基于混沌激光和光涡旋的保密通信研究

发布时间：2020-10-26 14:55

　　 得益于半导体技术和信息技术的高速发展,光通信的通信容量得到了极大的增长,而且通信的可靠性也有了很高的保障。然而层出不穷的信息泄露事件让通信的安全隐患暴露出来,保密通信技术也因此成为了一个研究热点。在物理层进行加密的混沌激光保密通信以其高安全性和高速率的优点受到了研究者们广泛的关注;另外,携带轨道角动量(OAM:orbital angular momentum)的光涡旋因其独特的螺旋相位和检测特性也能够赋予光通信系统一定的安全性。本论文着眼于光通信系统的安全性,对基于混沌激光和光涡旋的保密通信系统进行了实验研究。具体内容如下:(1)介绍了混沌的基本特性,混沌激光的几种常见产生方式以及同步理论。然后实验搭建了基于非线性光电延时反馈的混沌激光产生和同步系统,并且在两种短距离多模光纤(MMF:multimode fiber)中实现了高速保密通信,实验测试了两种调制格式信号传输的安全性。(2)简要介绍了光涡旋的一些特性、产生和检测技术。搭建自由空间的单路和多路光涡旋产生和检测系统,实验研究了光场被部分遮挡时对OAM功率谱测量的影响,实验结果表明基于光涡旋的自由空间通信系统具有物理层的安全属性。(3)先对光反馈系统的混沌产生和同步原理进行了介绍和仿真,然后实验搭建了两套独立的混沌激光源,并利用光注入技术实现了高效的混沌同步,接着与两个光涡旋模式的空间复用相结合,实现了两路信息的高速保密传输,实验证明该通信系统不仅能提高通信容量,还可以使通信的安全性大幅提升。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN918
【部分图文】：

的信息隐藏起来，这样就形成了密文；即使窃听者窃取到了信号，在不知道密钥或者加密手段的前提下是很难从密文中提取出信息的；解密过程就是加密的逆过程，合法的接收方利用共享的密钥从接收到的密文中提取出信息。1.2.1 数字加密加密是避免信息被窃取和被非法修改的有效手段。传统的加密方式是基于公共密钥的数字加密体系[3]，一般是在应用层对数字信息施加密钥来加密，例如 1978 年由 RonRivest、AdiShamir 和 LeonardAdleman 三位学者提出的 RSA 方案[6]，1991 年提出的 DSA（DSA: digital signature algorithm）算法[7]等等，但是它们不是绝对安全的，山东大学的王小云教授已经于 2005 年将两个用于生成公共密钥的 Hash 函数破解了[8,9]。伴随计算机相关技术的高速发展，数字密钥的安全屏障已不再那么固若金汤。

图 1-2 量子密钥分发系统（a）接收机与（b）发射机[12]沌保密通信混沌的概念被首次提出以来，研究者们 就注意到了其在保密通信领。混沌现象在各个领域都有出现，例如气象学[13]和天文学[14]等等。简象是一种源于确定的非线性动力学系统的随机行为，它的典型特性是敏感性和长期不可预知性。混沌信号的时域波形和频谱都和噪声信号的不同点在于前者可以通过混沌同步现象来“复制”。待加密的信息就乱的混沌信号中来进行保密传输。与前面提到的数字加密体系不同，层面的加密手段，安全性在于系统的硬件参数，若窃听者无法破解混数，就无法从截获到的类似噪声的信号中提取出有用的信息。受益于技术和激光器技术，现如今混沌信号已经可以十分方便地由电路系统

图 1-3 （a）OAM 的环状光场分布，（b）螺旋相位波前[21]1.3 混沌保密光通信和光涡旋通信的国内外研究进展1.3.1 混沌激光保密通信的国内外研究进展在激光器发展的早期，其中出现的动态不稳定性和不规则脉冲就引起了大家的注意。十九世纪 60 年代红宝石固体激光器出现幅度变化不规则的脉冲首次被报道22。这个现象在后来被认为是混沌激光的首次实验观测，但是受限于当时的认知水平，并没有得到合理解释或者被误认为是激光器噪声。但是在 Lorenz 发现了“初始状态的敏感性”后情况有所改变，这一特性后来被成为“蝴蝶效应”[23]并且广为流传。其后关于混沌学的研究正式兴起。而对于混沌激光的研究则开始于上世纪 80 年代，因为直到那个时候激光器技术和相应的理论研究才逐步完善起来，使得人们对于激光器中的不稳定现象有了新的认识。激光器的不稳定行为在有外部扰动的情况下更加容
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本文编号：2857142