一种基于电光相位混沌的信号加解密系统

本发明涉及光纤通信及光电，更为具体的讲，涉及一种基于电光相位混沌的信号加解密系统。

背景技术：

1、随着现代通信技术的快速发展，光纤通信技术因其具有损耗较低、传输容量大以及抗电磁干扰能力强的优点得到广泛应用。然而，随着通信容量和通信速率的不断提高，其中所包含的隐私机密信息也在逐步增加，光纤通信在为人类提供高质量和高效益通信的同时，也暴露出了一些潜在的安全问题，如何提高光纤系统的信息安全性成为许多研究者关注的焦点。

2、目前，研究者提出各种不同的光网络保密通信技术，主要可以分为两个大类：分别是基于软件和算法的保密技术和基于物理层硬件的保密技术。这些技术路线中有着不同的实施方式和方案，可以提高数据的安全性和保密性。但其中仍存在不足，如量子保密通信系统理论上可以提供高安全性，但存在成本较高和与传统光通信系统不能很好兼容等问题。混沌信号由于其自身良好的随机性和复杂性以及其自身能够实现远距离同步的特性常被用于加密传输信号，混沌保密是目前基于硬件光网络加密的一种主流技术，加密方式分为混沌调制和混沌隐藏两种，通过在接收端基于相同硬件结构和参数产生与发送端同步的混沌以解密。在基于激光器混沌的保密光通信系统中，由于引入了激光器使得系统的成本增加，稳定性和集成实用性也具有一定的限制。而且为了使得异地的两个激光器进入同步状态需要使用共同驱动光信号，这也占用了通信中的信道资源。因此，研究更加高效、低成本且更具有实用可能的基于混沌保密技术的加解密系统和加解密机模块具有十分重要的现实意义。

技术实现思路

1、本发明针对上述问题，提出了一种基于电光相位混沌的信号加解密系统和加解密机结构，可以使用硬件模块构建产生出异地同步的混沌信号，模块化的结构能更为稳定地对信号进行加密和解密。

2、本发明的技术方案：一种基于电光相位混沌的加解密系统，其特征在于包括以下部分：光电环加密机(1)、光电环解密机(2)。更为具体的，加解密机中包含以下器件：相位调制器，掺铒光纤放大器，马赫曾德尔干涉仪，光开关，啁啾光纤布拉格光栅，光电探测器，反向光电探测器以及光纤。

3、其中(1)光电环加密机的实现技术方案：

4、加密机结构特征在于：包含相位调制器(1-1)、掺铒光纤放大器(1-2)、马赫曾德尔干涉仪(1-3)、光开关(1-4)、啁啾光纤布拉格光栅(1-5)、光电探测器(1-6)。

5、各模块的连接关系如下：

6、原始信号光与相位调制器(1-1)的光输入端连接，相位调制器(1-1)的输出端与掺铒光纤放大器(1-2)的输入端连接，掺铒光纤放大器(1-2)的输出端与马赫曾德尔干涉仪(1-3)的输入端连接，马赫曾德尔干涉仪(1-3)的输出端与光开关(1-4)的输入端相连，接着光开关(1-4)的输出端与啁啾光纤布拉格光栅(1-5)的输入端连接，啁啾光纤布拉格光栅(1-5)的输出端与光电探测器(1-6)的输入端连接，光电探测器(1-6)的输出端与相位调制器(1-1)的电信号驱动输入端连接，形成环状结构。

7、其中(2)光电环解密机的实现技术方案：

8、解密机结构特征在于：包含马赫曾德尔干涉仪(2-1)、光开关(2-2)、啁啾光纤布拉格光栅(2-3)、反向光电探测器(2-4)、相位调制器(2-5)。

9、各模块的连接关系如下：

10、加密后信号光由光耦合器分成两路，一路与马赫曾德尔干涉仪(2-1)的输入端连接，另一路与相位调制器(2-5)的光输入端连接，马赫曾德尔干涉仪(2-1)的输出端与光开关(2-2)的输入端连接，光开关(2-2)的输出端与啁啾光纤布拉格光栅(2-3)的输入端连接，啁啾光纤布拉格光栅(2-3)的输出端与反向光电探测器(2-4)的输入端连接，反向光电探测器(2-4)的输出端与相位调制器(2-5)的电信号驱动输入端连接形成解密光电环。

11、本发明的方法，利用光电环路，异地产生相关性高的混沌信号，用于信号的相位加密和解密。用户将待加密的相位调制格式信号输入到加密机中，启动后信号光先通过干涉仪将相位信息转变为强度变化，然后由光开关选择干涉仪的其中一路输出光，进入到啁啾光纤布拉格光栅进一步扰乱，然后反馈调制到内部相位调制器上。环路内部较短，光信号通过整个光电环路的时间在百纳秒量级，光电环会迅速进入混沌状态，实现对信号持续有效的不断加解密。在加密环路中使用光耦合器分出一部分信号即为加密机的输出，加密后的信号根据实际中的通信网络需求可以在现存光纤通信网络中传输。传输到解密端后进入解密机，再使用参数匹配的马赫曾德尔干涉仪以及啁啾光纤布拉格光栅等器件对加密信息进行恢复。此发明结构简单，提升了加解密系统的集成度，仅使用干涉线和色散光栅实现了实时动态的持续加解密，支持大容量的高速光通信，更加实用。

技术特征：

1.本发明提出一种基于电光相位混沌的信号加解密系统，其特征在于：提出了一套加解密方法及其装置结构，所述系统包含以下部分：(1)加密机(2)解密机，其中加解密机能够产生混沌信号对环内信号进行相位调制，利用同步的电光相位混沌可以对信号进行加密和解密，信号经加密机(1)进行加密后，须再经解密机(2)进行相应的解密才可以恢复出原始信息，更为具体的，加解密机中包含掺铒光纤放大器、相位调制器、马赫曾德尔干涉仪、光开关、光电探测器以及啁啾光纤布拉格光栅。

