引用本文:
张定梅. 基于半导体环形激光器的混沌安全保密通信[J]. 光通信技术,2020,44(10):37-41.
张定梅
(荆楚理工学院 数理学院,湖北 荆门 448000)
【下载PDF全文】 【下载Word】摘要:为了满足保密通信的需求,提出了一种基于3个半导体环形激光器(SRL)进行双路混沌通信的方案,数值仿真后给出了几种情况下的时间序列、自相关图与眼图,并讨论了传输距离对通信质量的影响。研究表明:驱动SRL(D-SRL)仅在自反馈的条件下混沌信号质量较差;当引入互反馈后,混沌质量明显提高;随着传输距离的增加,量化保密通信质量的品质因子逐渐降低,但当距离增加到130 km时,品质因子依然保持在6以上,该方案可以进行长距离双通道安全保密通信。
关键词:非线性光学;半导体环形激光器;保密通信;混沌;反馈
中图分类号:TN929.11;O437.1 文献标志码:A 文章编号:1002-5561(2020)10-0037-05
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2020.10.010
0 引言
半导体激光器在外部光反馈、光电反馈和光注入下可产生单周期、多周期和混沌等丰富的动力学态[1-3]。其中,光学混沌由于具有对初始条件的极度敏感性和高度的无序性而可用在随机数产生、混沌激光雷达、光学逻辑门和安全保密通信中[4-7]。成功实现混沌安全保密通信的前提是要求发射激光器与接收激光器的混沌同步,即发射器产生的混沌信号与接收端的混沌信号完全相似。自从1990年PECORA L M和CARROLL T L等人[8]首次提出了混沌同步的概念后,基于半导体激光器产生的光学混沌在保密通信中的研究已经有大量报道[9-15]。例如,2005年,ARGRIS A等人[12]首次在雅典地铁网络中实现了基于马赫-曾德尔调制器的混沌光保密通信实验,成功实现了速度为2.4 Gb/s、传输距离大于120 km的信息传输。2010年,LAVROV R等人[13]基于马赫-曾德尔干涉仪实现了距离在100 km以上的混沌光通信传输,传输速度提高到了10 Gb/s。2017年,UCHINA课题组[14]报道了一种新的光混沌键控系统,他们将二进制消息嵌入到混沌光波中并利用光纤电缆进行传输,在接收机处使用与发射激光器同步的混沌激光成功进行了解码。2018年,KE J X等人[15]报道了距离大于100 km、传输速度大于30 Gb/s的高速混沌光安全通信系统。
半导体环形激光器(SRL)由于其特殊的谐振腔结构而在光子集成电路中得到了广泛的应用[16]。SRL有源腔的圆形几何结构,允许激光器在2种可能的模式工作,即顺时针(CW)和逆时针(CCW)模式[17-18]。2003年,SOREL M等人[19]首先提出了基于GaAs-ALGaAs材料的SRL的理论模型,该模型成功地解释了实验中所观察到的2种模式的竞争现象。然而,现有的关于SRL的研究大都集中在这2种模式的模式竞争和动力学上面[20-27],关于混沌同步通信的研究还较少。由于SRL有2种工作模式,这为双路混沌保密通信提供了可能。本文利用3个SRL建立双路混沌安全保密通信体系,即首先利用光反馈技术使得驱动SRL工作在混沌态,然后将混沌光注入到2个响应SRL中并进行同步。成功同步后利用非归零的二进制码进行保密通信性能测试。
3 结束语
本文研究了3个SRL构成的双路混沌保密通信系统的特性。当D-SRL仅在自反馈作用下时,产生的混沌信号时延特征较强,不利于安全保密通信。引入互反馈后,混沌信号的质量得到了明显的改善。用D-SRL的输出信号来驱动2个R-SRL,发现D-SRL与R-SRL1、R-SRL2的同步系数仅有0.81。但R-SRL1与R-SRL2的输出混沌信号的同步系数近似等于1,这表明利用2个R-SRL可以顺利完成安全保密通信,并且信号的传输是单路的,不易被第三方破解。最后讨论了传输距离对通信质量的影响,并用品质因子Q进行了量化,量化结果表明采用这种方案进行远距离安全保密通信是可行的。