基于混沌相干调制的保密通信系统
技术领域
本发明属于光纤通信领域中的混沌保密通信技术领域，具体涉及一种基于混沌相干调制的保密通信系统。
背景技术
混沌光通信由于具有硬件加密、与现行光通信系统兼容、适用于高速（Gbit/s）、长距离（km）保密通信等优点受到广泛关注。2005年在120公里光纤链路上进行了加密传输速率为1Gb/s的基于半导体激光器混沌通信的现场实验（Nature,Vol.438,P.343-346,2005.）。2010年基于光电振荡器(OEO)的混沌通信的现场实验在超过100公里的链路上实现的信息传输速率为10 Gb /s（IEEE J. Quantum Electron,Vol.46,P.1430,2010.）。然而，混沌光通信的速率仍远低于传统相干光通信100Gb/s以上的传输速率。因此，混沌保密通信的关键问题之一是提高混沌光通信速率。
常用的提高混沌光通信速率的方法有以下两种。一是提高混沌载波带宽，混沌半导体激光器的带宽受弛豫频率限制，通过外部光注入可使半导体激光器的混沌带宽提高到20GHz左右（Opt. Express, Vol. 23, P.1470, 2015.）（Opt. Lett, Vol. 34, P.1144,2009.）。在OEO系统中使用双延迟反馈（Opt. Lett, Vol. 36, P.2833, 2011.）的正交移相键控调制使其混沌带宽也提高到13GHz。然而，进一步增强带宽需要复杂的系统结构或高速光电子设备，从而增加设备的成本与设备集成化的难度。另一种提高混沌通信速率的有效方法是采用正交振幅调制(QAM)等高阶调制方法。相干光通信中的光学QAM能够实现更高的调制速率和更大的容量。目前，利用OEO系统的强度混沌掩藏强度调制的双二进制信号和电16QAM信号可实现30Gb/s的加密信息传输（Opt. Lett, Vol. 43, P.1323, 2018.）（Opt.Lett, Vol. 44, P.5776, 2019.）。但是上述OEO系统仅使用光载波的强度而未使用光载波的相位，此外OEO系统结构复杂，成本高昂，不利于实用化和集成化。而半导体激光器结构简单、成本低，是目前混沌保密通信研究中最常用的收发机，但却尚未实现基于联合光载波的强度和相位的多维光学QAM等高阶调制方式的保密通信，其加密速率也有待进一步提高。因此，寻找一种结合半导体激光器混沌通信和相干光通信来提高加密速率、保证传输信息的安全性的方案是十分必要的。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于混沌相干调制的保密通信系统，既可以提升混沌保密通信方案的信息传输速率，又可以保证传输信息的安全性。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于混沌相干调制的保密通信系统，包括驱动光源、第一耦合器、第一响应激光器、第一光电探测器、第一连续光激光器、马赫增德尔调制器、 I/Q调制装置、第一波分复用器、长距离光纤链路、第二波分复用器、第二响应激光器、第二耦合器、第二光电探测器、第三光电探测器、第二连续光激光器、90°混频器、第一平衡探测器、第二平衡探测器；第一减法器、第二减法器和并串转换装置；
驱动光源输出的光经第一耦合器分为两束，其中一束注入第一响应激光器，另一束依次经第一波分复用器、长距离光纤链路和第二波分复用器后注入第二响应激光器，驱动光源用于通过光注入的方式使第一响应激光器和第二响应激光器输出混沌激光；第一响应激光器的输出信号经第一探测器探测后输出到马赫增德尔调制器对其进行驱动；第二响应激光器的输出信号经第二耦合器分为两束光后，分别被第二光电探测器和第三光电探测器探测；
