一种基于多模激光器的波长跳变混沌保密通信方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于多模激光器的波长跳变混沌保密通信方法及系统，属于保密通信领域。所述系统包括一个驱动端和两个双向耦合的收/发端，通过驱动端向双向耦合收/发端提供相同的外部混沌光注入信号，实现了双向耦合的收/发端多模激光器的各模式的混沌同步，信息在不同时隙被加载到收/发端多模激光器的不同模式的混沌载波中，实现信息的双向波长跳变传输。本发明同时利用混沌通信技术和波长跳变技术的信息安全性增强特性，可以提高信息的物理层传输保密性，适用于高保密性通信业务；同时由于本发明实现了基于多模激光器的多波长混沌同步，可以提高系统的信息保密传输容量。
【专利说明】一种基于多模激光器的波长跳变混沌保密通信方法及系统
【技术领域】
[0001] 本发明属于保密通信领域，具体涉及一种基于多模激光器的波长跳变混沌保密通 信方法及系统。
【背景技术】
[0002] 随着网络容量和用户的爆炸式增长，信息保密越来越受到人们的重视，我国2012 年颁布的《通信业"十二五"规划》明确将信息安全列为"十二五"期间的发展重点之一。在 目前的应用和研究中，人们主要通过在介质访问控制层进行传统信息加密来提高通信系统 的安全性，而对最容易受到攻击的物理层的安全性研究很少。因此，实现物理层的信息保密 传输对提高通信系统保密性具有重要意义。
[0003] 激光器在光反馈、光注入等外部扰动条件下产生的混沌光信号具有独特 宽带特性和保密特性，因此基于激光器的全光混沌同步通信在今年来成为了保密 光通信研究领域的一大热点。A. Argyris Annovazzi-Lodi, P. Colet, I. Fischer, J. Garcia-Ojalvo, C. R. Mirasso, L. Pesquera, and K. A. Shore, "Chaos-based communications at high bit rates using commercial fibre-optic links, "Nature, vol. 437, no. 17, pp. 343 - 346, Nov. 2005.]成功地在商用光网 络中实现了传输距离为120km，传输速率大于lGbit/s的混沌保密通信，证明了基于激光器 的混沛保密通信技术的可行性和潜在应用。V. Annovazzi-Lodi等[￥.八11110￥322；[-]^〇(1;[，6· Aromataris, and M.Benedetti, ^Multi-user private transmission with chaotic lasers,，' IEEE J. Quantum Electron.，vol. 48, no. 8, pp. 1095-2001，Aug. 2012]提出了一种 利用混沌激光器实现多用户之间的保密通信的方案。但是，目前已报导的激光混沌保密通 信系统均采用单模激光器，信息传输始终保持在一个波长上。这存在一个缺陷：在传输速率 较低的情况下，窃密者用波长匹配的滤波器或调谐滤波器可能从信道上过滤出信息（线性 滤波法攻击），同时窃密者还可通过将信道中的混沌光信号注入到波长匹配的激光器中实 现混沌同步（同步法攻击），从而截获信息。
[0004] 波长跳变传输技术通过将信息分为一系列时隙信息块，在不同时隙分配不同波长 进行传输，可以在一定程度上增强信息的安全性。目前关于波长跳变保密通信的研究还不 多见。
【发明内容】
[0005] 本发明针对【背景技术】存在的缺陷，提供了一种基于多模激光器的波长跳变混沌保 密通信方法及系统，本发明采用多模激光器作为载波源产生多波长混沌光信号，同时采用 波长跳变技术使信息在不同时隙通过不同波长混沌光载波进行传输，以波长跳变方案作为 混沌载波之外的附加密钥，通过混沌加密和波长跳变两种技术，可以显著提高信息在传输 过程中的安全性，适用于宽带保密光通信领域。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] -种基于多模激光器的波长跳变混沌保密通信方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤1 :将原始信息按照波长跳变方案进行拆分和整合，输出各波长信道的实际 传输信息；
[0009] 步骤2 :在发射端，将η个波长的混沌载波信号分离成η个支路，η > 2,将各波长 信道的实际传输信息加载至分离后的混沌载波中，然后将η路已调混沌载波复用为一路信 号进行传输；
