基于DFB激光器注入光功率键控的密钥分发系统

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442, 2014)。基于混沌激光相关随机性的密钥分发是合法用户利用同步的混沌激光器作为相关信号源并利用独立随机的密钥对其进行调制，最终选取相同调制状态下的混沌时序提取一致密钥。由于混沌激光具有宽带宽与类噪声振荡特性，该方法有望改善密钥分发速率，日本uchida 教授利用相同的噪声信号驱动异地激光器实现混沌同步，并利用密钥对通信双方混沌系统的反馈相位进行独立随机的调制，最终实现了传输距离为120km、速率为184kbps的密钥分发。然而，利用外部调制器调节混沌激光的相位信息改变了混沌光的内部状态，使得系统的同步恢复时间为数十纳秒。该方案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。
5.综上所述，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。


技术实现要素：

6.本发明克服现有技术存在的不足，提供一种基于dfb激光器注入光功率键控的密钥分发系统，以解决现有技术中密钥分发速率低、安全性差的问题，为密钥分发速率的提高与安全性的提升提供了一种新的密钥分发方案。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于dfb激光器注入光功率键控的密钥分发系统，包括宽带噪声光源、第一隔离器、第一dfb激光器、第二dfb激光器、第一功率可调激光器模块、第二功率可调激光器模块、第一光电探测器、第二光电探测器、第一模数转换器、第二模数转换器、第一存储器、第二存储器和第一存储信道、第二存储信道公共信道；所述宽带噪声光源用于输出宽带噪声光信号分别注入第一dfb激光器和第二dfb激光器中使其输出同步的混沌激光；所述第一功率可调激光器模块和第二功率可调激光器模块用于在不同随机调制信号的驱动下，分别输出功率可调的激光信号从另一侧注入第一dfb激光器和第二dfb激光器，对其输出功率进行调制；所述第一功率可调激光器模块和所述第二功率可调激光器模块的输出光应满足光功率调谐条件；所述光功率调谐条件指：可调激光器模块输出的连续光中心频率与被注入激光器的频率失谐大到其单独注入dfb激光器时被注入的dfb激光器不会产生混沌激光，且注入光的波长在被注入的dfb激光器的增益区内；第一dfb激光器输出的混沌光束经第一光电探测器探测后经第一模数转换器转化得到随机数序列后发送至所述第一存储器存储；第二dfb激光器输出的混沌同步的混沌光束经第二光电探测器探测后经第二模数转换器转化得到随机数序列后发送至所述第二存储器存储；驱动所述第一功率可调激光器模块和第二功率可调激光器模块的随机调制信号分别同步输入至所述第一存储器和第二存储器存储，所述第一存储器和第二存储器通过所述公共信道交换随机调制驱动信号，并保留随机调制驱动信号相同时存储的随机数序列作为密钥进行加密存储。
8.所述第一功率可调激光器模块和第二功率可调激光器模块的结构相同，分别包括失谐激光器、强度调制器和随机信号发生器，所述失谐激光器发出的激光经所述强度调制
器进行功率调制后输出，所述随机信号发生器的输出的随机调制信号用于驱动所述强度调制器；第一功率可调激光器模块和第二功率可调激光器模块中，所述随机信号发生器的输出的随机调制信号还分别通过第一存储信道和第二存储信道发送至第一存储器和第二存储器存储。
9.所述第一功率可调激光器模块和第二功率可调激光器模块的结构相同，分别包括失谐激光器、t型偏置器和随机信号发生器，所述随机信号发生器输出的随机调制信号经t型偏置器输入至失谐激光器，对所述失谐激光器输出发出的激光功率进行调制；第一功率可调激光器模块和第二功率可调激光器模块中，所述随机信号发生器的输出的随机调制信号还分别通过第一存储信道和第二存储信道发送至第一存储器和第二存储器存储。
10.所述宽带噪声光源为超辐射发光二极管，所述失谐激光器为分布式反馈激光器。
11.所述的一种基于dfb激光器注入光功率键控的密钥分发系统，还包括第一隔离器、可调谐光滤波器、掺铒光纤放大器和第一耦合器，所述宽带噪声光源的输出激光依次经过第一隔离器、可调谐光滤波器、掺铒光纤放大器和第一耦合器后分为两束分别注入第一dfb激光器和第二dfb激光器中，所述可调谐光滤波器用于对宽带噪声光源输出的宽带噪声光信号进行滤波，所述掺铒光纤放大器用于对滤波后的信号进行放大。
