混沌保密光通信研究進展

義理林，柯俊翔

（上海交通大學(xué)區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室，上海 200240）

1 引言

光纖通信已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)信息的重要物理載體和骨干基礎(chǔ)設(shè)施，超過90%的網(wǎng)絡(luò)流量都是通過光纖傳輸和傳送的。然而在海底和陸地光纜以及用戶接入光纖等場景中，網(wǎng)絡(luò)信息都存在被竊聽的風(fēng)險。因此非常有必要對光纖中的高速光信號進行加密傳輸。

混沌保密通信是一種基于物理層的硬件加密。它主要基于混沌信號所具有的遍歷性、非周期、連續(xù)寬帶頻譜、類噪聲等特性，將傳輸信號隱藏在混沌信號中，或者通過符號動力學(xué)分析賦予不同的信息序列以不同的混沌波形，在接收端利用混沌同步特性或者混沌波形的特征解調(diào)出所傳輸?shù)男畔?。激光混沌系統(tǒng)具有高帶寬和低衰減，且動力學(xué)系統(tǒng)比較復(fù)雜，系統(tǒng)對參數(shù)具有極高的敏感性，具有更高的保密性能，非常適合高速遠(yuǎn)程保密通信。不同于混沌保密通信，量子保密通信是一種密鑰分發(fā)的技術(shù)，其通過分發(fā)的密鑰實現(xiàn)保密通信[1]?；煦绻馔ㄐ抛鳛橐环N物理安全技術(shù)，有可能成為光纖網(wǎng)絡(luò)的物理層安全屏障。

激光器由Maiman[2]于1960 年發(fā)明，混沌的概念由Lorenz[3]于1963 年提出。然而，混沌和激光長期獨立發(fā)展。直到1975 年，Haken[4]首先建立了混沌與激光之間的聯(lián)系。之后，研究者們相繼開展了許多關(guān)于混沌激光動力學(xué)特性觀測的實驗，并且提出了許多激光器模型，用來解釋相應(yīng)的實驗結(jié)果。1990 年，Pecora 等[5]首次提出了混沌控制和混沌同步，這大大拓寬了混沌的應(yīng)用，例如混沌光通信、隨機數(shù)產(chǎn)生和安全密鑰分配等?；煦缦到y(tǒng)對初始條件非常敏感，使它們難以預(yù)測，具有在數(shù)據(jù)傳輸中提供高級別隱私的潛力。因此，混沌光通信在實現(xiàn)物理層信息安全方面引起了很多關(guān)注，并且已經(jīng)通過許多混沌光通信實驗得到證明。混沌的產(chǎn)生技術(shù)可以基于不同光學(xué)元器件的非線性進行分類，包括基于半導(dǎo)體激光器非線性的全光學(xué)反饋和光電反饋、基于馬赫-曾德爾調(diào)制器非線性的電光反饋。其中，由于光電元器件的高帶寬，電光反饋更可能用于高速混沌光通信系統(tǒng)。

2005 年，研究人員在希臘城域網(wǎng)的商業(yè)光網(wǎng)絡(luò)上首次進行了混沌保密光通信的現(xiàn)場實驗，其中解密后的傳輸速率達(dá)到千兆比特每秒，并且相應(yīng)的誤碼率低于10-7，光纖傳輸?shù)木嚯x超過120 km，說明了混沌保密光通信系統(tǒng)在長距離、高速安全光通信系統(tǒng)中的可行性[6]。自此，研究人員一直致力于提高混沌保密光通信的傳輸速率、同步質(zhì)量和安全性能。2010 年，研究人員實現(xiàn)了10 Gbit/s 的正交相移鍵控（QPSK,quadrature phase-shift keying）信號的傳輸，傳輸距離超過100 km[7]，并且使用相位調(diào)制器產(chǎn)生的相位混沌來增強其安全性。然而，他們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)混沌光通信方案并不像預(yù)期的那樣安全[8-10]。許多統(tǒng)計學(xué)方法如自相關(guān)函數(shù)、互信息和極值統(tǒng)計可用于獲得反饋時延特征，這是混沌系統(tǒng)中的關(guān)鍵安全密鑰[8-10]。一旦竊聽者獲得時延特征，就可以估計出其他所有硬件參數(shù)。因此，完全隱藏時延特征對于增強混沌保密光通信的安全性是至關(guān)重要的。目前，人們已經(jīng)提出許多方法來隱藏時延特征。例如，選擇激光弛豫頻率附近的反饋時延可用于隱藏時延[11]，但代價是降低了混沌復(fù)雜度。因此，需要研究有效的時延隱藏方法。另一方面，增加混沌系統(tǒng)的復(fù)雜性是提高安全性的另一種方法。在解決安全問題之后，提升混沌光通信的傳輸容量和距離對于實際應(yīng)用變得更加重要。

