一种基于半导体激光器混沌同步的高速密钥分发装置的制作方法

本发明涉及信息处理技术领域，尤其涉及一种基于半导体激光器混沌同步的高速密钥分发装置。

背景技术：

信息安全涉及国家政治、经济、国防等诸多领域，是维护国家安全和社会稳定的关键问题。作为信息安全的关键技术之一，信息加密已经受到了广泛的关注。其中，信息加密过程中的密钥分发技术可为合法用户提供共享的密钥，从而实现信息的安全通信。

通常，密钥分发包括基于算法的密钥分发和物理安全的密钥分发。前者主要依赖于密码学算法，并基于假设窃听者的计算能力有限来保证密钥分发的安全性；而后者则是基于物理安全的密钥分发，如量子密钥分发(qkd)和基于随机信号相关的密钥分发。其中qkd是最广为人知的物理密钥分发技术，可以从根本上保证密钥分发的安全性，但是qkd也存在传输功率较弱，很难实现长距离的信息传输，信息传输速率较低等弱点。而基于随机信号相关的密钥分发技术的安全保障依赖于系统结构、工作机理、随机的物理控制参数等信息不易被完全泄露，且有望极大的提高信息传输的速率，因而成为了近年来该领域的研究热点。

半导体激光器在光反馈、光注入、光电反馈等外部扰动下易输出混沌信号，这些混沌信号具有宽带宽、适合远距离传输等优点，且这类基于物理器件产生的混沌信号具有不可预测的特点，因而被广泛的用于高速真随机数产生、混沌保密通信、密钥分发等领域。特别的是，在适当的条件下，两个混沌激光器可产生同步的混沌信号。因此，基于半导体激光器混沌同步输出的密钥分发技术应运而生。然而，目前相关的研究方案还比较缺乏，且均是采用1位比特信息控制系统的参量，这极大的限制了密钥产生的速率。

显然，考虑到密钥分发在信息领域的应用需求，并充分考虑到基于半导体激光器混沌同步的密钥分发技术的优势，探索安全性更高的高速密钥分发技术显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种基于半导体激光器混沌同步的高速密钥分发装置，从而为信息安全领域提供一种重要的信息安全传输方案。

一种基于半导体激光器混沌同步的高速密钥分发装置，其特征在于，包括：中心控制模块和用户模块；

所述中心控制模块包括驱动激光器，用于通过调节反馈光的偏振态及反馈强度，使驱动激光器两个线偏振模式分别输出混沌信号；

所述用户模块包括两个响应激光器、对应的两个两位模数转换器、两个两位比特滤波器以及一个随机比特发生器；

中心控制模块输出的两路混沌信号分别注入到所述两个响应激光器，两个响应激光器均受到偏振可调的光反馈，其反馈光的偏振态可通过随机比特发生器产生的两位随机比特序列控制可调偏振控制器实现；当两个响应激光器对应反馈光的偏振态一致时，两个激光器获得同步性能较好的混沌信号，从响应激光器输出的两路混沌信号分别经两位模数转换器采样和两位比特滤波器滤波后即可获得共享的密钥。

进一步地，如上所述的基于半导体激光器混沌同步的高速密钥分发装置，所述中心控制模块包括：1550nm的驱动激光器d-vcsel、第一平面反射镜、1/4波片、第一可调衰减器、第一分束镜、第二平面反射镜、第二可调衰减器、第一可调偏振控制器、第4平面反射镜、第5平面反射镜、第五可调衰减器、第三可调偏振控制器；

所述驱动激光器d-vcsel通过1/4波片、第一可调衰减器、第一平面反射镜获得偏转旋转光反馈，从而输出两路正交的混沌信号，所述混沌信号经第一分束镜后分成两路，一路经过第二平面反射镜、第二可调衰减器、第一可调偏振控制器后进入到用户模块的一个响应激光器；另一路经过第四平面反射镜、第五平面反射镜、第五可调衰减器、第三可调偏振控制器后进入到用户模块的另一个响应激光器。

