心波长的两束信号进行开关键控，键控后的两束信号经过第二耦合器（12a）输出后注入第一多模半导体激光器（13a），第一多模半导体激光器（13a）产生的多模激光信号经第二波分复用器（14a）滤波并分为2n束单模激光信号，2n束单模激光信号分别由2n组第一光电探测器（15a）处理后转化为电信号注入实时数字示波器（16）进行数据采集，其中第一任意波形发生器（11a）输出至第二强度调制器（10a）的电信号同时输入至实时数字示波器（16）进行数据采集；Bob通信方的结构与Alice通信方一致，Bob通信方包括第三波分复用器（6b）、第二任意波形发生器（11b）、第二多模半导体激光器（13b）、第四波分复用器（14b）和2n组第二光电探测器（15b），第一耦合器（3）输出的信号依次经过第二可调衰减器（4b）和第四偏振控制器（5b）后输入至第三波分复用器（6b），第三波分复用器（6b）对注入信号进行滤波并分为不同中心波长的两束信号，其中第三波分复用器（6b）的滤波宽度覆盖第二多模半导体激光器（13b）的n个模式，不同中心波长的两束信号其中一路依次经过第五偏振控制器（7b）和第三强度调制器（9b）处理，另一路依次经过第六偏振控制器（8b）和第四强度调制器（10b）处理，第三强度调制器（9b）和第四强度调制器（10b）分别在第二任意波形发生器（11b）输出的两束逻辑非二进制码电信号的控制下对不同中心波长的两束信号进行开关键控，键控后的两束信号经过第三耦合器（12b）输出后注入第二多模半导体激光器（13b），第二多模半导体激光器（13b）产生的多模激光信号经第四波分复用器（14b）滤波并分为2n束单模激光信号，2n束单模激光信号分别由2n组第二光电探测器（15b）处理后转化为电信号注入实时数字示波器（16）进行数据采集，其中第二任意波形发生器（11b）输出至第四强度调制器（10b）的电信号同时输入至实时数字示波器（16）进行数据采集；最后将实时数字示波器（16）采集到的Alice通信方和Bob通信方的数据传输至计算机，对比通信双方的私钥信息，筛选私钥相同时对应产生的多路并行一致随机密钥，完成密钥分发。
2.基于多模激光器同步的物理密钥多路并行分发方法，其特征在于，是基于权利要求1所述的基于多模激光器同步的物理密钥多路并行分发系统实现的，其密钥分发协议为当Alice通信方和Bob通信方的私钥相同时，第一多模半导体激光器和第二多模半导体激光器的注入信号中心波长相同，为λ D1或λ D2，通信双方实现同步，第一多模半导体激光器和第二多模半导体激光器输出的多纵模激光信号中心波长均为λ R1或λ R2，将其进行单纵模滤波后分别对应产生中心波长为λ 0 … λ n或λ n+i … λ 2n+i的n单纵模激光信号，其中i≥1，从中提取随机密钥，分别产生X0 … Xn或Xn+i … X2n+i的n个随机密钥序列；当Alice通信方和Bob通信方的私钥不同时，注入多第一多模半导体激光器和第二多模半导体激光器的注入信号中心波长不同，通信双方不同步，此时不产生随机密钥。
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