12.所述第一耦合器的分光比为50:50。
13.所述的一种基于dfb激光器注入光功率键控的密钥分发系统，还包括第一偏振控制器、第一衰减器、第二偏振控制器、第二衰减器、第二耦合器和第三耦合器；所述述宽带噪声光源的输出激光被分为两束后，一束依次通过第一偏振控制器、第一衰减器、第二耦合器后注入第一dfb激光器，另一束依次通过第二偏振控制器、第二衰减器和第三耦合器后注入第二dfb激光器；第一dfb激光器和第二dfb激光器输出的同步混沌激光分别通过第二耦合器和第三耦合器后分别被第一光电探测器、第二光电探测器接收。
14.所述第一偏振控制器和第一衰减器用于调节第一dfb激光器的注入光的偏振状态及光强，所述第二偏振控制器和第二衰减器用于调节第二dfb激光器的注入光的偏振状态及光强；所述第一dfb激光器a和第二dfb激光器b通过调节注入噪声光的偏振及光强达到混沌同步状态。
15.所述的一种基于dfb激光器注入光功率键控的密钥分发系统，还包括第二隔离器和第三隔离器，所述第二隔离器设置在第一偏振控制器与第一衰减器之间，所述第三隔离器设置在第二偏振控制器和第二衰减器之间。
16.所述的一种基于dfb激光器注入光功率键控的密钥分发系统，还包括第三偏振控制器，第四隔离器，第四偏振控制器和第五隔离器；所述第一功率可调激光器模块输出的功率可调的激光信号依次经过第三偏振控制器，第四隔离器后从另一侧注入第一dfb激光器；所述第二功率可调激光器模块输出的功率可调的激光信号依次经过第四偏振控制器，第五隔离器后从另一侧注入第二dfb激光器。
17.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：1、本发明通过对比进行开关键控的私钥信息和激光器输出光功率变化产生的随机序列，实现一致密钥的产生，在调节响应激光器同步时，私钥信息只改变了激光器的输出光功率，并未改变混沌光内部的相位信息以及偏振状态，从而减小了混沌同步恢复时间的
影响，并利用了混沌激光信号的宽带优势，从而大幅度提高密钥分发速率。
18.2、本发明利用混沌激光器输出光功率变化产生随机密钥，增加了密钥的复杂性，进一步增强了密钥分发的安全性；3、本发明使用超辐射发光极管作为系统的驱动源，其输出信号具有宽带、类噪声特点，使得窃听者无法完全观测时域的变化进而无法重构完整驱动信号，有效地增强了密钥分发的安全性。
19.综上所述，本发明提供了基于激光器输出光功率混沌同步的高速物理密钥分发系统，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
20.图1为本发明实施例提供的一种基于dfb激光器注入光功率键控的密钥分发系统的结构示意图；图2为dfb激光器的结构示意图；图3为本发明实施例一中功率可调激光器模块的结构示意图；图4为本发明实施例中模数转换模块获得随机数序列的原理图；图5为本发明实施例二中功率可调激光器模块的结构示意图。
21.图中：1为宽带噪声光源，2为第一隔离器，3为可调谐光滤波器，4为掺铒光纤放大器，5为第一耦合器，6a为第一偏振控制器，6b为第二偏振控制器，7a为第二隔离器，7b为第三隔离器，8a为第一衰减器，8b为第二衰减器，9a为第二耦合器，9b为第三耦合器，10a为第一dfb激光器，10b为第二dfb激光器，11a为第四隔离器，11b为第五隔离器，12a为第三偏振控制器，12b为第四偏振控制器，13a为第一功率可调激光器模块，13b为第二功率可调激光器模块，14a为第一光电探测器，14b为第二光电探测器，15a为第一模数转换器，15b为第二模数转换器，16a为第一存储器，16b为第二存储器，17a为第一存储信道，17b为第二存储信道，18为公共信道，19为失谐激光器，20为强度调制器，21为随机信号发生器，23为t型偏置器。
具体实施方式
22.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例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的一部分实施例，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做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。
