CN116827543B - 基于光反馈f-p激光器同步的高速物理密钥分发系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体器件技术领域，涉及基于光反馈F‑P激光器同步的高速物理密钥分发系统与方法，解决了现有密钥分发技术安全性差、分发速率慢的问题，其包括辐射发光二极管、隔离器、总耦合器、Alice通信方、Bob通信方和实时数字示波器，Alice和Bob通信方均包括三个耦合器、多模半导体激光器、光环形器、两个波分复用器和任意波形发生器等。本发明利用多模半导体激光器的多个模式并行产生随机密钥，增加了密钥的复杂性，增强密钥分发的安全性，本发明利用混沌激光信号的宽带优势以及多模半导体激光器的多纵模特性，可以大幅度提高密钥分发速率；本发明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。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及基于光反馈F-P激光器同步的高速物理密钥分发系统与方法。
背景技术
绝对安全的保密通信是人类社会一直追求的目标，事关国家安定、社会安全、隐私保护等诸多方面。
香农（Shannon）提出的“一次一密”理论要求通信双方利用一致的高速随机密钥对信息进行加密和解密，以实现无条件安全的保密通信。因此，如何高速产生随机密钥且将其分发至通信双方是现代保密通信的核心技术。其中，将密钥分发给通信双方的过程称为密钥分发。
现行的密钥分发方案主要有基于数学算法和基于物理层的密钥分发。
1、基于数学算法的密钥分发
目前，通信系统普遍采用复杂的数学算法和种子产生随机密钥对信息进行加密和解密，但是其安全性主要依赖数学算法的复杂度，且密钥产生速率与数学算法的复杂度成反比，这导致安全性与密钥产生速度是一对矛盾体。并且，数学算法加密的安全性建立在窃听者仅具备有限的计算能力基础上。但随着计算机处理速度的提升以及算法的优化，此类密钥分发的安全性面临极大挑战。例如，1999年DES算法被RSA公司的超级计算机破解；2015年，RSA算法被秀尔算法破解；2017年AES-256算法被碰撞攻击破解。
2、基于物理层的密钥分发
此类方案中密钥的随机性来源于物理现象的随机性和不可复制性，典型方案包括量子密钥分发、基于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。
（1）量子密钥分发
量子密钥分发方案基于量子不确定性原理，窃听者无法准确获取量子态信息。并且量子遵循不可克隆性原理，窃听者对量子密钥的窃听会对合法通信双方的通信过程产生不可避免的干扰而被察觉。然而，单光子探测效率限制了量子密钥分发的通信速率，难以满足保密通信对密钥分发速率的要求。例如，在自由空间中量子密钥分发的最快速度仅为20-400bit/s。
（2）基于光纤激光器参数随机选择的密钥分发
此类方案中，通信双方之间构建的光纤通信路径组成光纤激光器的谐振腔，通信双方通过独立随机地改变激光器的参数来改变输出的激光信号特性：当双方选择的参数相同时，激光器输出相对应的激光信号特性，此时窃听者可以通过激光信号特性探明通信双方的参数选择情况；当双方选择的参数不同时，激光器输出的信号特性相同，窃听者无法得知双方的参数选取信息，而合法通信双方可以通过激光信号特性与己方参数选择情况判断对方的参数信息，从而实现安全的密钥交换。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。然而，此类方案中，激光信号须在光纤通信路径构成的谐振腔中传输一周才能判断此时选取的参数是否可作为密钥，因此信号须经过多周传输才能实现1bit的密钥分发，极大地限制了密钥分发速率。
（3）基于光纤信道互易性的密钥分发
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。
（4）基于混沌同步的密钥分发
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。目前，混沌半导体激光器作为物理熵源可以实时产生Gbps量级，离线产生Tbps量级的随机密钥。
