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一种多跨段激光混沌中继保密传输系统

2021-02-02 21:17:54

一种多跨段激光混沌中继保密传输系统

  技术领域

  本发明涉及激光混沌通信领域,具体涉及一种多跨段高速激光混沌中继保密传输系统。

  背景技术

  激光混沌具有类噪声特征、初始条件极为敏感、不可预测等特性,其在保密通信、高速物理随机数等领域存在重要应用。在激光混沌保密通信中可以利用混沌激光的类噪声特征隐藏有用信息,或者利用利用混沌激光产生的高速物理随机数对传输信息加密。不管那种方式,为实现混沌保密信息的传输均需构建高质量的激光混沌同步。2005年欧盟团队基于半导体激光器实现了1Gbit/s OOK信号、120公里的保密传输(Nature,2005,vol.438,pp.343~346),2010又实现了2.5Gbit/s OOK信号、120公里保密传输(Optics Express,2010,vol.18,pp.5188-5198)。2010年法国团队基于光电振荡器实现了速率10Gbit/s OOK信号、100公里的混沌保密传输(IEEE Journal of Lightwave Technology,2010,Vol.28,pp.1430~1435),随后国内团队实现了30Gbit/s OOK信号、100公里的混沌保密传输(Optics Letter,2018,Vol.43,pp.1323~1326)。已报道的激光混沌保密通信系统和方法,均采用单跨式(传输链路为单段光纤,无中继功能)、OOK调制方式和单偏振态传输方式,最大传输速率为30Gbit/s,混沌同步和通信的最长距离仅100公里左右。因此,无论从传输速率还是传输距离方面,与现有常规光纤通信系统(单波传输速率≥100Gbit/s,传输距离几百~几千公里)相比还有相当大的差距。此外,目前报道的激光混沌保密通信系统或多或少需要改变现有光纤通信系统架构。

  因此,在尽可能兼容现有光纤通信系统架构基础上,构建多跨段激光混沌中继保密传输系统对实现激光混沌通信的高速、长距离和实用化十分必要。

  发明内容

  为实现高速长距离激光混沌保密通信,本发明提供了一种多跨段激光混沌中继保密传输系统。为实现本发明的目的,本发明的系统如下。

  一种多跨段激光混沌中继保密传输系统包括:发送端、中继传输链路和接收端。

  所述发送端包括:激光混沌源、数字化、加密、光调制、信源和波分复用器;

  所述中继传输链路包括:光纤、光放大器、激光混沌中继器、波分复用器和波分解复用器;

  所述接收端包括:波分解复用器、同步激光混沌源、光电检测、数字化、解密和信宿;

  发送端激光混沌源发射出来的混沌激光分成两路,一路经数字化后与信源信息进行加密,随后调制到光载波(波长为λs)上。调制后的光信号与另一路混沌激光(波长为λc)经波分复用器合成一路后注入到中继传输链路。中继传输链路由多段构成,每一段由光纤、光放大器、激光混沌中继器等组成。其中,光放大器用于补偿混沌激光和信号光的损耗,激光混沌中继器用于补偿混沌激光的链路损伤。接收端通过波分解复用器将混沌激光和信号光分开。其中,混沌激光用于驱动同步激光混沌源实现与发送激光混沌源同步。信号光经光电检测后与数字化后的同步激光混沌信号进行解密,最终恢复出原始信息。

  优选的,发送端光调制可以采用幅度调制(AM)、相位调制(PM)、正交相移键控(QPSK),正交振幅调制(QAM)等各种调制方式以及偏振复用方式;加密方式可以采用与、或、同或、异或等各种逻辑运算方式。

  优选的,激光混沌中继器的工作方式可以采用开环方式、闭环方式等。

  优选的,同步激光混沌源的工作方式可以采用开环方式、闭环方式等;光电检测方式可以根据发送端调制方式选用直接检测或相干检测方式。

  相对于现有技术,本发明的有益技术效果在于:可以采用幅度调制(AM)、正交相移键控(QPSK),正交振幅调制(QAM)等各种调制方式以及偏振复用方式,结合相干检测方式实现高速率激光混沌保密通信。构建多跨段激光混沌中继保密传输链路延长激光混沌同步和保密通信距离。本发明能够在尽可能兼容现有光纤通信系统架构基础上,实现多种调制格式的高速、长距离激光混沌保密通信。

  附图说明

  为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本申请的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

  图1为本发明的一种多跨段激光混沌中继保密传输系统框图;