[0010] 步骤3 :在接收端，将接收到的载波信号和本地多模激光器产生的载波分离进η个 支路，且每个支路的信号波长相同，在每个支路上，将本地混沌载波和接收到的载波信号转 换为电信号，对本地载波进行延时，使本地载波与接收载波达到同步，解密出各波长上的传 输信息；
[0011] 步骤4 :将解密出的各波长上的传输信息按照与原始信息相逆的波长跳变方案恢 复为原始信息。
[0012] 一种基于多模激光器的波长跳变混沌保密通信系统，其特征在于，该系统包括驱 动端、两个收/发端和光纤，其中：
[0013] 驱动端包括激光器D-MSL和光耦合器0C，所述激光器为外腔多模半导体激光器， 用于产生包含η个波长的混沌载波信号S D，n > 2 ;所述光耦合器用于将混沌载波信号SD分 为相等的两束信号（耦合器分光比为50:50)，分别注入两个收/发端；
[0014] 每个收/发端包括多模激光器、发送模块、接收模块、信息处理模块、光稱合器、环 形器、光隔离器，所述多模激光器的工作参数与驱动端激光器D-MSL相同，用于产生本地混 沌载波；信息处理模块用于将信息进行发送前处理和接收后恢复；发送模块包括波分复用 器、光隔离器和η个光调制器，用于将η路经信息处理模块处理后得到的信息分别加载至多 模激光器输出的η波长混沌载波中；接收模块包括波分复用器和η个解调支路，利用相同波 长载波的混沛同步解密出传输信息；光环形器用于保证信号的双向传输，一方面，将本地多 模激光器产生的混沌载波传输至发送模块，另一方面，将接收到的载波传输至本地多模激 光器；所述发送模块输出的信号经过光耦合器耦合进光纤链路；光纤链路传输的信号经过 光耦合器、光隔离器和光耦合器进入接收模块。
[0015] 其中，所述发送模块包括波分复用器、光隔离器和η个光调制器，具体工作步骤 为：
[0016] 1)利用波分复用器将多模激光器输出的η个波长的混沌载波分离成η个支路；
[0017] 2)在每个支路上，利用光调制器将经过信息处理模块得到的信息加载至混沌载波 中；
[0018] 3)利用波分复用器将η路已调混沌载波复用为一路信号，再经过光隔离器之后耦 合进入光纤链路进行传输。
[0019] 所述接收模块包括波分复用器、光电检测器、解调器、电延时线、低通滤波器，具体 工作步骤为：
[0020] 1)利用波分复用器分别将接受到的载波和本地多模激光器输出的η对相同波长 的混沌载波分离进η个支路；
[0021] 2)在每个支路上解密传输信息：首先，利用光电检测器将本地混沌载波和接收载 波转换为电信号，利用电延时线将本地载波进行延时，使本地载波与接收载波达到同步；然 后，将接收载波和延时后的本地载波输入解调器，最后经过低通滤波器，解密出该波长上的 传输信息。
[0022] 所述信息处理模块采用相同的时隙拆分规律和相同的波长跳变方案进行发送信 息处理和接收信息恢复：
[0023] 所述发送信息处理过程为：发送信息在进入发送模块前被送入信息处理模块，信 息处理模块首先将发送信息按照时隙大小拆分为一系列的信息块；然后将不同时隙的信息 分配在不同波长上传输，实现传输信息的波长跳变；最后将同一波长上的信息块进行整合， 作为该波长的传输信息。
[0024] 所述接收信息恢复的过程为：解密信息从接收模块输出以后被送入信息处理模 块，信息处理模块首先将各波长上的解密信息按照发送信息的拆分规律拆分成一系列信息 块；然后根据发送信息的波长跳变规律将接收信息进行波长重新分配；最后将同一波长上 的信息进行整合，恢复出原始信息。
[0025] 本发明的有益效果为：
[0026] (1)本发明通过来自同一驱动端的外部混沌光注入，可以很容易地实现两个收/ 发端多模激光器之间的多波长混沌载波同步；
[0027] (2)本发明充分利用混沌信号和波长跳变技术的物理层传输安全性增强特性，通 过实现多波长混沌同步通信，提高了信息传输的保密性；
[0028] (3)本发明两个收/发端多模激光器采用双向耦合方式连接，可同时在多模激光 器的所有模式上双向传输信息，大大提高了系统的保密通信容量，适用于高保密性通信业 务。
[0029] (4)本发明利用混沌多模激光器的多个工作模式作为载波，可提高系统的并行传 输能力。