参数匹配的半导体激光器在单向注入、互耦合以及共同信号驱动情况下可以产生具有高度相关性的时间波形，即实现混沌同步。从同步的时间序列中提取随机密钥即为基于混沌同步的密钥分发方案。为了提高方案的安全性，合法用户利用独立随机的私钥对激光器同步状态进行键控，最后筛选相同私钥对应产生的一致随机密钥，实现密钥分发。例如，2012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，并最终实现了速率为64kbps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184kps的密钥分发。然而，受同步恢复时间的限制，上述方案的密钥分发速率难以继续提高。多模激光器的多个纵模可分别作为物理熵源，并行产生随机密钥，成倍提高密钥分发速率。
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、或分发速率低的技术缺陷，本发明提供了基于光反馈F-P激光器同步的高速物理密钥分发系统与方法。
本发明公开了基于光反馈F-P激光器同步的高速物理密钥分发系统，包括超辐射发光二极管、隔离器、总耦合器、Alice通信方、Bob通信方和实时数字示波器，超辐射发光二极管产生的带宽信号经过隔离器单向输入到总耦合器后分为两路分别传输至Alice、Bob合法通信的双方；
Alice通信方包括第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第一多模半导体激光器、第一光环形器、第一波分复用器、第二波分复用器和第一任意波形发生器；总耦合器的其中一路输出信号依次经过第一可调衰减器、第一偏振控制器后连接至第一耦合器的第一端，第一耦合器的第二端连接至第二耦合器的第一端，第二耦合器的第二端连接至第一多模半导体激光器，第二耦合器的第三端连接至第一光环形器的第一端，第一光环形器的第二端经过第一掺铒光纤放大器连接至第一波分复用器，第一波分复用器的输出分为两路，其中一路依次经过第一可调延迟线、第二偏振控制器、第二可调衰减器和第一强度调制器输入第三耦合器的第一端，另一路依次经过第二可调延迟线、第三偏振控制器、第三可调衰减器和第二强度调制器输入第三耦合器的第二端，第三耦合器的第三端连接至第一光环形器的第三端；第一任意波形发生器输出两束逻辑非二进制码电信号对第一强度调制器和第二强度调制器进行开关控制；第一耦合器的第三端的输出信号通过第二波分复用器滤波并分为n束单模激光信号，n束单模激光信号分别由n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一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通信方包括第四耦合器、第五耦合器、第六耦合器、第二多模半导体激光器、第二光环形器、第三波分复用器、第四波分复用器和第二任意波形发生器；总耦合器的另一路输出信号依次经过第四可调衰减器、第四偏振控制器后连接至第四耦合器的第一端，第四耦合器的第二端连接至第五耦合器的第一端，第五耦合器的第二端连接至第二多模半导体激光器，第五耦合器的第三端连接至第二光环形器的第一端，第二光环形器的第二端经过第二掺铒光纤放大器连接至第三波分复用器，第三波分复用器的输出分为两路，其中一路依次经过第三可调延迟线、第五偏振控制器、第五可调衰减器和第三强度调制器输入第六耦合器的第一端，另一路依次经过第四可调延迟线、第六偏振控制器、第六可调衰减器和第四强度调制器输入第六耦合器的第二端，第六耦合器的第三端连接至第二光环形器的第三端；第二任意波形发生器输出两束逻辑非二进制码电信号对第三强度调制器和第四强度调制器进行开关控制；第四耦合器的第三端的输出信号通过第四波分复用器滤波并分为n束单模激光信号，n束单模激光信号分别由n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三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n路并行一致随机密钥，完成密钥分发。
本发明中，混沌信号的宽带特性为密钥分发速率的提升提供了熵源基础，本发明所述系统利用多模半导体激光器的多纵模以及模式间相关性很低的特性，利用私钥对激光器的反馈模式进行键控，当通信双方私钥相同时，输出的混沌激光信号包含相同的模式，可实现混沌同步；当双方私钥不同时，通信双方输出的混沌激光信号模式不同，所以不同步。筛选私钥相同时产生的多纵模激光信号进行单模滤波实现多路并行随机密钥产生，从而提高密钥分发的速率。