23.实施例一如图1所示，本发明实施例提供了一种基于dfb激光器注入光功率键控的密钥分发系统，包括宽带噪声光源1、第一隔离器2、可调谐光滤波器3、掺铒光纤放大器4和第一耦合器5、第一偏振控制器6a、第二偏振控制器6b、第二隔离器7a、第三隔离器7b、第一衰减器8a、第二衰减器8b、第二耦合器9a、第三耦合器9b、第一dfb激光器10a、第二dfb激光器10b、第三偏振控制器12a、第四隔离器11a、第四偏振控制器12b、第五隔离器11b、第一功率可调激光器模块13a、第二功率可调激光器模块13b、第一光电探测器14a、第二光电探测器14b、第一
模数转换器15a、第二模数转换器15b、第一存储器16a、第二存储器16b、第一存储信道17a、第二存储信道17b和公共信道18。
24.其中，宽带噪声光源1的输出端连接第一隔离器2的输入端，第一隔离器2的输出端连接可调谐光滤波器3的输出端，可调谐光滤波器3的输出端连接掺铒光纤放大器4的输入端，掺铒光纤放大器4的输出端连接第一耦合器5的输入端，第一耦合器5的输出端连接a方用户的第一偏振控制器6a的输入端，第一偏振控制器6a的输出端连接第二隔离器7a的输入端，第二隔离器7a的输出端连接第一衰减器8a的输入端，第一衰减器8a的输出端连接第二耦合器9a的输入端，第二耦合器9a的输出端连接第一dfb激光器10a输出波导，第一功率可调激光器模块13a的输出端连接第三偏振控制器12a的输入端，第三偏振控制器12a的输出端连接第四光隔离器11a的输入端，第四光隔离器11a的输出端连接第一dfb激光器10a的输入波导，第一dfb激光器10a的输出端经第二耦合器9a连接第一光电探测器14a的输入端，第一光电探测器14a的输出端连接第一模数转换器15a的输入端，第一模数转换器15a的输出端连接第一存储器16a的输入端，驱动第一功率可调激光器模块13a的随机功率调制信号通过第一存储信道17a输出到第一存储器16a，b用户方的连接与上述相同，双方用户的存储器16a、16b通过公共信道18连接。
25.所述宽带噪声光源1的输出激光依次经过第一隔离器2、可调谐光滤波器3、掺铒光纤放大器4和第一耦合器5后分为两束分别注入第一dfb激光器10a和第二dfb激光器10b中，所述可调谐光滤波器3用于对宽带噪声光源1输出的宽带噪声光信号进行滤波，所述掺铒光纤放大器4用于对滤波后的信号进行放大。具体地，本实施例中，所述第一耦合器5的分光比为50:50。
26.具体，本实施例中，所述宽带噪声光源1用于输出宽带噪声光信号分别注入第一dfb激光器10a和第二dfb激光器10b中使其输出同步的混沌激光；所述第一功率可调激光器模块13a和第二功率可调激光器模块13b用于在不同随机调制信号的驱动下，分别输出功率可调的激光信号从另一侧注入第一dfb激光器10a和第二dfb激光器10b，对其输出功率进行调制；所述第一功率可调激光器模块13a和所述第二功率可调激光器模块13b的输出光应满足光功率调谐条件；所述光功率调谐条件指：功率可调激光器模块输出的连续光中心频率与被注入激光器的频率失谐大到其单独注入dfb激光器时被注入的dfb激光器不会产生混沌激光，且注入光的波长在被注入的dfb激光器的增益区内。
27.本实施例中，所述述宽带噪声光源1的输出激光被分为两束后，一束依次通过第一偏振控制器6a、第二隔离器7a、第一衰减器8a、第二耦合器9a后注入第一dfb激光器10a，另一束依次通过第二偏振控制器6b、第三隔离器7b、第二衰减器8b和第三耦合器9b后注入第二dfb激光器10b；第一dfb激光器10a和第二dfb激光器10b输出的同步混沌激光分别通过第二耦合器9a和第三耦合器9b后分别被第一光电探测器14a、第二光电探测器14b接收。所述第一偏振控制器6a和第一衰减器8a用于调节第一dfb激光器10a的注入光的偏振状态及光强，所述第二偏振控制器6b和第二衰减器8b用于调节第二dfb激光器10b的注入光的偏振状态及光强；所述第一dfb激光器10a和第二dfb激光器10b通过调节注入噪声光的偏振及光强达到混沌同步状态。
28.本实施例中，所述第一功率可调激光器模块13a输出的功率可调的激光信号依次经过第三偏振控制器12a，第四隔离器11a后从另一侧注入第一dfb激光器10a；所述第二功
率可调激光器模块13b输出的功率可调的激光信号依次经过第四偏振控制器12b，第五隔离器11b后从另一侧注入第二dfb激光器10b。
