具有偏振旋转以及相位和强度混沌的双向安全通信系统

摘要

本发明涉及具有偏振旋转以及相位和强度混沌的双向安全通信系统，包括双向通信的第一端和第二端；第一端包括依次连接的反射镜、相位调制器、偏振分束器、半波片、垂直表面激光器、第一分束器、环形器、相位调制器、第二分束器和环形器；偏振分束器还依次通过光电检测器、放大器连接至相位调制器；第一分束器还分别与另两个光电检测器连接；第二分束器还依次通过干涉仪、第四光电检测器、第二放大器连接至另一相位调制器，以进行相位调制；第二端与第一端的结构相同，第一端与第二端通过半波片连接。本发明通过光电反馈增强光信号的强度混沌，并利用半波片旋转光信号的偏振方向，提高信号传输的复杂度，增加混沌双向通信的保密性。

权利要求

1.具有偏振旋转以及相位和强度混沌的双向安全通信系统，其特征在于，包括双向通信的第一端和第二端；

所述第一端包括依次连接的第一反射镜、第一相位调制器、第一偏振分束器、第一半波片、第一垂直表面激光器、第一分束器、第一环形器、第二相位调制器、第二分束器和第二环形器；其中，第一偏振分束器还依次通过第一光电检测器、第一放大器连接至第一相位调制器；第一分束器还分别与第二光电检测器、第三光电检测器连接；第二分束器还依次通过第一干涉仪、第四光电检测器、第二放大器连接至第二相位调制器，以进行相位调制；

所述第二端包括依次连接的第二反射镜、第三相位调制器、第二偏振分束器、第二半波片、第二垂直表面激光器、第三分束器、第三环形器、第四相位调制器、第四分束器、第四环形器；其中，第二偏振分束器还依次通过第五光电检测器、第三放大器连接至第三相位调制器；第三分束器还分别与第六光电检测器、第七光电检测器连接；第四分束器还依次通过第二干涉仪、第八光电检测器、第四放大器连接至第四相位调制器，以进行相位调制；

所述第一端的第二环形器与第二端的第四环形器通过第三半波片连接；

两路信号分别通过调制第一垂直表面激光器和第二垂直表面激光器的偏置电流，以加密至对应的激光器的混沌信号中。

2.根据权利要求1所述的具有偏振旋转以及相位和强度混沌的双向安全通信系统，其特征在于，所述第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一分束器、第二分束器、第三分束器和第四分束器的分束比均为1：1。

3.根据权利要求1所述的具有偏振旋转以及相位和强度混沌的双向安全通信系统，其特征在于，所述第一垂直表面激光器和第二垂直表面激光器的阈值电流均为32.3mA。

4.根据权利要求1所述的具有偏振旋转以及相位和强度混沌的双向安全通信系统，其特征在于，所述第一垂直表面激光器和第二垂直表面激光器的透明载流子数均为1.25×

108，载流子衰减速率均为0.65ns-1。

5.根据权利要求1所述的具有偏振旋转以及相位和强度混沌的双向安全通信系统，其特征在于，所述第一垂直表面激光器与第二垂直表面激光器之间的传输延时为5ns。

6.根据权利要求1所述的具有偏振旋转以及相位和强度混沌的双向安全通信系统，其特征在于，所述第一垂直表面激光器与第二垂直表面激光器的反馈延时均为2.5ns。

7.根据权利要求1所述的具有偏振旋转以及相位和强度混沌的双向安全通信系统，其特征在于，所述第一垂直表面激光器与第二垂直表面激光器的反馈系数均为40ns-1，耦合系数均为40ns-1。