本发明还公开了基于光反馈F-P激光器同步的高速物理密钥分发方法，是基于本发明所述的基于光反馈F-P激光器同步的高速物理密钥分发系统实现的，包括以下步骤：
①首先，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总耦合器后均分为两路分别传输至Alice通信方和Bob通信方；
②Alice通信方和Bob通信方信号传输路径相同，以Alice通信方为例，总耦合器输出的信号输入第一可调衰减器中调节注入强度，后通过第一偏振控制器调节注入信号的偏振态，第一偏振控制器的输出信号依次经过第一耦合器、第二耦合器后注入到第一多模半导体激光器中，第一多模半导体激光器输出的激光信号一部分从第二耦合器的第三端输出后经过第一光环形器输入至第一掺铒光纤放大器中进行放大，经过放大的激光信号注入第一波分复用器，第一波分复用器对信号进行滤波并分束为两个光路，第一光路依次经过第一可调延迟线调节反馈路径的长度、第二偏振控制器调节偏振态、第二可调衰减器调节反馈强度以及第一强度调制器后输入第三耦合器的第一端，第二光路依次经过第二可调延迟线调节反馈路径的长度、第三偏振控制器调节偏振态、第三可调衰减器调节反馈强度以及第二强度调制器后输入第三耦合器的第二端，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控制下对两路信号进行开关键控，两路信号经过第三耦合器汇合为一束光并经过第一光环形器反馈回第一多模半导体激光器中，第一多模半导体激光器输出的多纵模激光信号依次经过第二耦合器和第一耦合器后从第一耦合器的第三端输出并经第二波分复用器滤波分束为n束单模激光信号，n束单模激光信号分别由n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探测记录，其中第一任意波形发生器输出至第一强度调制器的电信号作为A方私钥同时输入至实时数字示波器进行探测记录；同理，Bob通信方中的第二任意波形发生器输出至第三强度调制器的电信号产生的B方私钥由实时数字示波器进行探测记录，n束单模激光信号分别由n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探测记录；
③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n路并行一致随机密钥，完成密钥分发。
本发明所述方法利用超辐射发光二极管产生的宽带光源作为驱动信号可以使得多模半导体激光器产生的混沌信号不存在时延特征，且会降低模式间的相关性。通过键控反馈模式可以改变激光器输出信号的同步状态，多纵模激光信号经过单模滤波分为n个单纵模激光信号，将其作为物理熵源，可实现n路随机密钥并行产生，因此可以提高密钥分发的速率。
优选的，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反馈模式波长相同，为λ F1 或λ F2 ，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信号波长均为λ F1 或λ F2 ，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X 0 …X n 或X n+i …X 2n+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，注入第一多模半导体激光器和第二多模半导体激光器的反馈模式波形不同，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、本发明利用宽带类噪声信号作为驱动源，其具有宽带的特点，使得窃听者无法完全观测时域的变化进而无法重构完整的驱动信号，有效地增强了密钥分发的安全性，进一步，本发明利用多模半导体激光器的多个模式并行产生随机密钥，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，本发明中通信双方利用独立随机的私钥对反馈模式进行键控，窃听者无法获取完整的私钥信息，更进一步增加了密钥分发的安全性；二、本发明筛选私钥相同对应产生的多路随机密钥序列，其原理上是一致的，可作为最终密钥，实现密钥分发；本发明利用了混沌激光信号的宽带优势以及多模半导体激光器的多纵模特性，可以大幅度提高密钥分发速率；综上所述，本发明所述的基于光反馈F-P激光器同步的高速物理密钥分发系统与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为本发明所述基于光反馈F-P激光器同步的高速物理密钥分发系统的结构示意图；