29.具体，本实施例中，第一dfb激光器10a输出的混沌光束经第一光电探测器14a探测后经第一模数转换器15a转化得到随机数序列后发送至所述第一存储器16a存储；第二dfb激光器10b输出的混沌同步的混沌光束经第二光电探测器14b探测后经第二模数转换器15b转化得到随机数序列后发送至所述第二存储器16b存储；驱动所述第一功率可调激光器模块13a和第二功率可调激光器模块13b的随机调制信号分别同步输入至所述第一存储器16a和第二存储器16b存储，所述第一存储器16a和第二存储器16b通过所述公共信道18交换随机调制信号，并保留随机调制信号相同时存储的随机数序列作为密钥进行加密存储。
30.本发明实施例中，第一模数转换模块和第二模数转换模块获得随机数序列的原理如下：光电探测器探测得到光强信号，通过采样与双阈值量化得到随机数序列（01码）。采样是对得到的混沌时序抽点。双阈值量化是在时序波形上划定两个阈值，高于上阈值（时序的均值+c1*时序的标准差）的抽样点量化为1，低于下阈值（时序的均值
‑
c2*时序的标准差）的抽样点量化为0，在两个阈值之间的点舍弃不要，c1与c2是系数，如图4所示。
31.具体地，本实施例中，所述宽带噪声光源为超辐射发光二极管，所述失谐激光器19为分布式反馈激光器。超辐射发光二极管是一种通过电流注入发射宽带光的半导体器件，输出的是宽带（光谱）噪声光信号，作为响应激光器（第一、二dfb激光器10a、10b）产生混沌的驱动信号。其输出信号类噪声且与响应激光器的混沌信号低同步性，即使窃听者截获了驱动信号，也无法得出密钥。
32.本实施例的工作原理如下：宽带噪声光源1产生的宽带信号经过第一光隔离器2隔离后单向注入到可调谐光滤波器3进行滤波，滤波后的信号经过掺铒光纤放大器4放大后通过第一耦合器5分成两路分别输入到合法通信方a和b，在此以a通信方为例说明过程，第一耦合器5输出的信号通过第二光隔离器7a单向注入到第一dfb激光器10a中，注入信号扰动第一dfb激光器10a产生混沌信号。合法通信方a和b通过调节第一偏振控制器6a和第二偏振控制器6b，以及第一衰减器8a和第二衰减器8b，使注入到第一dfb激光器10a和第二dfb激光器10b的驱动光偏振与光强相同，使得第一dfb激光器10a和第二dfb激光器10b达到混沌同步状态。第一功率可调激光器模块13a的输出光通过第三偏振控制器12a和第四隔离器11a单向注入第一dfb激光器10a中，注入光消耗第一dfb激光器10a中的载流子，影响第一dfb激光器输出混沌激光的光功率，合法通信方a和b通过随机调制信号i
a
和i
b
调节第一功率可调激光器模块13a与第二功率可调激光器模块13b的输出光功率，当随机调制信号i
a
和i
b
相同时，则第一功率可调激光器模块13a与第二功率可调激光器模块13b的输出功率相同，否则，输出功率不同，因此，随机调制信号i
a
和i
b
可以使合法通信方a和b的第一dfb激光器10a和第二dfb激光器10b输出光信号在同步与不同步的状态中随机切换。第一dfb激光器10a和第二dfb激光器10b输出的混沌光信号通过第一光电探测器14a和第二光电探测器14b，第一模数转换器15a和第二模数转换器15b产生随机数序列，并分别存储在第一存储器16a和第二存储器16b中；随机变换的高低电平信号i
a
和i
b
分别作为用户a和b的私钥，分别通过第一存储信道17a和第二存储信道17b存储在第一存储器16a和第二存储器16b中。合法通信方a和b通过公共信道18交换私钥i
a
和i
b
，用户a和b通过对比私钥后选择出私钥相同时所对应的随机序列，并把这些随机序列作为密钥进行加密，从而实现的密钥分发。
33.本发明实施例中，第一dfb激光器10a和第二dfb激光器10a的结构示意图如图2所示，dfb激光器（分布式反馈激光器）的光栅与增益区在同一部分，激光器只有一个电极控制激光器的功率，其具有两个水平方向上的波导，可从两个相向的方向对激光器注入光信号，激光器也可从两个方向输出光信号。
34.本发明实施例的光功率调谐原理：现以用户a方说明，第一功率可调激光器模块13a输出连续光的中心频率λ2应和分布式反馈激光器10a自由输出时连续光的中心频率λ1有着较大频率失谐
∆
λ
12
=λ1‑
λ2。
∆
λ
12
的频率失谐量应满足两个条件：一、第一功率可调激光器模块13a的输出光单独直接注入第一dfb激光器10a时不改变第一dfb激光器10a的内部光场，其并不会产生混沌光信号；二、λ2在第一dfb激光器10a输出光谱的增益区内。