[0030] (5)本发明传输信息的波长跳变和恢复可通过线下处理完成，不会对现有混沌保 密通信系统结构产生较大影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0031] 图1为本发明提供的一种基于多模激光器的波长跳变混沌保密通信系统的结构 示意图。其中，D-MSL为驱动端的外腔多模半导体激光器，MSL1和MSL2为双向耦合的多模 激光器，MOD为光调制器，WDM为光波分复用器，Fiber为光纤，为光电检测器，0C为光耦 合器，01为光隔离器，DL为电延时线，LPF为低通滤波器，Data Processing为信息处理模 块。
[0032] 图2本发明的一种信息波长跳变传输示意图。
[0033] 图3本发明实施例中MSL1端恢复出的来自MSL2端的信息（实线）及其对应的源 息（虚线）。
[0034] 图4本发明实施例中MSL2端恢复出的来自MSL1端的信息（实线）及其对应的源 息（虚线）。
[0035] 图5本发明实施例中窃密者采用线性滤波法攻击从MSL2到MSL1的链路所截获的 信息（实线）及其对应的源信息（虚线）。
[0036] 图6本发明实施例中窃密者采用线性滤波法攻击从MSL1到MSL2的链路所截获的 信息（实线）及其对应的源信息（虚线）。
[0037] 图7本发明实施例中窃密者采用同步法攻击从MSL2到MSL1的链路所截获的信息 (实线）及其对应的源信息（虚线）。
[0038] 图8本发明实施例中窃密者采用同步法攻击从MSL1到MSL2的链路所截获的信息 (实线）及其对应的源信息（虚线）。
[0039] 图9本发明实施例中MSL1到MSL2、波长λ 2链路上合法通信和非法窃密的误比特 率随信息比特率的变化。
[0040] 图10本发明实施例中MSL2到MSL1、波长λ 3链路上合法通信和非法通信的误比 特率随信息比特率的变化。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图对发明作进一步的描述。
[0042] 如图1所述，本发明提出的一种基于多模激光器的波长跳变混沌保密通信系统包 括驱动端的外腔多模半导体激光器D-MSL、双向耦合的多模激光器MSL1和MSL2、光调制器 MOD、光波分复用器WDM、光纤、光电检测器Η)、光稱合器0C、光隔离器01、光环形器、电延时 线DL、信息处理模块。
[0043] 所述信息处理模块一方面用于将原始信息Mn、Mi2、…、M in(n彡2, i = 1表不MSL1 端，i = 2表示MSL2端）按照波长跳变方案进行拆分和整合，输出各波长信道的实际传输信 息mn(t)、m i2(t)、·'mjt);另一方面，还将接收模块解密出的信息m'n(t)、m'i2(t)、···、 m' in(t)按照波长跳变方案恢复成信息Mn'、Mi2'、"·、Μ ?η'。
[0044] 该系统驱动端通过适当调节外腔多模半导体激光器D-MSL的反馈强度和外腔长 度产生驱动混沌光S D，并用光耦合器将SD分为相等的两部分，分别注入到MSL1端和MSL2 端。
[0045] MSL1端：本地多模激光器输出的光信号Si被分为两部分，一部分被输入发射模块 TX，并被波分复用器分解为η路波长分别为λ ρ λ 2、…、λ "的光信号，分别用于承载本地 发送信息mn(t)、m12(t)、···、m ln(t);另一部分被输入接收模块，并经波分复用器分解为η 路波长分别为入1、入2、"*、入11的光信号，用于解密来自似1^2的信息111'21(1:)、111% 2(1:)、···、 m'2n(t)。实际中，也可以先用波分复用器将Si分解为η路波长分别为λρ λ2、…、入"的 光信号，再将每一路信号分为两部分，分别送入接收模块和发送模块。
[0046] MSL2端：本地多模激光器输出的光信号S2被分为两部分，一部分被输入发射模块 TX，并被波分复用器分解为η路波长分别为λ ρ λ 2、…、λ "的光信号，分别用于承载本地 发送信息m21(t)、m22(t)、···、m 2n(t);另一部分被输入接收模块，并经波分复用器分解为η 路波长分别为入1、入2、"*、入11的光信号，用于解密来自似1^1的信息111'11(1:)、111' 12(1:)、···、 m'ln(t)。实际中，也可以先用波分复用器将S2分解为η路波长分别为λ。λ2、…、\"的 光信号，再将每一路信号分为两部分，分别送入接收模块和发送模块。
[0047] 发射模块中，信息加密均采用混沌调制方式，其数学描述为
[0048] MSL1端波长为λ」的信道上的加密过程为： _9] C⑴=4⑴[1 + 加\ ⑴] (1) MSL2端通过混沌调制加密后的光信号强度；mij (t)和m2j (t)分别表示MSL1端和MSL2端的 发送信息，m'yt)和m、(t)分别表示MSL1端和MSL2端的解密信息；δ为调制深度，为了 保证信息能有效隐藏在混沌载波中，其取值通常小于10 % ;LPF表示用截止频率等于信息比 特率的低通滤波器对解调运算以后的结果进行滤波，消除噪声和高频载波成分等因素的影 响。
