一种基于光载波驱动混沌激光同步的物理层加密系统及其方法

本发明属于混沌激光信号与光纤通信，涉及一种基于光载波驱动混沌激光同步的物理层加密系统及其方法。

背景技术：

1、近年来，计算机和通信技术得到了前所未有的快速发展。光纤通信具有高速率、低损耗和容量大等突出优势，为现代网络信息的主要载体和基础设施，成为当今最主要的长距离通信方式，承担着全球百分之九十以上的通信业务，涉及到各个领域。但随之而来的信息安全风险迅速增加，有关光纤被窃听的事件不断被报道，引起了人们的高度关注。一方面基于确定性算法的数字加密体制，比如经典的高级加密标准(aes)，虽然目前仍然可以提供一定安全保障。但由于其算法的可重复性，随着超高速计算机如量子计算机的出现和人工智能机器学习的兴起，面临着越来越严重的破解风险。所以探索具有非确定性特性的高级物理加密技术以进一步提高通信系统的安全性是非常必要的。

2、随着技术进一步发展，基于硬件光学加密提供光子层安全性，成为实现高速安全光通信的一个研究热点。电子科技大学的n.jiang等人研究了一种基于第三方同步驱动混沌同步的相位加密技术，它对调制格式是固有透明的，并且可以灵活地与现有的光通信系统兼容(a.zhao,c.xue,j.tang and k.qiu,optics letters44(7),1536－1539(2019).)。广东工业大学的z.gao等人开发的相关技术，对注入信号进行色散加密，提高了混沌激光信号的私密性(参见文献：z.gao,q.wu,l.liao,b.su,x.gao,s.fu,z.li,y.wang and y.qin,optics express30(17),31209－31219(2022))。然而，以上通信方案中均需要第三方驱动信号的传输，且驱动信号特征明显，极易被识别，使得信息有着被窃取泄露的风险。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于光载波驱动混沌激光同步的物理层加密系统及其方法，在不占用额外信道资源和无需第三方驱动信号的前提下，即可获得私密同步混沌激光用于物理层加密，确保通信安全。降低传输信息被窃取泄露的风险。

2、为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

3、本发明的一种基于光载波驱动混沌激光同步的物理层加密系统，包括采用光纤链路连接的发送端和接收端；

4、所述的发送端，包括通讯连接的信号产生模块和加密模块；所述的信号产生模块包括依次光路连接或电气连接的：第一半导体激光器、偏振控制器、待加密数据、强度调制器；所述的加密模块包括依次光路连接或电气连接的：第一色散单元、第一相位调制器、第一光纤耦合器、第二色散单元、第一光环形器、第二半导体激光器、第一光电探测器、第一射频放大器、第一光纤放大器；

5、所述的发送端的信号产生模块，第一半导体激光器发出用于搭载待加密数据的光载波，光载波经过偏振控制器调整光信号的偏振方向，然后输入到强度调制器，强度调制器将待加密数据调制到光载波上，发出搭载有待加密数据的光信号并进入加密模块进行加密；所述的加密模块中，第一色散单元与强度调制器输出端相连接，第一相位调制器输入端与第一色散单元相连接，扰乱类噪声光信号的相位实现相位加密，即通过强色散所造成的信号失真和相位调制器的相位加密，将信息完全隐藏；

6、所述的接收端，包括通讯连接的解密模块和信号解调模块；所述解密模块包括依次光路连接或电气连接的：第二光纤耦合器、第三色散单元、第二光环形器、第三半导体激光器、反向光电探测器、第二射频放大器、第二相位调制器、第四色散单元；所述信号解调模块包括依次光路连接或电气连接的：第二光纤放大器、第二光电探测器、恢复的信息；

7、所述的接收端在解密模块进行信号解密：加密后的光信号经第二光纤耦合器一分为二，其一个输出端和第三色散单元相连接，另一个输出端和第二相位调制器的输入端相连接；第二光环形器的一端口与第三色散单元相连，二端口与第三半导体激光器相连接；接收到的一部分光信号经过上述光路注入到第三半导体激光器，第三色散单元对注入光信号进行光学扰频；第三半导体激光器产生的混沌激光信号从第二光环形器的二端口输入，经三端口输出至反向光电探测器进行光电转换；第二射频放大器的输入端与反向光电探测器的输出端相连接，对驱动信号进行射频放大；第二射频放大器的输出端作为第二相位调制器的驱动端，驱动第二相位调制器进行相位解密；相位解密后的光信号被送入第四色散单元进行色散补偿，消除由第一色散单元造成的信号失真后，送入信号解调模块；在信号解调模块中，解密成功的光信号经过第二光纤放大器和第二光电探测器光电转换后，恢复出所传输的信息。

8、进一步的，在第一相位调制器前设有偏振控制器，用于调整光信号的偏振态，使光信号的偏振方向符合第一相位调制器的要求。

9、进一步的，所述的第一光纤耦合器采用y型定向耦合器，其输入端与第一相位调制器输出端相连接，其一输出端与第二色散单元输入端相连接，其另一输出端和第一光纤放大器输入端相连接，用于将相位加密后的光信号一分为二。

10、所述的第一光环形器的一端口与第二色散单元输出端相连，二端口与第二半导体激光器相连接；第二半导体激光器产生的混沌激光信号从第一光环形器的二端口输入，经三端口输出至第一光电探测器进行光电转换；第一射频放大器的输入端与第一光电探测器的输出端相连接，对驱动信号进行射频放大；第一射频放大器的输出端作为第一相位调制器的驱动端，驱动第一相位调制器进行相位加密；另一部分相位加密后的光信号，经过第一光纤放大器和光纤链路传输到接收端。

11、进一步的，所述的光纤链路包括单模光纤和与其色散值相匹配的色散补偿光纤。

12、进一步的，所述的第一半导体激光器的中心工作波长为1550nm、线宽为1.5mhz。所述的第一光放大器和第二光放大器均为掺铒光纤放大器。所述的第二色散单元和第三色散单元色散值动态可调，采用色散补偿光纤或者啁啾光纤光栅。

13、所述的第一相位调制器和第二相位调制器所施加的相位幅值相同，但符号相反；所述的第一色散单元和第四色散单元的色散值大小相等，符号相反。

14、本发明的一种基于光载波驱动混沌激光同步的物理层加密方法，由上述的基于光载波驱动混沌激光同步的物理层加密系统执行实施，其发送端基于相同光载波驱动，在通信双方产生本地同步混沌激光，并将其用于相位加密，同时结合色散模块的信息失真/隐藏作用，以实现物理层加密；接收端通过本地同步混沌激光信号进行相位解密，再结合色散补偿恢复原始光信号，最终基于解调模块恢复出所传输的信息。

15、与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

16、1.本发明设置有第二和第三半导体激光器，可在载波信号驱动下实现同步，不需要额外的第三方驱动信号源(例如混沌半导体激光器，恒定幅度随机相位激光源和自发辐射噪声源)，节约成本；

17、2.无需额外的信道用来传输驱动信号，节约了信道资源；

18、3.当与波分复用系统配合使用时，由于注入信号是其一路光载波，所以具有更好的隐藏效果，私密性更强；

19、4.本发明的安全性能基于混沌激光的私密同步，失真后的光载波信号具有更高的带宽，相较于一般的驱动信号，对色散更敏感，因而具有更好的安全性。

20、5.本发明可适用于多种光调制的信息调制格式。