8.根据权利要求1所述的具有偏振旋转以及相位和强度混沌的双向安全通信系统，其特征在于，所有光电检测器的量子效率均为0.08。

9.根据权利要求1-8任一项所述的具有偏振旋转以及相位和强度混沌的双向安全通信系统，其特征在于，所有放大器的增益为20dB。

说明书

具有偏振旋转以及相位和强度混沌的双向安全通信系统

技术领域

[0001] 本发明属于光信息技术领域，具体涉及一种具有偏振旋转以及相位和强度混沌的双向安全通信系统。

背景技术

[0002] 混沌是一种确定的类随机过程，这样混沌在保密通信、图像加密以及信号检测等方面都有着广阔的前景。在一个利用混沌载波进行传输的安全通信系统中，常常使用半导体激光器(semiconductor laser，SL)相互耦合增加其自由度来产生混沌信号，在过去的几年中双向耦合半导体激光器已经有许多成功地应用。相对于传统的边缘发射激光器，垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有许多优点，如低阈值电流、低成本、圆形输出光束分布以及易于大规模集成等。

[0003] 混沌同步是混沌通信的关键技术，要实现混沌同步，发射机和接收机的参数必须一致，而时间延迟也是接收和发射端的关键参数，如何隐藏，不让窃听者窃取，是实现混沌保密通信的关键。

发明内容

[0004] 基于现有技术中存在的不足，本发明提供一种具有偏振旋转以及相位和强度混沌的双向安全通信系统。

[0005] 为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

[0006] 具有偏振旋转以及相位和强度混沌的双向安全通信系统，包括双向通信的第一端和第二端；

[0007] 所述第一端包括依次连接的第一反射镜、第一相位调制器、第一偏振分束器、第一半波片、第一垂直表面激光器、第一分束器、第一环形器、第二相位调制器、第二分束器和第二环形器；其中，第一偏振分束器还依次通过第一光电检测器、第一放大器连接至第一相位调制器；第一分束器还分别与第二光电检测器、第三光电检测器连接；第二分束器还依次通过第一干涉仪、第四光电检测器、第二放大器连接至第二相位调制器，以进行相位调制；

[0008] 所述第二端包括依次连接的第二反射镜、第三相位调制器、第二偏振分束器、第二半波片、第二垂直表面激光器、第三分束器、第三环形器、第四相位调制器、第四分束器、第四环形器；其中，第二偏振分束器还依次通过第五光电检测器、第三放大器连接至第三相位调制器；第三分束器还分别与第六光电检测器、第七光电检测器连接；第四分束器还依次通过第二干涉仪、第八光电检测器、第四放大器连接至第四相位调制器，以进行相位调制；

[0009] 所述第一端的第二环形器与第二端的第四环形器通过第三半波片连接。

[0010] 作为优选方案，两路信号分别通过调制第一垂直表面激光器和第二垂直表面激光器的偏置电流，以加密至对应的激光器的混沌信号中。

[0011] 作为优选方案，所述第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一分束器、第二分束器、第三分束器和第四分束器的分束比均为1：1。

[0012] 作为优选方案，所述第一垂直表面激光器和第二垂直表面激光器的阈值电流均为32.3mA。

[0013] 作为优选方案，所述第一垂直表面激光器和第二垂直表面激光器的透明载流子数均为1.25×108，载流子衰减速率均为0.65ns-1。

[0014] 作为优选方案，所述第一垂直表面激光器与第二垂直表面激光器之间的传输延时为5ns。

[0015] 作为优选方案，所述第一垂直表面激光器与第二垂直表面激光器的反馈延时均为2.5ns。

[0016] 作为优选方案，所述第一垂直表面激光器与第二垂直表面激光器的反馈系数均为40ns-1，耦合系数均为40ns-1。

[0017] 作为优选方案，所有光电检测器的量子效率均为0.08。

[0018] 作为优选方案，所有放大器的增益为20dB。

[0019] 本发明与现有技术相比，有益效果是：

[0020] 本发明的两个垂直表面激光器的外腔部分通过光电反馈增强了强度混沌，利用半波片旋转信号偏振方向隐藏反馈时间延迟。两路数字序列信号通过调制两个激光器的偏置电流，加密到激光器的混沌信号中，经过分束器分为两路，一路用于检测原始信号，另一路通过干涉仪、光电检测器、放大器进行相位调制，增强了信号的相位混沌，信号传输经过半波片旋转信号偏振方向隐藏了传输时延，经过环形器传输，再由光电检测器检测。解码的过程利用光电检测器检测两端激光器的功率同步误差，再与本地信号进行运算，就能解密发送端传送的信号，实现链路中两激光器之间的双向通信。