【权利要求】
1. 一种基于多模激光器的波长跳变混沌保密通信方法，包括以下步骤： 步骤1 :将原始信息按照波长跳变方案进行拆分和整合，输出各波长信道的实际传输 信息； 步骤2 :在发射端，将η个波长的混沌载波信号分离成η个支路，η > 2,将各波长信道 的实际传输信息加载至分离后的混沌载波中，然后将η路已调混沌载波复用为一路信号进 行传输； 步骤3 :在接收端，将接收到的载波信号和本地多模激光器产生的载波分离进η个支 路，且每个支路的信号波长相同，在每个支路上，将本地混沌载波和接收到的载波信号转换 为电信号，对本地载波进行延时，使本地载波与接收载波达到同步，解密出各波长上的传输 信息； 步骤4 :将解密出的各波长上的传输信息按照与原始信息相逆的波长跳变方案恢复为 原始信息。
2. -种基于多模激光器的波长跳变混沌保密通信系统，其特征在于，该系统包括驱动 端、两个收/发端和光纤，其中： 驱动端包括激光器D-MSL和光耦合器0C，所述激光器为外腔多模半导体激光器，用于 产生包含η个波长的混沌载波信号SD，n > 2 ;所述光耦合器用于将混沌载波信号SD分为相 等的两束信号（耦合器分光比为50:50)，分别注入两个收/发端； 每个收/发端包括多模激光器、发送模块、接收模块、信息处理模块、光耦合器、环形 器、光隔离器，所述多模激光器的工作参数与驱动端激光器D-MSL相同，用于产生本地混 沌载波；信息处理模块用于将信息进行发送前处理和接收后恢复；发送模块包括波分复用 器、光隔离器和η个光调制器，用于将η路经信息处理模块处理后得到的信息分别加载至多 模激光器输出的η波长混沌载波中；接收模块包括波分复用器和η个解调支路，利用相同波 长载波的混沛同步解密出传输信息；光环形器用于保证信号的双向传输，一方面，将本地多 模激光器产生的混沌载波传输至发送模块，另一方面，将接收到的载波传输至本地多模激 光器；所述发送模块输出的信号经过光耦合器耦合进光纤链路；光纤链路传输的信号经过 光耦合器、光隔离器和光耦合器进入接收模块。
3. 根据权利要求2所述的基于多模激光器的波长跳变混沌保密通信系统，其特征在 于，所述发送模块包括波分复用器、光隔离器和η个光调制器，具体工作步骤为： 1) 利用波分复用器将多模激光器输出的η个波长的混沌载波分离成η个支路； 2) 在每个支路上，利用光调制器将经过信息处理模块得到的信息加载至混沌载波中； 3) 利用波分复用器将η路已调混沌载波复用为一路信号，再经过光隔离器之后耦合进 入光纤链路进行传输。
4. 根据权利要求2所述的基于多模激光器的波长跳变混沌保密通信系统，其特征在 于，所述接收模块包括波分复用器、光电检测器、解调器、电延时线、低通滤波器，具体工作 步骤为： 1) 利用波分复用器分别将接受到的载波和本地多模激光器输出的η对相同波长的混 沌载波分离进η个支路； 2) 在每个支路上解密传输信息：首先，利用光电检测器将本地混沌载波和接收载波转 换为电信号，利用电延时线将本地载波进行延时，使本地载波与接收载波达到同步；然后， 将接收载波和延时后的本地载波输入解调器，最后经过低通滤波器，解密出该波长上的传 输信息。
5.根据权利要求2所述的基于多模激光器的波长跳变混沌保密通信系统，其特征在 于，所述信息处理模块采用相同的时隙拆分规律和相同的波长跳变方案进行发送信息处理 和接收信息恢复： 所述发送信息处理过程为：发送信息在进入发送模块前被送入信息处理模块，信息处 理模块首先将发送信息按照时隙大小拆分为一系列的信息块；然后将不同时隙的信息分配 在不同波长上传输，实现传输信息的波长跳变；最后将同一波长上的信息块进行整合，作为 该波长的传输信息； 所述接收信息恢复的过程为：解密信息从接收模块输出以后被送入信息处理模块，信 息处理模块首先将各波长上的解密信息按照发送信息的拆分规律拆分成一系列信息块；然 后根据发送信息的波长跳变规律将接收信息进行波长重新分配；最后将同一波长上的信息 进行整合，恢复出原始信息。
【文档编号】H04B10/85GK104065421SQ201410305841
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月30日 优先权日:2014年6月30日
【发明者】江宁, 邱昆, 薛琛鹏 申请人:电子科技大学