摘要：混沌激光作为激光器输出不稳定性的一种特殊形式，具有类噪声宽频谱的特性。激光的兴起令信息的传播更加方便快捷，激光通信被广泛应用，然而与此同时导致的信息安全问题也无法避免，激光通信信息的安全性变成现阶段相关领域及学者研究的重点问题之一。为了防止激光通信信息在通信时出现损毁、修改以及泄露的现象，需对激光通信信息进行双向保密。因为混沌信号存在长时间无法预测性、伪随机性以及宽频率谱等，非常适于不同保密通信的应用中，所以依据混沌信号实现激光通信信息双向保密系统的研究已经成为当前的热点研究。本文就基于共同混沌信号注入的激光通信信息双向保密系统展开探讨。
关键词：共同混沌信号；激光通信；信息；双向保密；系统
引言
混沌信号在时域上具有类似噪声的随机变化,在频域上具有平坦、宽带特性,其自相关曲线具有类似δ函数的性质.特别是,基于非线性电路产生的混沌信号不受码长限制,故利用混沌信号测距具有抗干扰性能好且不存在虚警问题的优点.但是,受电子器件带宽的影响,现有技术很难直接用电路产生宽带的混沌信号,即无法提高测距精度。
1混沌激光的特性
半导体激光器在外光反馈(光注入)方式下可实现混沌输出，其产生的混沌激光特性如图1所示。时序波形呈现类噪声的快速随机起伏，其幅度远大于一般的热噪声的强度，如图1(a)所示。其相应相图为奇异吸引子，如图1(b)所示，呈现了混沌激光的无序性和复杂性。自相关曲线呈现类似δ函数的线形，如图1(c)所示，反映出混沌波形仅有自相关性，而和其他信号却有低的相干性，表明了混沌激光具有优良的抗干扰性能。插图显示了自相关曲线主峰的半峰全宽(FWHM)。另外，频域上对应带宽大于10GHz的平坦频谱，如图1(d)所示，使混沌激光天生具备隐蔽性。混沌激光呈现的类噪声特性，如宽带频谱、不可预测的时序输出、以及类δ函数线形的自相关特性，使得混沌半导体激光器作为光源被广泛地应用在高速真随机密钥产生、混沌激光雷达和混沌光时域反射仪中。然而，不同于一般的随机过程，混沌是由确定性的动力学方程决定的，混沌信号是可控制和可同步的。混沌同步开辟了混沌激光在混沌保密通信领域以及混沌计算方面的应用。随着对混沌激光信号特性的掌握和控制，混沌激光也日益显现出了在混沌(UWB)信号产生以及相干长度可调谐光源方面的应用.下面着重分别介绍混沌激光在这几方面的重要应用。
图1混沌激光的特性。(a)波形;(b)吸引子;(c)自相关曲线;(d)频谱
2混沌保密通信
保密通信在金融、商业等领域有着极为重要而广泛的应用前景。当前实现保密通信的主要手段是采用数字加密技术———公众密钥(publickeys)，这是一种软件加密技术，随着计算机运算能力的不断提高，软件加密技术在理论上必然存在解码的可能。量子通信可以最终解决密钥分配问题，但目前亟待解决传输速率低和实用化技术障碍两大瓶颈。然而，混沌激光信号以其宽带频谱和类似噪声的特性非常适于保密通信领域的应用。与现行的数字加密技术相比，混沌保密通信是依靠物理层面上的硬件加密，只有当接收者具有与发射机参数匹配的接收机时，才能接收到信息，否则，接收者(窃听者)只能收到类似噪声的混沌信号。特别是，混沌通信中的硬件加密技术可以与现有的软件加密及量子编码技术兼容，进一步增强保密能力。
3基于共同混沌信号注入的激光通信信息双向保密系统
图2所示的是提出的基于共同混沌信号注入的激光通信信息双向保密系统结构。
图2共同混沌信号注入下激光通信信息双向保密系统结构
