一种基于半导体光源相位噪声的光纤密钥分发系统的制作方法

1.本发明涉及光信息安全技术领域，尤其是指一种基于半导体光源相位噪声的光纤密钥分发系统。


背景技术：

2.密码学作为一种保障信息安全的重要技术，因其在缓解通信和计算机系统发展带来的日益严重的安全威胁方面的潜在应用而受到越来越多的关注。而在加密系统中，为合法用户提供共享密钥的密钥分发是最关键的问题之一，也是近年来的热门话题。
3.目前主流的密钥分发方案根据其安全性来源主要分为两类。前一种密钥分发的安全性被称为计算安全性，其安全性主要来源于数学算法，目的是使攻击者在有限的计算能力下无法在短时间内破解加密算法取得密钥，其代表是目前广泛应用的rsa算法及des算法。而后一种基于物理原理的密钥分发方案的安全性被称为信息理论安全性，其安全性主要由物理过程或者现象发生的不确定性来保证，故被称为物理层的密钥分发方案，量子密钥分发是最广为人知的物理层密钥分发方案。从理论上来说，完全基于物理层的密钥分发方案对于无限的计算能力也依旧是安全的，然而目前所提出的物理层密钥分发方案很难在长距离下到达很高的传输速率(通常在1mbit/s以下)。因此，如何在长距离下做到高速率、抗干扰的密钥分发是制约物理层安全密钥分发技术发展的重要问题。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术的问题提供一种基于半导体光源相位噪声的光纤密钥分发系统，通过利用差值法消去了强度噪声项，在提取相位噪声的同时保证了还原信号具有较高的一致性；本发明设计巧妙、新颖，使得从通信双方发出的光信号经历相同的路径经过拍频相减后提取出光源的相位噪声，最后形成的密钥仅与光源自身以及密钥分发路径有关，抗干扰性更强，实现通信双方高速密钥分发。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
6.本发明提供了一种基于半导体光源相位噪声的光纤密钥分发系统，包括光源、第一分束器件、第二分束器件、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器、第一光纤链路、第二光纤链路、第三光纤链路和第四光纤链路；
7.所述光源发出光信号，通过第一分束器件分别分束至第一光纤链路和第二光纤链路；
8.所述第一光纤链路与第二分束器件连接；所述第一光电探测器和所述第二光电探测器分别与所述第二分束器件连接；
9.所述第二光纤链路与第三分束器件连接；所述第三光电探测器和所述第四光电探测器分别与所述第三分束器件连接。
10.其中，所述第一光纤链路、所述第二光纤链路、所述第三光纤链路和所述第四光纤链路均为标准单模光纤。
11.其中，所述第三光纤链路和所述第四光纤链路的光程差大于光源干涉长度。
12.其中，所述第二分束器件和所述第三分束器件均为3
×
3光纤耦合器。
13.其中，所述第一光电探测器、所述第二光电探测器、所述第三光电探测器和所述第四光电探测器的带宽一致。
14.本发明的有益效果：
15.本发明从稳定工作的半导体激光器发出的光信号经过第一分束器件分束后分别到达通信的合法双方，通过3
×
3耦合器后经过两条光纤链路到达通信的另一端后进入3
×
3耦合器完成拍频，最后分别被通信双方的光电探测器接收，被光电探测器接收的信号与本地的另一个探测器接收到的信号相减减去强度噪声项之后即可得到与光源本身有关的相位噪声项作为产生密钥的依据；本发明通过利用差值法消去了强度噪声项，在提取相位噪声的同时保证了还原信号具有较高的一致性；本发明设计巧妙、新颖，使得从通信双方发出的光信号经历相同的路径经过拍频相减后提取出光源的相位噪声，最后形成的密钥仅与光源自身以及密钥分发路径有关，由于半导体光源相位噪声具有高速且物理随机的特性，所提取的密钥可以达到较高的产生速率以及随机性，在上述设置下，抗干扰性更强，实现通信双方高速密钥分发。
附图说明
16.图1为本发明的一种基于半导体光源相位噪声的光纤密钥分发系统的原理图。
17.图2为本实施例的基于半导体光源相位噪声的光纤密钥分发系统在两段40公里外部光纤长度下通信双方接收的差值信号对比示意图。
18.在图1至图2中的附图标记包括：
19.1、光源；2、第一分束器件；3、第一光纤链路；4、第二光纤链路；5、第二分束器件；6、第三分束器件；7、第一光电探测器；8、第二光电探测器；9、第三光电探测器；10、第四光电探测器；11、第三光纤链路；12、第四光纤链路。
具体实施方式
20.为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。以下结合附图对本发明进行详细的描述。
21.一种基于半导体光源相位噪声的光纤密钥分发系统，如图1所示，包括光源1、第一分束器件2、第二分束器件5、第一光电探测器7、第二光电探测器8、第三光电探测器9、第四光电探测器10、第一光纤链路3、第二光纤链路4、第三光纤链路11和第四光纤链路12；
22.所述光源1发出光信号，通过第一分束器件2分别分束至第一光纤链路3和第二光纤链路4；
23.所述第一光纤链路3与第二分束器件5连接；所述第一光电探测器7和所述第二光电探测器8分别与所述第二分束器件5连接；
24.所述第二光纤链路4与第三分束器件6连接；所述第三光电探测器9和所述第四光电探测器10分别与所述第三分束器件6连接。
25.具体地，所述光源1与第一分束器件2可位于通信双方任意一方本地，也可与通信双方异地；所述第一分束器件2用于接收来自所述光源1的光信号，并传输到所述第一光纤
链路3和第二光纤链路4；
26.所述第二分束器件5用于接收来自所述第一光纤链路3的光信号，并传输到所述第三分束器件6；以及用于接收来自所述第三分束器件6的光信号，并传输到所述第一光电探测器7和第二光电探测器8；