第一连续光激光器的输出信号经马赫增德尔调制器、I/Q调制装置、第一波分复用器、长距离光纤链路和第二波分复用器输入到90°混频器的第一输入端，第二连续光激光器的输出信号与90°混频器的第二输入端连接，90°混频器的第一输出端和第三输出端的输出信号被第一平衡探测器探测，第二输出端和第四输出端的输出信号被第二平衡探测器探测；第一平衡探测器的输出信号和第二光电探测器的输出信号经第一减法器后输出到并串转换装置的第一输入端，第二平衡探测器的输出信号和第三光电探测器的输出信号经第二减法器后输出到并串转换装置的第二输入端；
I/Q调制装置用于加载保密信息，并串转换装置用于输出信息。
所述的一种基于混沌相干调制的保密通信系统，还包括第一光环形器和第二光环形器，所述第一光环形器的第一端口与第一耦合器连接，第二端口与第一响应激光器连接，第三端口与第一光电探测器连接；所述第二光环形器的第一端口与第二波分复用器连接，第二端口与第一响应激光器连接，第三端口与第二耦合器连接。
所述的一种基于混沌相干调制的保密通信系统，还包括串并转换装置，所述串并转换装置与所述I/Q调制装置的驱动端连接，用于将保密信息进行串并转换后输出到所述I/Q调制装置。
所述驱动光源为混沌激光器或ASE光源（放大自发辐射光源）。
所述第一响应激光器和第二响应激光器输出光同步，且与所述驱动光源输出光不同步。
所述驱动光源输出光的光谱覆盖第一响应激光器和第二响应激光器输出光的光谱，所述驱动光源输出激光的光谱与所述第一连续光激光器的光谱无重叠。
第一响应激光器和第二响应激光器的参数保持一致，所述第一连续光激光器和第二连续激光器的参数保持一致。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明提供一种基于混沌相干调制的保密通信系统,通过同一驱动光源驱动发送端和接收端的两台响应激光器，利用共同信号驱动实现驱动与响应激光器不同步，响应激光器间高质量混沌同步。在发送端，IQ调制的信息隐藏于上述同步的混沌信号中，保证信息在信道传输中的安全性。接收端通过90度混频器相干解调实现IQ信息调制的混沌光载波与连续光载波的分离，再通过混沌同步解调得到相应的信息。本发明中信息的振幅和相位都被掩蔽，并由一个90°光混频器解密。本发明既避免了传统光通信的安全性问题，又解决了混沌保密通信速率受限的问题，与传统光通信系统很好的兼容，可实现安全高速的信息传输。
2、与混沌光通信的直调直解方案相比，本发明采用相干光通信中的I/Q调制方案进行信息的加载与解调，可实现的通信速率更高，带宽利用率更强，频谱效率更高。
3、与传统光通信相比，本发明中将混沌信号作为信息加密和传输中的干扰载波，利用了混沌信号宽带、大幅、类噪声的特征，提高了信息传输的安全性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于混沌相干调制的保密通信系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中90°混频器的工作原理图。
图中：1为驱动光源；2为第一耦合器；3为第一响应激光器；4为第一光环形器；5为第一光电探测器；6为第一连续光激光器；7为马赫曾德尔调制器(MZM)；8为I/Q调制装置；9为串并转换装置；10为第一波分复用器；11为第二波分复用器；12为第二连续光激光器；13为90°混频器；14为第一平衡探测器；15为第二平衡探测器；16为减法器；17为减法器；18为并串转换装置；19为第二光电探测器；20为第三光电探测器；21为第二耦合器；22为第二光环形器；23为第二响应激光器，24为长距离光纤链路。
具体实施方式
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。