图2中，DL代表驱动激光器，NDF代表中性密度衰减器，PC代表偏振控制器，RL代表响应激光器，M代表反射镜，FC代表50/50光纤耦合器，PD代表光电探测器，F代表光纤，OC代表光环形器。DL输出混沌信号后，通过FC3将混沌信号分解为完全一致的两个混沌激光，通过光纤分支F1与F2完成传输，利用PC对其进行处理，使其震动方向和DL输出光的震动方向互相垂直，RL1被注入其中一部分信号，RL2被注入其它混沌信号。RL1与RL2的内部参数是相同的，对称性优的系统令RL1与RL2在DL混沌输出驱动下，完成无延时的等时混沌同步。在RL1与RL2上加载信息同时解调对方传输信息的技术和传统激光通信保密系统存在差异，一般情况下，激光器输出混沌载波，同时对传输信号进行加载，含信息的混沌载波被注入激光器，初始参数和发射端一致的接收端激光器只反映了混沌载波，但未体现隐藏的通信信息，通过发射端与接收端激光器的输出插值即可对信息进行恢复。然而在实际应用中，系统发射端激光器与接收端激光器的对称性会受调制与解调技术的干扰被损坏，所以解调信号质量有所降低。而在混沌信号非相干光注入下，所设计系统选用不会对系统对称性产生干扰的加载信息与解调信息技术，在未直接耦合的RL1与RL2间引入用于完成双向信息传输的通信信道F3，通过耦合器FC1把RL1的激光混沌输出划分为两个部分，一部分被看作混沌载波，和待传输通信信息m1被传输至通信信道F3，从而完成对通信信息的隐藏，被传输至RL2前端，经OC2处理后，利用PD3将其转变成电信号。另一部分利用PD4直接转换成电信号，将PD3和PD4输出电信号相间，对其进行滤波处理，从而解调出RL1输出中的m1。通过相同技术，隐藏与解调从RL2向RL1发送的信息m2。
3混沌光时域发射仪
目前光纤通信已成为最主要的通信手段，局域网、城域网和广域网铺设的总里程在逐年增长。根据美国联邦通信委员会FCC的案例调查，超过1/3的通信中断是由于光纤光缆的损毁导致的。因此，面对如此普及的光纤网络，光纤链路中损毁点的及时、精确、无损的探测是十分迫切需要解决的现实问题。混沌激光还可用于改进现有的光时域反射仪(OTDR)。现有的OTDR均采用飞行时间法，通过测量光脉冲从发射到接收这段时间来确定光纤网络的断点或损耗。但这种方法有两个固有缺陷：一是受接收电路带宽的影响，测量脉冲的往返时间不能太短。也就是说，现有OTDR均有一个较大距离的测量盲区，其典型值为十几米至几十米。二是在现有OTDR技术中，测量距离与测量精度是一对永远无法解决的矛盾。提高测量精度最直接的方法是减少探测脉冲的宽度，但这样会降低测量距离。要提高测量距离，就要增加探测光的峰值功率或延长脉冲宽度，前者会引起光纤中的非线性效应，影响测量甚至会损坏光纤；后者又会降低测量精度。同时，如果不采用昂贵复杂的大型超短光脉冲激光器，依靠现有的调制技术很难产生脉宽小于1ns的光脉冲。
结语
现阶段有关混沌保密的研究主要是通过注入混沌信号的相干光完成通信保密，将光混沌信号转变成电混沌信号，然后注入激光通信系统中能更有效的防止参数失配导致的后果，然而通信过程中的信息容量会受带宽约束。而非相干光注入通信系统也存在对光相位变化不敏感的优势，使得其对参数失配的现象也可很好解决，同时其具有全光特性，通信过程中的信息容量不会受带宽约束。
参考文献:
［1］李艳芳．色散和非线性对新型三激光器混沌通信系统的影响［J］．激光与光电子学进展，2015.
［2］高飞．采用混沌光注入实现混沌载波时延特征隐藏的研究［J］．量子光学学报，2016.
论文作者:石娟,郑莉莉
论文发表刊物:《电力设备》2019年第7期
论文发表时间:2019/9/17
标签：混沌论文; 激光论文; 通信论文; 信号论文; 激光器论文; 信息论文; 光纤论文; 《电力设备》2019年第7期论文;