附图说明

[0021] 图1为本发明实施例的具有偏振旋转以及相位和强度混沌的双向安全通信系统的结构示意图；

[0022] 图2为第一垂直表面激光器和第二垂直表面激光器信号自相关系数图；

[0023] 图3中的(a)为第一垂直表面激光器发送的信息，(b)为第二垂直表面激光器恢复出来的信息。

具体实施方式

[0024] 下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明。

[0025] 如图1所示，本发明实施例的具有偏振旋转以及相位和强度混沌的双向安全通信系统，包括第一反射镜1-1、第二反射镜1-2、第一相位调制器2-1、第二相位调制器2-2、第三相位调制器2-3、第四相位调制器2-4、第一偏振分束器3-1、第二偏振分束器3-2、第一光电检测器4-1、第二光电检测器4-2、第三光电检测器4-3、第四光电检测器4-4、第五光电检测器4-5、第六光电检测器4-6、第七光电检测器4-7、第八光电检测器4-8、第一放大器5-1、第二放大器5-2、第三放大器5-3、第四放大器5-4、第一半波片6-1、第二半波片6-2、第三半波片6-3、第一垂直表面激光器7-1、第二垂直表面激光器7-2、第一分束器8-1、第二分束器8-2、第三分束器8-3、第四分束器8-4、第一环形器9-1、第二环形器9-2、第三环形器9-3、第四环形器9-4、第一干涉仪10-1、第二干涉仪10-2。其中，第一垂直表面激光器和第二垂直表面激光器均为垂直腔面发射激光器。

[0026] 第一垂直表面激光器7-1的一端h1连接到第一半波片6-1的g2端口，第一半波片6-1的g1端口与第一偏振分束器3-1的c2端口连接，第一偏振分束器3-1的c1端口与第一相位调制器2-1的b2端口连接，第一偏振分束器3-1的c3端口连接于第一光电检测器4-1的d1端口，第一光电检测器4-1的另一端口e1与第一放大器5-1的f1端口连接，第一放大器5-1的f2端口连接到第一相位调制器2-1的b3端口，第一相位调制器2-1的b1端口与第一反射镜1-1的a1端口连接，形成反馈。同样的，第二垂直表面激光器7-2的一端h3连接到第二半波片6-2的g4端口，第二半波片6-2的g3端口与第二偏振分束器3-2的c5端口连接，第二偏振分束器
3-2的c4端口与第三相位调制器2-3的b8端口连接，第二偏振分束器3-2的c6端口连接于第五光电检测器4-5的d3端口，第五光电检测器4-5的另一端口e3与第三放大器5-3的f5端口连接，第三放大器5-3的f6端口连接到第三相位调制器2-3的b9端口，第三相位调制器2-3的b7端口与第二反射镜1-2的a2端口连接，形成反馈。