进一步地，如上所述的基于半导体激光器混沌同步的高速密钥分发装置，所述用户模块包括：第一响应激光器r-vcsel1、第二响应激光器r-vcsel2；

所述第一响应激光器r-vcsel1经第二分束镜后分成两束，其中一部分光经第四可调衰减器、第二可调偏振控制器和第7平面反射镜后形成偏振可控的光反馈；另一部分光经第三平面反射镜、第三可调衰减器、第一非球面透镜、第一光纤耦合器和第一光电转换器后转换成电信号；

所述的第二响应激光器r-vcsel2经第三分束镜后分成两束，其中一部分光经第六可调衰减器、第四可调偏振控制器和第八平面反射镜后形成偏振可控的光反馈；另一部分光经第六平面反射镜、第七可调衰减器、第二非球面透镜、第二光纤耦合器和第二光电转换器后转换成电信号；

随机比特发生器产生的两位随机比特信号用于控制两个反馈光路中的第二可调偏振控制器和第四可调偏振控制器，用于使两个响应激光器在特定的情况输出同步混沌信号；

从两个光电转换器输出的电信号分别经第一模数转换器和第二模数转换器后进入第一比特滤波器和第二比特滤波器，利用随机比特发生器控制第一比特滤波器和第二比特滤波器，用以获得多比特的共享密钥。

进一步地，如上所述的基于半导体激光器混沌同步的高速密钥分发装置，所述随机比特发生器产生的随机信号分别控制vpc2、vpc4、bf1和bf2，所有信息采用两位比特编码。

有益效果：

1、本高速密钥分发技术采用一驱二的混沌同步技术，有利于保证密钥分发的安全性；

2、本高速密钥分发技术通过适当的反馈和注入使两个用户激光器两个正交的偏振分量均输出混沌信号，并利用两个用户激光器的同步输出获取共享的密钥，可有效的提高系统的安全性。

3、本用户模块采用随机比特发生器产生的随机信号控制两个响应激光器反馈光的偏振态和对应的比特滤波器，有利用保证密钥分发的安全性。

4、本用户模块中的随机比特发生器产生的随机信号采用两位比特编码用于控制两个响应激光器的反馈光偏振态和两位比特滤波器，可有效提高系统的信息传输速率。

5、本高速密钥分发技术选用激光器的工作波长为1550nm，可与现有光纤系统兼容，有利于这种密钥分发技术的推广应用。

6、本高速密钥分发系统的所有激光器采用商业化vcsel，能有效降低系统的成本。

附图说明

图1为本发明基于半导体激光器混沌同步的高速密钥分发装置结构框图；

图2为本发明基于半导体激光器混沌同步的高速密钥分发装置结构示意图；

图中，1：驱动激光器d-vcsel；2：第一响应激光器r-vcsel1；3：第二响应激光器r-vcsel2；4：第一平面反射镜；5：1/4波片；6：第一可调衰减器；7：第二平面反射镜；8：第二可调衰减器；9：第一可调偏振控制器；10：第三平面反射镜；11：第三可调衰减器；12：第一非球面透镜；13：第一光纤耦合器；14：第一光电转换器；15：第一模数转换器；16：第一比特滤波器；17：第二分束镜；18：第四可调衰减器；19：第二可调偏振控制器；20：第七平面反射镜；21：第一分束镜；22：第四平面反射镜；23：第五平面反射镜；24：第五可调衰减器；25：第三可调偏振控制器；26：第三分束镜；27：第六可调衰减器；28：第四可调偏振控制器；29：第八平面反射镜；30：第六平面反射镜；31：第七可调衰减器；32：第二非球面透镜；33：第二光纤耦合器；34：第二光电转换器；35：第二模数转换器；36：第二比特滤波器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2所示，本发明提供的一种基于半导体激光器混沌同步的高速密钥分发装置，包括:中心控制模块和用户模块。