图2为本发明所述基于光反馈F-P激光器同步的高速物理密钥分发方法的密钥分发协议。
图中：1、超辐射发光二极管；2、隔离器；3、总耦合器；4a、第一可调衰减器；5a、第一偏振控制器；6a、第一耦合器；7a、第二耦合器；8a、第一多模半导体激光器；9a、第一光环形器；10a、第一掺铒光纤放大器；11a、第一波分复用器；12a、第一可调延迟线；13a、第二可调延迟线；14a、第二偏振控制器；15a、第三偏振控制器；16a、第二可调衰减器；17a、第三可调衰减器；18a、第一强度调制器；19a、第二强度调制器；20a、第一任意波形发生器；21a、第三耦合器；22a、第二波分复用器；23a、第一光电探测器；4b、第四可调衰减器；5b、第四偏振控制器；6b、第四耦合器；7b、第五耦合器；8b、第二多模半导体激光器；9b、第二光环形器；10b、第二掺铒光纤放大器；11b、第三波分复用器；12b、第三可调延迟线；13b、第四可调延迟线；14b、第五偏振控制器；15b、第六偏振控制器；16b、第五可调衰减器；17b、第六可调衰减器；18b、第三强度调制器；19b、第四强度调制器；20b、第二任意波形发生器；21b、第六耦合器；22b、第四波分复用器；23b、第二光电探测器；24、实时数字示波器。
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1和图2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，基于光反馈F-P激光器同步的高速物理密钥分发系统，包括超辐射发光二极管1、隔离器2、总耦合器3、Alice通信方、Bob通信方和实时数字示波器24，超辐射发光二极管1产生的带宽信号经过隔离器2单向输入到总耦合器3后分为两路分别传输至Alice、Bob合法通信的双方；
Alice通信方包括第一耦合器6a、第二耦合器7a、第三耦合器21a、第一多模半导体激光器8a、第一光环形器9a、第一波分复用器11a、第二波分复用器22a和第一任意波形发生器20a；总耦合器3的其中一路输出信号依次经过第一可调衰减器4a、第一偏振控制器5a后连接至第一耦合器6a的第一端，第一耦合器6a的第二端连接至第二耦合器7a的第一端，第二耦合器7a的第二端连接至第一多模半导体激光器8a，第二耦合器7a的第三端连接至第一光环形器9a的第一端，第一光环形器9a的第二端经过第一掺铒光纤放大器10a连接至第一波分复用器11a，第一波分复用器11a的输出分为两路，其中一路依次经过第一可调延迟线12a、第二偏振控制器14a、第二可调衰减器16a和第一强度调制器18a输入第三耦合器21a的第一端，另一路依次经过第二可调延迟线13a、第三偏振控制器15a、第三可调衰减器17a和第二强度调制器19a输入第三耦合器21a的第二端，第三耦合器21a的第三端连接至第一光环形器9a的第三端；第一任意波形发生器20a输出两束逻辑非二进制码电信号对第一强度调制器18a和第二强度调制器19a进行开关控制；第一耦合器6a的第三端的输出信号通过第二波分复用器22a滤波并分为n束单模激光信号，n束单模激光信号分别由n组第一光电探测器23a处理后转化为电信号注入实时数字示波器24进行数据采集，其中第一任意波形发生器20a输出至第一强度调制器18a的电信号同时输入至实时数字示波器24进行数据采集；
Bob通信方包括第四耦合器6b、第五耦合器7b、第六耦合器21b、第二多模半导体激光器8b、第二光环形器9b、第三波分复用器11b、第四波分复用器22b和第二任意波形发生器20b；总耦合器3的另一路输出信号依次经过第四可调衰减器4b、第四偏振控制器5b后连接至第四耦合器6b的第一端，第四耦合器6b的第二端连接至第五耦合器7b的第一端，第五耦合器7b的第二端连接至第二多模半导体激光器8b，第五耦合器7b的第三端连接至第二光环形器9b的第一端，第二光环形器9b的第二端经过第二掺铒光纤放大器10b连接至第三波分复用器11b，第三波分复用器11b的输出分为两路，其中一路依次经过第三可调延迟线12b、第五偏振控