2 混沌的產(chǎn)生

混沌的產(chǎn)生可以根據(jù)源自不同器件的非線性動力學(xué)特性來進行分類，包括半導(dǎo)體激光器、馬赫-曾德爾調(diào)制器、馬赫-曾德爾干涉儀和可調(diào)色散補償器。

2.1 半導(dǎo)體激光器

圖1 顯示了從半導(dǎo)體激光器的非線性動力學(xué)中產(chǎn)生混沌的3 種方法，包括全光反饋、光注入和光電反饋[12]。全光反饋是產(chǎn)生混沌的最基本配置，如圖1(a)所示，來自激光器的光被外部鏡子反射回激光腔，這擾亂了載體和光子之間的相互作用并在半導(dǎo)體激光器中引起混沌。圖1(b)顯示了通過光注入產(chǎn)生混沌，其中來自一個激光器的光被注入其他激光器中，光學(xué)隔離器用于單向注入。當(dāng)2 個激光器的頻率失諧并且注入強度很小時，可以觀察到混沌。圖1(c)顯示了通過光電反饋產(chǎn)生混沌，其中光電探測器檢測從激光器發(fā)出的光，由放大器放大的光電流被反饋到注入電流，擾亂了載流子密度并產(chǎn)生混沌。

圖1 基于半導(dǎo)體激光器非線性的混沌產(chǎn)生方案

2.2 馬赫-曾德爾調(diào)制器

2002 年，Goedgebuer 等[13]提出了一種新的混沌系統(tǒng)，該混沌系統(tǒng)基于馬赫-曾德爾（MZM,Mach-Zehnder modulator）調(diào)制器的非線性。如圖2所示，混沌發(fā)射器由2 個激光器組成，其中一個激光器的輸出由閉合的電光反饋時延環(huán)調(diào)制，其非線性元件是高速馬赫-曾德爾鈮酸鋰調(diào)制器，該調(diào)制器具有低的半波電壓。光電探測器用于將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，電信號被放大后再反饋給調(diào)制器。只要轉(zhuǎn)換的電信號幅度大于半波電壓的兩倍或三倍，就可以獲得足夠的非線性，進而產(chǎn)生混沌。另一個激光器的輸出用來調(diào)制被加密的信號，并且它的輸出通過光耦合器與混沌信號混合，從而實現(xiàn)對信號的掩蓋。另外，被加密的信號參與混沌生成過程，擾亂了混沌動力學(xué)特性，從而進一步增加了混沌的復(fù)雜性。該方法能夠支持10 Gbit/s 的混沌光通信，主要受益于商用馬赫-曾德爾調(diào)制器的高帶寬[14]。

圖2 基于馬赫-曾德爾調(diào)制器的混沌產(chǎn)生方案

為了增加混沌復(fù)雜性，Nourine 等[15]提出了一種新型的基于馬赫-曾德爾調(diào)制器方案的混沌產(chǎn)生結(jié)構(gòu)。如圖3 所示，使用正交相移鍵控調(diào)制器（QPSK-M,quadrature phase shift keying-modulation）作為產(chǎn)生非線性的器件。2 個維度的非線性和雙時延反饋的動力學(xué)特性增加了混沌復(fù)雜性和帶寬。該方案可以產(chǎn)生30 kHz～13 GHz 的混沌帶寬。