27.所述第三分束器件6用于接收来自所述第二光纤链路4的光信号，并传输到所述第二分束器件5；以及用于接收来自所述第二分束器件5的光信号，并传输到所述第三光电探测器9和第四光电探测器10；
28.所述第一光纤链路3、第二光纤链路4、第三光纤链路11和第四光纤链路12均用于传输光信号；
29.所述第一光电探测器7、第二光电探测器8、第三光电探测器9、第四光电探测器10均用于将光信号转换为电信号，以得到对应的密钥；
30.所述第二分束器件5与第一光电探测器7、第二光电探测器8位于通信双方其中一方本地，所述第三分束器件6与第三光电探测器9、第四光电探测器10位于通信双方另一方本地。
31.本发明从稳定工作的半导体激光器发出的光信号经过第一分束器件2分束后分别到达通信的合法双方，通过3
×
3耦合器后经过两条光纤链路到达通信的另一端后进入3
×
3耦合器完成拍频，最后分别被通信双方的光电探测器接收，被光电探测器接收的信号与本地的另一个探测器接收到的信号相减减去强度噪声项之后即可得到与光源1本身有关的相位噪声项作为产生密钥的依据；本发明通过利用差值法消去了强度噪声项，在提取相位噪声的同时保证了还原信号具有较高的一致性；通信双方可以将还原得到的相位噪声作为生成密钥序列的依据直接量化形成生钥或是与明文异或等手段形成密文。
32.稳定半导体激光器中的相位噪声来自于光子的自发辐射，与统计学的伪随机性不同，由于量子力学的不确定性原理，其具有物理真随机性，并且随机比特产生率最终仅受激光器线宽的限制，这代表从激光器的相位噪声中通过恰当手段提取出的数字密钥同样具有真随机性。然而除了相位噪声以外，激光器在工作时还存在着本征强度噪声。
33.其中，本发明设计巧妙、新颖，使得从通信双方发出的光信号经历相同的路径经过拍频相减后提取出光源1的相位噪声，最后形成的密钥仅与光源1自身以及密钥分发路径有关，由于半导体光源1相位噪声具有高速且物理随机的特性，所提取的密钥可以达到较高的产生速率以及随机性，在上述设置下，抗干扰性更强，实现通信双方高速密钥分发。
34.本实施例中，所述第一光纤链路3、所述第二光纤链路4、所述第三光纤链路11和所述第四光纤链路12均为标准单模光纤。其中，所述第三光纤链路11和所述第四光纤链路12的光程差大于光源1干涉长度。其中，所述第二分束器件5和所述第三分束器件6均为3
×
3光纤耦合器。其中，所述第一光电探测器7、所述第二光电探测器8、所述第三光电探测器9和所述第四光电探测器10的带宽一致。
35.本实施例中，如图1所示，所述光源为宽谱的超辐射发光二极管，为了得到足够大的噪声方差，将噪声信号经过带宽为100ghz，中心波长1542.32nm的光学滤波器滤波后通过单模3db耦合器(第一分束器件)分束到两个单模3
×
3耦合器中，再进入两段40公里的外部光纤链路中，到达另一端3
×
3耦合器后完成拍频再被高速光电探测器接收。两段外部光纤链路的长度差为160.3米，远大于滤波后光波的干涉长度。当从两段外部光纤链路到达耦合
器的光功率相等时，两个本地探测器接收的光信号可以表示为：
[0036][0037][0038]
这里的t代表两段外部光纤链路间由于长度差异产生的时延，ψ
j
和ψ2为3
×
3耦合器附加的相位延迟，这里的附加相位延迟可以表示为
[0039][0040]
根据激光复合辐射场的表述
[0041][0042]
这里常数e0为平均场振幅，函数δ(t)与φ(t)分别为相对强度波动和相对相位波动，为时间相关的一系列零均值广义平稳实数，二者分别与相对强度噪声和相对相位噪声相关。ω0对应于sld光源中心光谱的发射频率。
[0043]
将式(1)(2)与(4)结合得到两个探测器接收的光强为
[0044][0045]
这里代表光的时变相位波动，可以视为高斯白噪声，其均方相位偏差为这里t
c
为光通过滤波器后的相干时间。随着相对延迟t的增加，相位差波动和相位噪声幅度也会增加。当t＞＞t时，相位噪声接近渐进水平，即本案例的情况，而强度波动δ(t)和δ(t+t)相比之下可以忽略不计，即
[0046][0047][0048]
此时将本地两个接收器的幅值相减，差值信号可以表示为
[0049][0050]
可以发现这里的差值信号中仅包含了相位噪声项。而值得注意的是，由于附加相
位延迟的存在，要保证通信双方取得的差值信号具有较好的一致性，两个对应的探测器的附加相位延迟应当相同。
[0051]
如图2为双方的接收到的原始信号经过相减后的差值信号在30ns以内的波形对比，这里使用了4个3.5ghz带宽的光电探测器，示波器采样率为5gsample/s。通过皮尔逊相关系数公式
[0052][0053]
计算得到的两路差值信号的相关系数为0.94，表明二者具有极高的相似度。再使用双阈值量化的方法将模拟信号转换为数字信号序列，转换规则为
[0054][0055]
q+和q分别为量化的高低阈值，ε为决定最终阈值的标量。在以上条件下，通过调整ε取值，最终密钥的生成速率可以达到2.3gbit/s，而此时双方密钥序列的误码率仅为0.0001％。
[0056]
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明以较佳实施例公开如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当利用上述揭示的技术内容作出些许变更或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明技术是指对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。