2.根据权利要求1所述的一种加密机结构，其特征在于：包含相位调制器(1-1)、掺铒光纤放大器(1-2)、马赫曾德尔干涉仪(1-3)、光开关(1-4)、啁啾光纤布拉格光栅(1-5)、光电探测器(1-6)；其中，带有原始信息的光载波输入加密机，与相位调制器(1-1)的光输入端连接，相位调制器(1-1)的输出端与掺铒光纤放大器(1-2)的输入端连接，掺铒光纤放大器(1-2)的输出端与马赫曾德尔干涉仪(1-3)的输入端连接，马赫曾德尔干涉仪(1-3)的输出端与光开关(1-4)的输入端相连，接着光开关(1-4)的输出端与啁啾光纤布拉格光栅(1-5)的输入端连接，啁啾光纤布拉格光栅(1-5)的输出端与光电探测器(1-6)的输入端连接，光电探测器(1-6)的输出端与相位调制器(1-1)的电信号驱动输入端连接，形成环状结构。

3.根据权利要求1～2所述的一种基于电光相位混沌加密方法的加密系统，其特征在于：掺铒光纤放大器(1-2)用于光放大和功率控制同时引入微量噪声，放大后的信号进入马赫曾德尔干涉仪(1-3)进行干涉，其中所用马赫曾德尔干涉仪(1-3)带有一个光输入端和两个光输出端以及一个偏置电源，光开关(1-4)受合法通信方提前分享的一致密钥序列控制分别与马赫曾德尔干涉仪(1-3)的两个光输出端连接，光电探测器(1-6)用于将环内光信号转换成电信号后驱动相位调制器(1-1)进行相位扰乱加密，成环后加密机能够对信号的相位进行有效加密，可用于dpsk\qpsk等相位调制格式的信号加密，且马赫曾德尔干涉仪(1-3)输出的两路信号波形不同，具有低相关性，在键控的条件下可进一步提高安全性。

4.根据权利要求1所述的一种解密机结构，其特征在于：包含马赫曾德尔干涉仪(2-1)、光开关(2-2)、啁啾光纤布拉格光栅(2-3)、反向光电探测器(2-4)、相位调制器(2-5)；其中传输到接收端的信号在经过链路补偿后输入解密机，由光耦合器分成两路，一路与马赫曾德尔干涉仪(2-1)的输入端连接，另一路与相位调制器(2-5)的光输入端连接，马赫曾德尔干涉仪(2-1)的输出端与光开关(2-2)的输入端连接，光开关(2-2)的输出端与啁啾光纤布拉格光栅(2-3)的输入端连接，啁啾光纤布拉格光栅(2-3)的输出端与反向光电探测器(2-4)的输入端连接，反向光电探测器(2-4)的输出端与相位调制器(2-5)的电信号驱动输入端连接形成解密光电环，最终相位调制器(2-5)的光输出端作为解密机的输出端输出解密后的光信号。

5.根据权利要求1、4所述的一种基于电光同步解密的解密系统，其特征在于：加密后的信号经过马赫曾德尔干涉仪(2-1)后会输出两路波形低相关的信号，且分别与加密机中的马赫曾德尔干涉仪(1-3)的输出两路波形呈高相关，之后由光开关(2-2)决定使用哪一路对信号进行相位解密，光开关(2-2)受双方提前共享的一致密钥序列控制，反向光电探测器(2-4)具有一个光输入口和两个电输出口，其中正口与其他光电探测器类似输出与输入光波形正相关的电信号波形，负口能够产生具有相反波形的电信号，用于相位解密。

6.根据权利要求1～5所述的一种基于电光相位混沌的信号加解密系统，其特征在于：调节光电探测器(1-6)和反向光电探测器(2-4)使得相位调制器(1-1)和相位调制器(2-5)的调制深度匹配。

7.根据权利要求1～5所述的一种基于电光相位混沌的信号加解密系统，其特征在于：加密机中的啁啾光纤布拉格光栅(1-5)和解密机中的啁啾光纤布拉格光栅(2-3)具有相应匹配的参数。

8.根据权利要求1～5所述的一种基于电光相位混沌的信号加解密系统，其特征在于：光开关(1-4)和光开关(2-2)受到合法通信双方提前共享的一致密钥序列控制，具体的，密钥为一串随机的二进制序列，“0”、“1”分别对应连接马赫曾德尔干涉仪的的两路输出。

9.根据权利要求1～8所述的一种基于电光相位混沌的信号加解密系统，其特征在于：其中的所有器件参数可以根据需求进行调整使得有多种不同的加解密输出，提高系统的安全性。

技术总结本发明提出了一种基于电光相位混沌的信号加解密系统的实现方法以及其中的加密机和解密机装置，利用马赫曾德尔干涉仪、相位调制器、光电探测器和啁啾光纤布拉格光栅、光开关等器件构建出光电反馈环，产生的电光混沌信号可用于对信号进行加密和解密。利用了混沌信号经过马赫曾德尔干涉仪后输出的两路信号具有低相关性的特点，其中键控的加入进一步提高了系统的安全性。利用马赫曾德尔干涉仪将相位上的信息转换到强度上，并通过光电环和啁啾光纤布拉格光栅的色散作用不断对信号进行扰乱和加密。该系统和方案对传输过程中的时延变化不敏感，为安全保密的光通信系统提供了一种实用的加解密机结构和新的系统方案。技术研发人员：高震森,叶锦洋,曾桂林,安跃华,王安帮,王云才,秦玉文受保护的技术使用者：广东工业大学技术研发日：技术公布日：2024/9/9