圖3 基于正交相移鍵控電光調(diào)制器的混沌產(chǎn)生方案

2.3 馬赫-曾德爾干涉儀

Lavrov 等[16]在2009 年提出了光學(xué)相位混沌系統(tǒng)，因為相位混沌具有恒定的振幅，可以增加其破解的難度。圖4 將圖2 中的馬赫-曾德爾強度調(diào)制器用相位調(diào)制器代替。馬赫-曾德爾干涉儀用于將相位信號轉(zhuǎn)換成強度信號，再經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換成電信號，最后經(jīng)電放大器放大后，作為驅(qū)動信號加入相位調(diào)制器。在該系統(tǒng)中，非線性來自馬赫-曾德爾干涉儀而不是相位調(diào)制器。這個系統(tǒng)由Lavrov 等[7]于2010 年在現(xiàn)有的商用光網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)了10 Gbit/s 的混沌光傳輸，是迄今為止混沌光通信現(xiàn)場演示的最高傳輸速率。

圖4 相位混沌產(chǎn)生裝置

2.4 可調(diào)色散補償器

為了提高相位混沌系統(tǒng)的復(fù)雜度，提出了基于可調(diào)色散補償器的相位混沌系統(tǒng)[17]，其實驗裝置如圖5所示。因為需要接收端和發(fā)射端具有相同的色散曲線才能實現(xiàn)混沌同步解密，可以進一步增加混沌系統(tǒng)的復(fù)雜度。通過可調(diào)色散補償器將光學(xué)相位變化轉(zhuǎn)換成光強變化，從而使相位的變化能夠被光電探測器檢測到，被檢測的光強變化信號經(jīng)過電放大器放大，被放大后的電信號進入相位調(diào)制器中，并且再次將強度信號轉(zhuǎn)換成相位信號，從而形成一個振蕩環(huán)。在此系統(tǒng)中，可調(diào)色散補償器代替馬赫-曾德爾干涉儀實現(xiàn)相位到強度的轉(zhuǎn)化，作為非線性器件實現(xiàn)混沌生成。

圖5 基于可調(diào)色散補償器的相位混沌產(chǎn)生方案

3 最新研究進展

自從2005 年人們首次進行混沌保密光通信的現(xiàn)場演示以來[6]，研究課題一直集中在如何提高傳輸速度和混沌同步的質(zhì)量上。同時，人們發(fā)現(xiàn)混沌光通信并不像預(yù)期的那樣安全[8-10,18-19]，因此混沌的安全性變得越來越重要，最近10 年，混沌光通信的研究主要集中在如何提升系統(tǒng)安全性。一旦解決了安全性問題，增加混沌保密光通信的傳輸容量和距離對于實際應(yīng)用則變得更加重要。因此，混沌光通信的前沿研究主要集中在如何提升系統(tǒng)安全性以及如何提高混沌保密光通信的傳輸容量和距離。

3.1 混沌光通信安全性增強

3.1.1 隱藏時延特征

研究人員發(fā)現(xiàn)，許多方法如自相關(guān)函數(shù)、互信息和極值統(tǒng)計可用于獲得時延特征[10]，此外，功率譜分析方法也可用于獲取時延特征[9]。時延特征是一個關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)時延可以很容易地估計其他硬件參數(shù)。因此，時延特征泄露的可能性成為混沌光通信中的嚴(yán)重問題。為了提高混沌光通信的安全性，隱藏時延特征是必不可少的。由于全光和電光反饋混沌系統(tǒng)中的時延特征隱藏方法不同，因此本文分別介紹基于2 種不同裝置的時延隱藏方法。

1)全光反饋混沌系統(tǒng)中的時延特征消除

對于全光反饋的混沌系統(tǒng)，人們已經(jīng)提出了各種方法來隱藏時延特征。例如，如果人們選擇接近于激光器的弛豫振蕩周期的時延，并且讓激光器處于中等反饋，則可以隱藏時延特征[11]。圖6 表示不同反饋強度的自相關(guān)函數(shù)和互信息，垂直虛線表示時延特征。結(jié)果表明，當(dāng)反饋強度較低，并且反饋時延和弛豫振蕩時間接近時，可以隱藏時延特征。但是，相關(guān)研究表明，通過檢測光學(xué)相位的自相關(guān)特性也可用于獲得時延特征[19]。

圖6 不同反饋強度的自相關(guān)函數(shù)和互信息

為了能夠在相位上隱藏時延特征，研究人員提出了一種新的方案，如圖7 所示，在該方案中，由于雙向半導(dǎo)體環(huán)形激光器中反向傳播模式之間的交叉反饋，強度和相位上的時延特征可以消除[20]。