如图1所示，本实施例提供了一种基于混沌相干调制的保密通信系统，包括驱动光源1、第一耦合器2、第一响应激光器3、第一光环形器4、第一光电探测器5、第一连续光激光器6、马赫增德尔调制器7、 I/Q调制装置8、串并转换装置9、第一波分复用器10、长距离光纤链路24、第二波分复用器11、第二响应激光器23、第二光环形器22、第二耦合器21、第二光电探测器19、第三光电探测器20、第二连续光激光器12、90°混频器13、第一平衡探测器14、第二平衡探测器15；第一减法器16、第二减法器17和并串转换装置18。
其中，驱动光源1输出的光经第一耦合器2分为两束，其中一束通过第一光环形器4注入第一响应激光器3，另一束依次经第一波分复用器10、长距离光纤链路24、第二波分复用器11和第二光环形器22后注入第二响应激光器23，驱动光源1通过光注入的方式使第一响应激光器3和第二响应激光器23输出混沌激光；第一响应激光器3输出的光信号经第一光环形器4、第一探测器5探测后转换为电信号并输出到马赫曾德尔调制器7对第一连续光激光器6的输出光进行调制；第二响应激光器23输出的光信号经第二光环形器22、第二耦合器21分为两束光后，分别被第二光电探测器19和第三光电探测器20探测。
其中，第一连续光激光器6输出的光信号经马赫曾德尔调制器7、I/Q调制装置8、第一波分复用器10、长距离光纤链路24和第二波分复用器11输入到90°混频器13的第一输入端，第二连续光激光器12的输出端与90°混频器13的第二输入端连接，90°混频器13的第一输出端a和第三输出端c的输出光信号被第一平衡探测器14探测，第二输出端b和第四输出端d的输出信号被第二平衡探测器15探测；第一平衡探测器14的输出电信号和第二光电探测器19的输出电信号经第一减法器16后输入到并串转换装置18的第一输入端，第二平衡探测器15的输出电信号和第三光电探测器20的输出电信号经第二减法器17后输出入到并串转换装置18的第二输入端；I/Q调制装置8用于加载保密信息，并串转换装置18用于输出解调后的保密信息。
如图2所示，为本发明实施例中，90°混频器13的原理示意图，信号E1和信号E2通过90°混频器13后，其四路输出分别为：
其输出的两路（即Ea和Ec）经第一平衡探测器14后输出的电信号为经混沌加密的同相分量（I）信息，另外两路（即Eb和Ed）经第二平衡探测器15探测后输出的电信号为经混沌加密的正交分量（Q）信息，上述经混沌加密的I信号和Q信号分别与第二光电探测器19、第三光电探测器20的输出信号分别在减法器中做减法，可以解调出混沌解密的I信号和Q信号。
进一步地，如图1所示，本实施例中所述第一光环形器4的第一端口与第一耦合器2连接，第二端口与第一响应激光器3连接，第三端口与第一光电探测器5连接；所述第二光环形器22的第一端口与第二波分复用器11连接，第二端口与第二响应激光器23连接，第三端口与第二耦合器21连接。通过使用光环形器，可以实现驱动光源的输出光注入至响应激光器，同时还可以使响应激光器的输出光能输出至光电探测器。
进一步地，如图1所示，本实施例提供的一种基于混沌相干调制的保密通信系统，还包括串并转换装置9，所述串并转换装置9与所述I/Q调制装置8的驱动端连接，用于将原始信息进行串并转换后输出到所述I/Q调制装置8。
具体地，本实施例中，所述驱动光源1为混沌激光器或ASE光源，驱动光源1用于驱动第一响应激光器3和第二响应激光器23，使所述第一响应激光器3和第二响应激光器23输出同步的混沌光，同时，第一响应激光器3和第二响应激光器23输出同步的混沌光还应与驱动光源的输出光不同步。具体地，本发明中的同步指的是：两束光的相关系数大于0.8，若相关系数小于0.8，则认为两束光不同步。通过调节注入功率，以及响应激光器的电流等，可以调节达到使两个响应激光器同步，且与驱动光源不同步的目的。本实施例中，使第一响应激光器3和第二响应激光器23输出同步的混沌光与所述驱动光源1的输出光不同步，目的是为了保证混沌光系统的安全性，窃听者无法通过驱动光源的输出光复制出响应激光器的输出光。