  图2(a)发送端混沌激光源的时域波形,图2(b)为背靠背情况下接收端同步混沌激光源的时域波形,图2(c)为背靠背情况下接收端同步混沌激光源与发送端混沌激光源的相关系数;

  图3(a)~(d)分别为经过1、2、3和4段中继链路传输后混沌激光信号与发送端激光混沌信号的相关系数;

  图4(a)为经过5段中继链路传输后同步混沌激光源的时域波形,图4(b)为经过5段中继链路传输后接收端同步混沌激光源与发送端混沌激光信号的相关系数。

  具体实施方式

  为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请实施例中附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此,以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围,而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。

  本实施例的一种多跨段激光混沌中继保密传输系统和通信方法总体概述为:本实施例的一种多跨段激光混沌中继保密传输系统如图1所示。系统由发送端、中继传输链路和接收端构成。其中,发送端包括:激光混沌源、数字化、加密、光调制、信源和波分复用器;中继传输链路包括:光纤、光放大器、激光混沌中继器、波分复用器和波分解复用器;接收端包括:波分解复用器、同步激光混沌源、光电检测、数字化、解密和信宿。系统工作原理如下:

  发送端激光混沌源发射出来的混沌激光分成两路,一路经光电转换和数字化后得到物理随机数字信号m(t),然后与信源信息s(t)进行加密得到加密信号y(t)。其中加密方式可以采用与、或、同或、异或等各种逻辑运算方式,如:

  “与”加密:y(t)=s(t)·m(t)(“·”为与运算)

  “或”加密:y(t)=s(t)+m(t)(“+”为或运算)

  “同或”加密:y(t)=s(t)⊙m(t)(“⊙”为或运算)

  “异或”加密:y(t)=s(t)⊕m(t)(“⊕”为或运算)

  加密后的信号通过光调制器调制到光载波(波长为λs)上,得到调制后的光信号。与背景技术所述已报道的激光混沌通信方法相比,本方案中由于采用了混沌信号数字化,加密后信号的调制方式不再局限于OOK。可以采用常规光纤通信系统中所有调制方式,如:幅度调制(AM)、相位调制(PM)、正交相移键控(QPSK),正交振幅调制(QAM)等,以及偏振复用方式。因此,可实现更高速率的信号传输。

  调制后的光信号(波长为λs)与另一路混沌激光(波长为λc)经波分复用器合成一路后注入到中继传输链路。中继传输链路由多段构成,每一段由光纤、光放大器、激光混沌中继器、波分解复用器和波分复用器组成。信号光和混沌激光经过一段光纤传输后,注入到光放大器中以补偿光纤链路的损耗。然后,经波分解复用器将信号光(λs)和混沌激光(λc)分成两路。其中,混沌激光注入到由半导体激光器为核心器件的激光混沌中继器。激光混沌中继器中的半导体激光器可采用开环或闭环反馈方式。通过混沌中继器后的混沌光与信号光经波分复用器合成一路后送入下一段传输链路。经过多段链路传输后,混沌光与信号光被送入到接收端进行激光混沌同步和信息解调。由于采用了激光混沌中继方式,混沌激光的链路损伤可以通过激光混沌中继器进行补偿,因而可以实现超长距离激光混沌信号的同步和混沌保密信号的传输。图2(a)~(c)分别给出了系统背靠背下,发送端激光混沌源与接收端同步激光混沌源的时域波形和相关系数。图3(a)~(g)分别给出了经过1、2、3和4段中继链路传输后(其中,每跨段为80公里色散管理光纤)混沌激光信号与发送端激光混沌源的相关系数。图4(a)~(b)分别给出了经过5段中继链路传输后接收端同步激光混沌源的时域波形以及与发送端激光混沌源的相关系数。从上述结果可以看出经过400公里光纤传输后,接收端同步激光混沌源与发送端激光混沌源仍然保持很好的同步特性(如,相关系数为0.92)。即,本发明完全可实现几百公里级,甚至千公里级激光混沌通信。接收端通过波分解复用器将混沌激光和信号光分开。其中,混沌激光注入到同步激光混沌源实现发送激光混沌源同步。得到的同步混沌激光采用与发送端相同的数字化方式进行数字化。信号光根据发送的调制方式和复用方式选用直接检测或相干检测方式进行光电转换。转换后的电信号与数字化的混沌信号根据对应的加密方式进行解密,最终恢复出原始信息。

  以上所述实施例,仅为本申请的具体实施方式,用以说明本申请的技术方案,而非对其限制,本申请的保护范围并不局限于此,尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内,其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改、变化或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此,本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

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