制器14b、第五可调衰减器16b和第三强度调制器18b输入第六耦合器21b的第一端，另一路依次经过第四可调延迟线13b、第六偏振控制器15b、第六可调衰减器17b和第四强度调制器19b输入第六耦合器21b的第二端，第六耦合器21b的第三端连接至第二光环形器9b的第三端；第二任意波形发生器20b输出两束逻辑非二进制码电信号对第三强度调制器18b和第四强度调制器19b进行开关控制；第四耦合器6b的第三端的输出信号通过第四波分复用器22b滤波并分为n束单模激光信号，n束单模激光信号分别由n组第二光电探测器23b处理后转化为电信号注入实时数字示波器24进行数据采集，其中第二任意波形发生器20b输出至第三强度调制器18b的电信号同时输入至实时数字示波器24进行数据采集；
最后将实时数字示波器24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n路并行一致随机密钥，完成密钥分发。
本发明中，混沌信号的宽带特性为密钥分发速率的提升提供了熵源基础，本发明所述系统利用多模半导体激光器的多纵模以及模式间相关性很低的特性，利用私钥对激光器的反馈模式进行键控，当通信双方私钥相同时，输出的混沌激光信号包含相同的模式，可实现混沌同步；当双方私钥不同时，通信双方输出的混沌激光信号模式不同，所以不同步。筛选私钥相同时产生的多纵模激光信号进行单模滤波实现多路并行随机密钥产生，从而提高密钥分发的速率。
本发明的实施例中还公开了基于光反馈F-P激光器同步的高速物理密钥分发方法，是基于本发明所述的基于光反馈F-P激光器同步的高速物理密钥分发系统实现的，包括以下步骤：
①首先，超辐射发光二极管1产生的宽带信号经过隔离器2单向输入至总耦合器3后均分为两路分别传输至Alice通信方和Bob通信方；
②Alice通信方和Bob通信方信号传输路径相同，以Alice通信方为例，总耦合器3输出的信号输入第一可调衰减器4a中调节注入强度，后通过第一偏振控制器5a调节注入信号的偏振态，第一偏振控制器5a的输出信号依次经过第一耦合器6a、第二耦合器7a后注入到第一多模半导体激光器8a中，第一多模半导体激光器8a输出的激光信号一部分从第二耦合器7a的第三端输出后经过第一光环形器9a输入至第一掺铒光纤放大器10a中进行放大，经过放大的激光信号注入第一波分复用器11a，第一波分复用器11a对信号进行滤波并分束为两个光路，第一光路依次经过第一可调延迟线12a调节反馈路径的长度、第二偏振控制器14a调节偏振态、第二可调衰减器16a调节反馈强度以及第一强度调制器18a后输入第三耦合器21a的第一端，第二光路依次经过第二可调延迟线13a调节反馈路径的长度、第三偏振控制器15a调节偏振态、第三可调衰减器17a调节反馈强度以及第二强度调制器19a后输入第三耦合器21a的第二端，第一强度调制器18a和第二强度调制器19a分别在第一任意波形发生器20a输出的两束逻辑非二进制码电信号控制下对两路信号进行开关键控，两路信号经过第三耦合器21a汇合为一束光并经过第一光环形器9a反馈回第一多模半导体激光器8a中，第一多模半导体激光器8a输出的多纵模激光信号依次经过第二耦合器7a和第一耦合器6a后从第一耦合器6a的第三端输出并经第二波分复用器22a滤波分束为n束单模激光信号，n束单模激光信号分别由n组第一光电探测器23a处理后转化为电信号注入实时数字示波器24进行探测记录，其中第一任意波形发生器20a输出至第一强度调制器18a的电信号作为A方私钥同时输入至实时数字示波器24进行探测记录；同理，Bob通信方中的第二任意波形发生器20b输出至第三强度调制器18b的电信号产生的B方私钥由实时数字示波器24进行探测记录，n束单模激光信号分别由n组第二光电探测器23b处理后转化为电信号注入实时数字示波器24进行探测记录；
③最后将实时数字示波器24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n路并行一致随机密钥，完成密钥分发。
本发明所述方法利用超辐射发光二极管1产生的宽带光源作为驱动信号可以使得多模半导体激光器产生的混沌信号不存在时延特征，且会降低模式间的相关性。通过键控反馈模式可以改变激光器输出信号的同步状态，多纵模激光信号经过单模滤波分为n个单纵模激光信号，将其作为物理熵源，可实现n路随机密钥并行产生，因此可以提高密钥分发的速率。