此外，本实施例中，第一响应激光器3和第二响应激光器23的参数应保持一致，第一连续光激光器6和第二连续光激光器12的参数也应保持一致，具体地，本发明中的参数保持一致是指，两个激光器的芯片来自同一晶圆，且激光器的中心波长和P-I曲线斜效率、阈值电流失配均小于2%。所述驱动光源1输出激光的光谱需覆盖所述响应激光器的光谱，以保证驱动光源能够驱动发射端和接收端的响应激光器，使发射端和接收端的响应激光器实现高质量同步。所述驱动光源1输出激光的光谱与所述第一连续光激光器6的光谱无重叠，目的是为了使混沌载波与连续光载波不相互串扰，进而保证响应激光器间稳定的高质量同步，以及信息的良好的解调性能。
本发明实施例的工作原理如下：
1）共同驱动混沌同步光路。
驱动光源1输出光经过第一耦合器2分为两路，一束经过第一环形器4输入到第一响应激光器3，另一束经过第一波分复用器 10、长距离光纤链路24、第二波分复用器11和第二环形器22输入到响应激光器23中。在此过程中，驱动光源1驱动的第一响应激光器3和第二响应激光器23通过参数调节可实现同步，同时实现两个响应激光器均与驱动光源1不同步。具体可以通过调节光的注入强度、频率失谐等参数来实现上述目的。其中，第一响应激光器3、第二响应激光器23在驱动光源1注入下存在带宽增强，能够加载信息。所述驱动光源1为混沌激光器或ASE光源（放大自发辐射光源）。
2）信息加载。
发射端的第一响应激光器3输出的混沌光信号经环形器后被光电探测器5转化为电信号输入到马赫增德尔调制器(MZM)7中，对第一连续光激光器6输出的连续光载波进行调制，经过混沌调制后的光信号作为新的载波输入到I/Q调制装置8中，信息经过串并转换装置9输入到I/Q调制装置8中，并加载到经过混沌调制后的新的光载波上。I/Q调制装置8输出的经过混沌相干调制的光信号通过第一波分复用器10、长距离光纤链路24、第二波分复用器11传输到接收端进行信息的解调。
3）信息解调。
第二波分复用器11接收到的经过混沌相干调制的光信号和第二连续光激光器12产生的连续光载波信号均输入到90°混频器13中，90°混频器第一输出端a、第三输出端c输出的光信号与第二输出端b和第四输出端d输出的光信号分别输入到第一平衡探测器14和第二平衡探测器15中，分别得到经过混沌调制的含有信息的I、Q电信号。第二响应激光器23输出的混沌光信号经第二环形器22输出后，被第二耦合器21分为两束，分别输入到第二光电探测器19和第三光电探测20中，第二光电探测器19输出的电信号与第一平衡探测器14输出的电信号经过第一减法器16恢复出的信息分量及第三光电探测器20输出的电信号与第二平衡探测器15输出的电信号经过第二减法器17恢复出的信息分量共同输入到并串转换装置18中解调出最终的信息。
综上所述，本发明提供一种基于混沌相干调制的保密通信系统,通过同一驱动光源驱动发送端和接收端的两台响应激光器，利用共同信号驱动实现响应激光器间高质量混沌同步，同时使得驱动与响应激光器不同步，。同步的混沌信号作为传统IQ调制通信方案中发射端的干扰载波存在，保证了信息在信道传输中的安全性。接收端通过90度混频器相干解调实现IQ信息调制的混沌光载波与连续光载波的分离，再通过混沌同步解调得到相应的信息。本发明中信息的振幅和相位都被掩蔽，并由一个90度光混频器解密。本发明通过混沌相干调制既避免了传统光通信的安全性问题，又解决了混沌保密通信速率受限的问题，与传统光通信很好的兼容，可实现安全高速的信息传输。
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。