圖7 交叉反饋的半導(dǎo)體環(huán)形激光器方案

雙外腔反饋也是一種削弱時延標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖8 所示，2 個反射鏡形成雙外腔反饋，通過調(diào)節(jié)2 個腔反饋強度和腔長，最終可有效削弱時延標(biāo)簽[21]，并且該結(jié)構(gòu)相對簡單。

圖8 基于雙外腔反饋的時延隱藏方案

非相干反饋也可以實現(xiàn)削弱時延特征的作用，其結(jié)構(gòu)如圖9 所示，通過法拉第旋轉(zhuǎn)器，實現(xiàn)非相干的光反饋，最終實現(xiàn)時延特征削弱[22]。

圖9 基于非相干反饋的時延隱藏方案

分布式反饋也能夠?qū)崿F(xiàn)時延特征的削弱。在傳統(tǒng)基于激光器光反饋產(chǎn)生混沌的基礎(chǔ)上，將腔內(nèi)的反射鏡改成光纖布拉格光柵，可以實現(xiàn)時延特征的削弱。由于光纖布拉格光柵對不同光頻率成分具有不同的群時延，使時間周期被破壞，導(dǎo)致時延特征消失。光纖布拉格光柵的結(jié)構(gòu)如圖10 所示，但是該方案對混沌同步要求較高，需要參數(shù)一致的光纖布拉格光柵[23]。此外，啁啾的光纖布拉格光柵也可以用于時延隱藏[24]，同時該方案還可以增加密鑰空間[25]。

圖10 基于分布式反饋的時延隱藏方案

圖11 給出了一種新的隱藏時延特征的方案，其中在全光反饋環(huán)路中引入了商用可調(diào)色散補償器[26]。由于色散補償器的存在，混沌載波的不同頻率分量經(jīng)歷不同的時延，因此時間周期被破壞并且時延特征消失。結(jié)果表明，當(dāng)色散值足夠大時，對于時間序列和功率譜分析方法，時延特征可以被完全隱藏，如圖12 所示。這種方法在電光反饋混沌系統(tǒng)中也是可行的。

圖11 基于可調(diào)色散補償模塊的時延隱藏方案

圖12 不同色散值下自相關(guān)函數(shù)和功率譜

2)電光反饋混沌系統(tǒng)中的時延特征消除

對于電光反饋系統(tǒng)，為了隱藏電光反饋混沌系統(tǒng)的時延特征，研究人員通過組合全光反饋和電光反饋方案提出了一種新的方案，如圖13 所示，其中全光的強度混沌和電光的相位系統(tǒng)是級聯(lián)的[27]。然而，由于整個傳輸過程的相位是全光和電光系統(tǒng)的線性疊加，依然可以使用相位的自相關(guān)特性來獲得其時延特征[19]。

圖13 基于級聯(lián)全光混沌系統(tǒng)和電光相位混沌系統(tǒng)的時延消除方案

另外，研究人員提出一種方案來徹底隱藏電光混沌系統(tǒng)中的時延特征，如圖14 所示[28]。在該方案中，數(shù)字密鑰被引入相位混沌電光時延系統(tǒng)，其包含2 個時延鏈路，并且每個鏈路具有2 個電光相位調(diào)制器（PM,phase modulator）。在每個鏈路中，第一相位調(diào)制器由外部信號驅(qū)動，該外部信號分別是信息和數(shù)字密鑰；第二個相位調(diào)制器由另一鏈路的輸出驅(qū)動。在該方案中，馬赫-曾德爾干涉儀以非線性方式將相位變化轉(zhuǎn)換為強度變化，光電探測器用于檢測強度變化，然后將信號放大后通過驅(qū)動相位調(diào)制器以產(chǎn)生相位混沌。當(dāng)數(shù)字密鑰的比特率高于引入密鑰的鏈路的差分時延閾值時，可以發(fā)生時延隱藏[28]。

圖14 帶有數(shù)字密鑰的相位混沌串行發(fā)生裝置的時延消除方案

基于圖15 的裝置，研究人員進一步提出了具有2 個并行時延回路的優(yōu)化系統(tǒng)[29]。在發(fā)射端和接收端中并聯(lián)有2 個非線性時延差分處理環(huán)路。只有一個回路的輸出傳輸?shù)浇邮斩?，而另一個回路保持在反饋環(huán)的內(nèi)部。該裝置可以在沒有外部數(shù)字密鑰的情況下隱藏內(nèi)部時延，這與參考文獻(xiàn)[28]中的裝置不同。實際上，當(dāng)環(huán)路并聯(lián)耦合并且每個環(huán)路具有不同的差分時延時，內(nèi)部環(huán)路的動力學(xué)特性與發(fā)送信號不相關(guān)，因此該系統(tǒng)本質(zhì)上隱藏了內(nèi)部時延[26]。