[0027] 第一路信号通过调制第一垂直表面激光器7-1的偏置电流加载到混沌载频，第一垂直表面激光器7-1的h2端口连接到第一分束器8-1的i1端口，混沌载频分成两路，一路送入第二光电检测器4-2，用于检测第一垂直表面激光器7-1的光功率，另一路信号通过光纤连接到第一环形器9-1的k1端口，第一环形器9-1的l1端口与第二相位调制器2-2的b4端口连接，第二相位调制器2-2的b5端口与第二分束器8-2的i1端口连接，光信号分成两路，一路信号通过第二分束器8-2的o1端口连接到第一干涉仪10-1的n1端口，第一干涉仪10-1的n2端口连接到第四光电检测器4-4的d2端口，第四光电检测器4-4的e2端口连接到第二放大器5-2的f3端口，第二放大器5-2的f2端口连接到第二相位调制器2-2的b6端口，用于相位调制；另一路信号由第二分束器8-2的j2端口连接到第二环形器9-2的k2端口，第二环形器9-2的l2端口与第三半波片6-3的g5端口连接，第三半波片6-3的另一端口g6连接到第四环形器
9-4的l4端口，第四环形器9-4的m4端口连接到第三环形器9-3的m3端口，第三环形器9-3的k3端口与第三分束器8-3的j3端口连接，将信号传送入第七光电检测器4-7，用于检测由第一激光器传输来的信号。类似的，第二路信号通过调制第二垂直表面激光器7-2的偏置电流加载到混沌载频，第二垂直表面激光器7-2的h4端口连接到第三分束器8-3的i3端口，混沌载频分成两路，一路送入第六光电检测器4-6，用于检测第二垂直表面激光器7-2的光功率，另一路信号通过光纤连接到第三环形器9-3的k3端口，第三环形器9-3的l3端口与第四相位调制器2-4的b10端口连接，第四相位调制器2-4的b11端口与第四分束器8-4的i4端口连接，光信号分成两路，一路信号通过第四分束器8-2的o2端口连接到第二干涉仪10-2的n3端口，第二干涉仪10-2的n4端口连接到第八光电检测器4-8的d4端口，第八光电检测器4-8的e4端口连接到第四放大器5-4的f7端口，第四放大器5-4的f8端口连接到第四相位调制器2-4的b12端口，用于相位调制；另一路信号由第四分束器8-4的j4端口连接到第四环形器9-4的k4端口，第四环形器9-4的l4端口与第三半波片6-3的g6端口连接，第三半波片6-3的另一端口g5连接到第二环形器9-2的l2端口，第二环形器9-2的m2端口连接到第一环形器9-1的m1端口，第一环形器9-1的k1端口与第一分束器8-1的j1端口连接，将信号传送入第三光电检测器4-3，用于检测由第二激光器传输来的信号。

[0028] 如图2所示，如果延迟时间未隐藏，自相关图中两个峰值之间的时间即为延迟时间。图中找不到两个峰，说明延迟时间得到隐藏。如图3所示，发送端发送的信息与接收端接收到的信息一致。

[0029] 本发明实施例中，两个激光器的反馈延时均为2.5ns，两个激光器之间的传输延时为5ns，电流阈值32.3mA，光子衰减速率496ns-1，载流子衰减速率0.65ns-1，微分增益1.2×102ns-1，线宽增强因子3，透明载流子数1.25×108，反馈系数40ns-1，耦合系数40ns-1。；所有光电检测器的量子效率均为0.08；所有放大器的增益均为20dB；第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一分束器、第二分束器、第三分束器和第四分束器的分束比均为1：1。

[0030] 本发明将两路不同数字序列通过调制两个激光器的偏置电流，加密隐藏到激光器的混沌信号中，通过半波片增加信号传输的复杂度。将两个半导体激光器的信号进行耦合，在两个激光器中引起延时混沌动力学，可以证明这种混沌是同步的，并且具有鲁棒性，当两端同时传输“0”或者“1”时，两个激光器完全同步，当一个传“1”，另一个传“0”时，两个激光器处于失步状态，这样系统将在同步和失步状态之间进行切换。这样通过检测两个激光器的光功率差异，与本地信号进行运算，解码出另一端的信号，实现链路中两激光器之间的双向通信。本发明不同之处在于通过电光反馈增强信号的强度混沌和相位混沌，利用半波片旋转信号偏振方向隐藏时延，增强了信号传输的复杂度，提高了系统的保密性。

[0031] 本发明基于一种具有偏振旋转以及相位和强度混沌的双向安全通信系统的工作过程：

[0032] 1、利用电光反馈对激光器的光信号进行调制，通过半波片旋转隐藏反馈时延，通过反射镜形成反馈。

[0033] 2、将信息调制激光器的偏置电流，加密隐藏在激光器的混沌信号中。

[0034] 3、信号传输过程中，将两个半导体激光器的信号通过光电反馈进行相位调制，再通过半波片耦合，在两个激光器中引起延时混沌同步动力学。

[0035] 4、通过检测两个激光器的光功率，得到激光器功率之间的同步误差。

[0036] 5、与本地信号进行对比和运算，解码出另一端传送的信息。

[0037] 本发明构造了具有偏振旋转以及相位和强度混沌的双向安全通信系统，利用光器件实现双向混沌通信，具有成本低、性能稳定、复杂度高、保密性强等特点。

[0038] 以上对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。