所述中心控制模块由一个商业化的带光反馈的1550nmvcsel(驱动激光器，d-vcsel)及系列光学元件组成。通过调节反馈强度及反馈光的偏振态，驱动激光器的两个线偏振模式均可输出混沌信号。所述用户模块由两个参数基本一致的有反馈的响应激光器构成，利用驱动激光器产生的混沌信号分别注入到两个响应激光器，两个响应激光器均受到偏振可调的光反馈，其反馈光的偏振态可通过随机比特发生器产生的两位随机比特序列控制可调偏振控制器实现。响应激光器反馈光的4种偏振角(0，π/6,π/3,π/2)分别对应00、01、10、11。当两个响应激光器对应反馈光的偏振态一致时，两个激光器可获得同步性能较好的混沌信号。所有激光器的温度和电流可通过激光器控制器来实现控制。从响应激光器输出的两路混沌信号经两位adc进行采样，并利用随机比特发生器控制两位比特滤波器，从而获得两个用户端共享的密钥。

所述的中心控制模块主要由一个1550nm的vcsel经1/4波片和第一可调衰减器ndf1后获得偏转旋转光反馈，从而输出两路正交的混沌信号，这个混沌信号经分束镜bs1后分成两路，两路信号分别经第二平面反射镜m2、第二可调衰减器ndf2、第一可调偏振控制器vpc1和第四平面反射镜m4、第五平面反射镜m5、第五可调衰减器ndf5、第三可调偏振控制器vpc3后进入到用户模块的两个响应激光器。

所述第一响应激光器r-vcsel1输出的信号经第二分束镜bs2后分成两部分，其中一部分光经第四可调衰减器ndf4、第二可调偏振控制器vpc2和第七平面反射镜m7后形成偏振可控的光反馈。另一部分光经第三平面镜m3、第三可调衰减器ndf3、第一非球面透镜l1、第一光纤耦合器fc1和第一光电转换器pd1后转换成电信号。所述第二响应激光器r-vcsel2输出的信号经第三分束镜bs3后分成两部分，其中一部分光经第六可调衰减器ndf6、第四可调偏振控制器vpc4和第八平面反射镜m8后形成偏振可控的光反馈。另一部分光经第六平面镜m6、第七可调衰减器ndf7、第二非球面透镜l2、第二光纤耦合器fc2和第二光电转换器pd2后转换成电信号。随机比特发生器产生的两位随机比特信号用于控制两个反馈光路中的第二可调偏振控制器vpc2和第四可调偏振控制器vpc4，用于使两个响应激光器在特定的情况输出同步混沌信号。

从两个光电转换器输出的电信号分别经第一模数转换器adc1和第二模数转换器adc2后进入两位比特滤波器bf1和bf2。利用随机比特发生器控制bf1和bf2，用以获得多比特的共享密钥。

利用从中心控制模块输入的混沌信号同时驱动两个响应激光器，两个响应激光器均可输出两路正交的混沌信号，通过控制两个响应激光器反馈光的偏振态，两个响应激光器可输出同步的混沌信号。

所述随机比特发生器产生的随机信号分别控制vpc2、vpc4、bf1和bf2，所有信息采用两位比特编码，用以提高产生的密钥速率。

本方案的基本原理是：vcsel在适当的光反馈下可呈现出复杂的混沌行为。通过合理控制d-vcsel反馈光的偏振态及反馈强度，可以使vcsel的两个偏振分量均输出混沌信号。利用d-vcsel产生的混沌信号注入到两个参数匹配的响应vcsel激光器，通过随机比特发生器控制响应激光器反馈光路中的可调偏振控制器(反馈光的4种偏振角(0，π/6,π/3,π/2)分别对应00、01、10、11)，当两个反馈光路的控制参量一致时，两个响应激光器可实现高质量的混沌同步，此时对应的混沌序列即涵盖两个响应激光器共享的密钥信息。将两个响应激光器输出的混沌信号经光电转换后利用2位adc采样，并利用随机比特发生器控制2位比特滤波器，这样，当两个响应激光器同步时从2位比特滤波器输出的信息即对应两个响应激光器共享的密钥。在本方案中，仅仅当两个响应激光器实现高质量混沌同步对应的比特滤波器输出才是共享的密钥，而其他窃听者很难与响应激光器实现高质量混沌同步，因而很难窃取分发的密钥。同时，由于系统采用2位比特编码、2位adc和2位bf，从而极大的提高系统的信息传输速率。由此可见，本发明涉及的方案可为密钥分发的安全性提供保障，从而实现高速密钥分发。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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本发明各实施例技术方案的精神和范围。