在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，如图2所示，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8a和第二多模半导体激光器8b的反馈模式波长相同，为λ F1 或λ F2 ，通信双方实现同步，第一多模半导体激光器8a和第二多模半导体激光器8b输出信号波长均为λ F1 或λ F2 ，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X 0 …X n 或X n+i …X 2n+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，注入第一多模半导体激光器8a和第二多模半导体激光器8b的反馈模式波形不同，通信双方不同步，此时不产生随机密钥。
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 (3)
1.基于光反馈F-P激光器同步的高速物理密钥分发系统，其特征在于，包括超辐射发光二极管（1）、隔离器（2）、总耦合器（3）、Alice通信方、Bob通信方和实时数字示波器（24），超辐射发光二极管（1）产生的带宽信号经过隔离器（2）单向输入到总耦合器（3）后分为两路分别传输至Alice、Bob合法通信的双方；
Alice通信方包括第一耦合器（6a）、第二耦合器（7a）、第三耦合器（21a）、第一多模半导体激光器（8a）、第一光环形器（9a）、第一波分复用器（11a）、第二波分复用器（22a）和第一任意波形发生器（20a）；总耦合器（3）的其中一路输出信号依次经过第一可调衰减器（4a）、第一偏振控制器（5a）后连接至第一耦合器（6a）的第一端，第一耦合器（6a）的第二端连接至第二耦合器（7a）的第一端，第二耦合器（7a）的第二端连接至第一多模半导体激光器（8a），第二耦合器（7a）的第三端连接至第一光环形器（9a）的第一端，第一光环形器（9a）的第二端经过第一掺铒光纤放大器（10a）连接至第一波分复用器（11a），第一波分复用器（11a）的输出分为两路，其中一路依次经过第一可调延迟线（12a）、第二偏振控制器（14a）、第二可调衰减器（16a）和第一强度调制器（18a）输入第三耦合器（21a）的第一端，另一路依次经过第二可调延迟线（13a）、第三偏振控制器（15a）、第三可调衰减器（17a）和第二强度调制器（19a）输入第三耦合器（21a）的第二端，第三耦合器（21a）的第三端连接至第一光环形器（9a）的第三端；第一任意波形发生器（20a）输出两束逻辑非二进制码电信号分别对第一强度调制器（18a）和第二强度调制器（19a）进行开关控制；第一耦合器（6a）的第三端的输出信号通过第二波分复用器（22a）滤波并分为n束单模激光信号，n束单模激光信号分别由n组第一光电探测器（23a）处理后转化为电信号注入实时数字示波器（24）进行数据采集，其中第一任意波形发生器（20a）输出至第一强度调制器（18a）的电信号同时输入至实时数字示波器（24）进行数据采集；
Bob通信方包括第四耦合器（6b）、第五耦合器（7b）、第六耦合器（21b）、第二多模半导体激光器（8b）、第二光环形器（9b）、第三波分复用器（11b）、第四波分复用器（22b）和第二任意波形发生器（20b）；总耦合器（3）的另一路输出信号依次经过第四可调衰减器（4b）、第四偏振控制器（5b）后连接至第四耦合器（6b）的第一端，第四耦合器（6b）的第二端连接至第五耦合器（7b）的第一端，第五耦合器（7b）的第二端连接至第二多模半导体激光器（8b），第五耦合器（7b）的第三端连接至第二光环形器（9b）的第一端，第二光环形器（9b）的第二端经过第二掺铒光纤放大器（10b）连接至第三波分复用器（11b），第三波分复用器（11b）的输出分为两路，其中一路依次经过第三可调延迟线（12b）、第五偏振控制器（14b）、第五可调衰减器（16b）和第三强度调制器（18b）输入第六耦合器（21b）的第一端，另一路依次经过第四可调延迟线（13b）、第六偏振控制器（15b）、第六可调衰减器（17b）和第四强度调制器（19b）输入第六耦合器（21b）的第二端，第六耦合器（21b）的第三端连接至第二光环形器（9b）的第三端；第二任意波形发生器（20b）输出两束逻辑非二进制码电信号分别对第三强度调制器（18b）和第四强度调制器（19b）进行开关控制；第四耦合器（6b）的第三端的输出信号通过第四波分复用器（22b）滤波并分为n束单模激光信号，n束单模激光信号分别由n组第二光电探测器（23b）处理后转化为电信号注入实时数字示波器（24）进行数据采集，其中第二任意波形发生器（20b）输出至第三强度调制器（18b）的电信号同时输入至实时数字示波器（24）进行数据采集；