35.上述条件一是为满足当宽带噪声光源1注入第一dfb激光器10a产生混沌信号，再将第一功率可调激光器模块13a的输出连续光注入后，第一dfb激光器10a产生的混沌信号的光谱不会改变；条件二是为满足当第一功率可调激光器模块13a的输出连续光注入第一dfb激光器10a的光腔内时，来自第一功率可调激光器模块13a注入的光子可消耗第一dfb激光器10a光腔内的载流子使得第一dfb激光器10a的输出功率降低；当第一功率可调激光器模块13a注入的光强增加时，由于其对第一dfb激光器10a内载流子浓度的消耗进而改变粒子数反转状态，使得第一dfb激光器10a输出的混沌光功率降低直到达到稳定状态，当第一功率可调激光器模块13a注入的光强减小时，会减小对第一dfb激光器10a内载流子浓度消耗量进而使得第一dfb激光器10a输出的混沌光功率增加直到达到稳定状态。
36.具体地，本实施例中，所述第一功率可调激光器模块13a和第二功率可调激光器模块13b的结构相同。如图3所示，其包括失谐激光器19、强度调制器20和随机信号发生器21，所述失谐激光器19发出的激光经所述强度调制器20进行功率调制后输出，所述随机信号发生器21的输出的随机调制信号用于驱动所述强度调制器20，所述随机信号发生器21的输出的随机调制信号还分别通过存储信道（17a和17b）发送至存储器（16a和16b）存储。本实施例中，当随机信号发生器21输出高电平时，强度调制器20对光的衰减加大，功率可调激光器模块的输出光光功率降低，进入第一dfb激光器10a或第二dfb激光器10b的光腔内部的光子数减少，进而消耗的载流子数减少使得第一dfb激光器10a或第二dfb激光器10b输出功率变大。当随机信号发生器21输出为低电平时，第一dfb激光器10a或第二dfb激光器10b输出光功率变化情况与之相反。
37.具体，本实施例中，随机信号发生器21 具体可以为任意波形发生器。
38.本发明实施例中，密钥分发时，在随机信号发生器21产生的随机变换的高低电平信号i
a
和i
b
分别作为用户a和b的私钥，当用户a和用户b的调制信号i
a
和i
b
相同时，用户a和用户b对应的第一dfb激光器10a和第二dfb激光器10b的输出光功率相同，同时激光器输出信号（生成密钥）也可实现同步；当用户a和用户b的调制信号i
a
和i
b
不相同时，用户a和用户b对应的第一dfb激光器10a和第二dfb激光器10b输出光功率不相同，信号不同步，最后生成的密钥不相同。
39.实施例二如图1所示，本发明实施例二提供的一种基于dfb激光器注入光功率键控的密钥分发系统与实施例一基本相同，不同的是，本实施例中，所述第一功率可调激光器模块13a和
第二功率可调激光器模块13b的结构与实施例一不相同，如图5所示，其分别包括失谐激光器19、t型偏置器23和随机信号发生器21，所述随机信号发生器21输出的随机调制信号经t型偏置器23输入至失谐激光器19，对所述失谐激光器19输出发出的激光功率进行调制，所述随机信号发生器21的输出的随机调制信号还通过存储信道17发送至存储器16存储。
40.本实施例中，随机信号发生器21的输出随机高低电平信号i（对于通信双方，分别为i
a
或i
b
）加载在t型偏置器23的射频端口，偏置电流i1加载在t型偏置器23的直流端口，将叠加电流i1＋i作为失谐激光器19的外加调节偏置电流可调节失谐激光器19输出的连续光的光功率。当随机信号发生器22输出高电平时，失谐激光器19内部获得增益加大，失谐激光器19的输出光的光功率增大，进入第一dfb激光器10a或者第二dfb激光器10b内腔的光子数增多，进而消耗的载流子数增多使得第一dfb激光器10a或者第二dfb激光器10b输出功率减小。当随机信号发生器22输出为低电平时，第一dfb激光器10a或者第二dfb激光器10b的输出光功率变化情况与之相反。
41.具体地，本实施例中，所述宽带噪声光源1为超辐射发光二极管，所述失谐激光器19为分布式反馈激光器。具体，本实施例中，随机信号发生器21 具体可以为任意波形发生器。
42.综上所述，本发明提供了一种基于dfb激光器注入光功率键控的密钥分发系统，通过对dfb激光器输出光功率的探测，利用两激光器光功率不同相关性低的特点；通过开关键控不同的光功率可以调节总的输出信号的同步状态，此过程中并未改变混沌信号的内部特征，因此减小了同步恢复时间的影响，可以提高密钥分发的速率，因此，本发明解决了现有密钥分发技术安全性差、分发速率慢的问题，为保密通信提供了一种安全高速的密钥分发方案。
43.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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本发明各实施例技术方案的范围。