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基于混沌半导体激光器的保密通信技术研究

薛琛鹏  
【摘要】:基于混沌激光的保密通信技术极具应用潜力。混沌激光在保密通信领域的应用可以分为两类:混沌激光保密通信和高速物理随机密钥分配。基于混沌激光的保密通信技术具有许多优越的性能,例如,物理层安全程度高、密钥分配速率高、随机性好等。本文以基于混沌半导体激光器的保密通信技术为研究对象,重点围绕基于外腔半导体激光器的信号源优化,混沌激光在密钥分配中的应用以及混沌激光保密通信安全性能增强三方面内容展开研究:1、实现混沌激光的延时标签(TDS)抑制以及基于连续光注入半导体激光器的P1(Period One)微波性能优化混沌激光信号含有的TDS严重地限制了其在保密通信中的应用。针对环形级联半导体激光器系统(RCSLs)中混沌激光的TDS,提出并证明了通过引入额外光反馈实现TDS抑制的方案。数值研究表明:通过设置适当的反馈强度,RCSLs中混沌激光的TDS可以被完全抑制。针对光反馈外腔半导体激光器中混沌激光的TDS,提出并证明了两种基于相位调制反馈的TDS抑制方案。方案一通过在双光反馈外腔半导体激光器的反馈回路中嵌入相位调制器(PM)对反馈光信号施加高速随机数字相位扰动,实现TDS抑制。仿真和实验结果表明:随着相位调制深度和速率的提升,混沌激光的TDS逐渐减小。当调制速率和调制深度足够大时,可以消除混沌激光的TDS;方案二通过对光反馈外腔半导体激光器输出的混沌激光信号进行光电转换和射频放大作为反馈回路中PM的驱动信号,实现TDS抑制。仿真和实验结果表明:在适当的反馈强度和相位调制深度下,可以抑制由光反馈延时引起的TDS。方案二还可以优化混沌激光强度时间序列的概率密度分布,使其更接近高斯分布。此外,由于半导体激光器存在自发辐射噪声,基于连续光注入半导体激光器的P1微波具有较高的线宽。为了优化P1微波性能,提出了利用滤波光反馈抑制被注入半导体激光器自发辐射噪声的方案。研究结果表明,滤波光反馈除了能降低P1微波线宽,还能优化P1微波的单频特性和提供额外的微波频率调谐途径。2、提出并证明了三种基于混沌激光同步的对称密钥分配方案两个相同的半导体激光器或级联半导体激光器系统(CSLS)在相同的混沌激光的驱动下,可以产生私密同步的混沌激光(与驱动信号不相关)。方案一通过动态后处理技术(DPPT)对私密同步的混沌激光进行动态的对称采样和延时异或,实现安全密钥分配。同时,通过采用双阈值采样提高密钥分配对同步误差和模数转换噪声的鲁棒性,使得密钥的误码率完全可以满足通信标准;方案二通过观测两个CSLS在随机二进制相位扰动下同步质量的动态变化,实现从两个独立的相位扰动序列中提取对称密钥。研究结果表明:两个CSLS只有在相同的相位扰动条件下才能同步,并且相同相位扰动和不同相位扰动条件下的互相关系数具有明显差值,完全可以通过互相关系数来鉴别两个CSLS的相位扰动情况,完成密钥分配。同时,由于CSLS产生的是TDS抑制的混沌激光,有效地防止了CSLS外腔反馈延时信息的泄露,所提出的密钥分配方案具有非常高的安全性;方案三通过基于同步混沌激光的同步物理随机数与基于RC4算法的伪随机数相模加,产生高速流密码。研究结果表明:通过合理地选择同步物理随机数的分辨率,最终产生的高速流密码与同步物理随机数和伪随机数均不相关,并且对同步物理随机数的误码率不敏感。3、提出并证明了三种混沌激光保密通信的安全性增强方案方案一通过采用数字相位调制双反馈的主半导体激光器(MSL)和从半导体激光器(SSL),实现对混沌激光保密通信的数字相位加密。相比于单反馈相位加密系统,双反馈相位加密不仅抑制了混沌激光的TDS,而且扩大了相位密钥空间;方案二通过对MSL输出的混沌激光进行光电转换,并将所获得的电信号用作MSL和SSL反馈腔中PM的驱动信号,实现了TDS抑制的混沌激光保密通信。MSL和SSL之间混沌激光同步质量对激光器固有参数失配和相位调制参数失配非常敏感,混沌激光保密通信系统的安全性能得到显著提高;方案三为基于相同信号驱动同步的混沌激光保密通信安全性增强方案。通过将两个被驱动半导体激光器产生的混沌激光逆向注入到驱动端半导体激光器中,实现了驱动端半导体激光器中混沌激光的TDS抑制和带宽展宽,进而提高被驱动半导体激光器的混沌激光带宽以及同步对固有参数失配的敏感程度,实现混沌激光保密通信的安全性能增强。


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