最后将实时数字示波器（24）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n路并行一致随机密钥，完成密钥分发。
2.基于光反馈F-P激光器同步的高速物理密钥分发方法，其特征在于，是基于权利要求1所述的基于光反馈F-P激光器同步的高速物理密钥分发系统实现的，包括以下步骤：
①首先，超辐射发光二极管（1）产生的宽带信号经过隔离器（2）单向输入至总耦合器（3）后均分为两路分别传输至Alice通信方和Bob通信方；
②Alice通信方和Bob通信方信号传输路径相同，以Alice通信方为例，总耦合器（3）输出的信号输入第一可调衰减器（4a）中调节注入强度，后通过第一偏振控制器（5a）调节注入信号的偏振态，第一偏振控制器（5a）的输出信号依次经过第一耦合器（6a）、第二耦合器（7a）后注入到第一多模半导体激光器（8a）中，第一多模半导体激光器（8a）输出的激光信号一部分从第二耦合器（7a）的第三端输出后经过第一光环形器（9a）输入至第一掺铒光纤放大器（10a）中进行放大，经过放大的激光信号注入第一波分复用器（11a），第一波分复用器（11a）对信号进行滤波并分束为两个光路，第一光路依次经过第一可调延迟线（12a）调节反馈路径的长度、第二偏振控制器（14a）调节偏振态、第二可调衰减器（16a）调节反馈强度以及第一强度调制器（18a）后输入第三耦合器（21a）的第一端，第二光路依次经过第二可调延迟线（13a）调节反馈路径的长度、第三偏振控制器（15a）调节偏振态、第三可调衰减器（17a）调节反馈强度以及第二强度调制器（19a）后输入第三耦合器（21a）的第二端，第一强度调制器（18a）和第二强度调制器（19a）分别在第一任意波形发生器（20a）输出的两束逻辑非二进制码电信号控制下对两路信号进行开关键控，两路信号经过第三耦合器（21a）汇合为一束光并经过第一光环形器（9a）反馈回第一多模半导体激光器（8a）中，第一多模半导体激光器（8a）输出的多纵模激光信号依次经过第二耦合器（7a）和第一耦合器（6a）后从第一耦合器（6a）的第三端输出并经第二波分复用器（22a）滤波分束为n束单模激光信号，n束单模激光信号分别由n组第一光电探测器（23a）处理后转化为电信号注入实时数字示波器（24）进行探测记录，其中第一任意波形发生器（20a）输出至第一强度调制器（18a）的电信号作为A方私钥同时输入至实时数字示波器（24）进行探测记录；同理，Bob通信方中的第二任意波形发生器（20b）输出至第三强度调制器（18b）的电信号产生的B方私钥由实时数字示波器（24）进行探测记录，n束单模激光信号分别由n组第二光电探测器（23b）处理后转化为电信号注入实时数字示波器（24）进行探测记录；
③最后将实时数字示波器（24）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n路并行一致随机密钥，完成密钥分发。
3.根据权利要求2所述的基于光反馈F-P激光器同步的高速物理密钥分发方法，其特征在于，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（8a）和第二多模半导体激光器（8b）的反馈模式波长相同，为λ F1 或λ F2 ，通信双方实现同步，第一多模半导体激光器（8a）和第二多模半导体激光器（8b）输出信号波长均为λ F1 或λ F2 ，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X 0 …X n 或X n+i …X 2n+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，注入第一多模半导体激光器（8a）和第二多模半导体激光器（8b）的反馈模式波形不同，通信双方不同步，此时不产生随机密钥。
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