圖15 帶有數(shù)字密鑰的相位混沌并行發(fā)生裝置的時延消除方案

圖16 基于可調(diào)色散補償模塊的時延消除方案

圖16 給出了利用可調(diào)色散補償模塊來實現(xiàn)時延隱藏[30]，在發(fā)射端和接收端的環(huán)內(nèi)都加入可調(diào)色散補償模塊，也稱為頻率相關(guān)群時延模塊，通過對混沌載波的不同頻率分量產(chǎn)生不同的時延，使時間周期被破壞并且時延特征消失。圖17 展示了時延消除結(jié)果。從圖17 可以看出，對于不同的色散曲線，混沌的時延特征在時域的自相關(guān)函數(shù)和頻譜分析上都可以消除。

電光反饋混沌系統(tǒng)中的大多數(shù)時延特征的隱藏方法采用了組合混沌裝置，并且通過時域處理實現(xiàn)了時延特征的隱藏。只有圖16 給出的可調(diào)色散補償模塊方案，其時延特征隱藏是通過頻域處理實現(xiàn)的。該方法的主要優(yōu)點在于不增加系統(tǒng)復(fù)雜度，只要在原有光電反饋混沌收發(fā)結(jié)構(gòu)中引入可調(diào)色散補償模塊即可，易于實驗實現(xiàn)。

3.1.2 增加混沌復(fù)雜度

圖17 不同色散曲線下時延消除的結(jié)果

為了進一步增強混沌保密光通信的安全性，除時延隱藏外，增加混沌復(fù)雜度是另一種行之有效的方法。通過使用雙重掩蓋[31]、曼徹斯特編碼[32]、變化的增益[33]，結(jié)合全光反饋和電光反饋這2 種方案[27]，可以在一定程度上增加混沌負(fù)責(zé)度并提高安全性。例如，在圖14 和圖15 的配置中，數(shù)字密鑰是增加復(fù)雜性的一種方式，因此時延特征的隱藏和數(shù)字密鑰選擇性的組合在混沌光通信中提供了較大的安全性增強[28-29]。另外，圖15 的配置中的內(nèi)部時延也會增加混沌復(fù)雜[29]。此外，圖3 裝置中的正交相移鍵控電光調(diào)制器也是一種增加混沌復(fù)雜度的方法，因為非線性源于集成的四波光學(xué)干涉儀，涉及2 個獨立的電光調(diào)制器的輸入[15]?？傊?，混沌復(fù)雜度的提高伴隨著混沌生成裝置復(fù)雜性的提高，同時也增加了混沌同步的難度。因此，尋找增加混沌復(fù)雜度而不使混沌系統(tǒng)裝置復(fù)雜化從而導(dǎo)致混沌同步難度增加的方法是非常重要的。

圖16 所示的方案可以大大增加混沌的復(fù)雜度，并且不使混沌系統(tǒng)裝置復(fù)雜化。在實驗中，本文將具有精確溫度控制系統(tǒng)的多個G-T 腔級聯(lián)，設(shè)計了一個頻率相關(guān)群時延光模塊。每個G-T 腔的硬件參數(shù)都盡可能相同，并可通過工藝控制確保參數(shù)相同，腔長可通過溫度獨立控制。G-T 腔數(shù)越多，可組合產(chǎn)生的時頻曲線越復(fù)雜，狀態(tài)數(shù)越多，能提供的密鑰空間數(shù)越大，同時匹配難度也越大。綜合考慮密鑰空間與復(fù)雜度，本文采用16 個G-T 腔組成頻率相關(guān)群時延模塊光模塊，其中每個G-T 腔的溫度控制系統(tǒng)精度達(dá)到了0.001℃。圖18(a)是16 腔頻率相關(guān)群時延模塊的3D 結(jié)構(gòu)，理論上激光在腔內(nèi)無損傳輸，每個G-T 腔的群時延曲線存在周期性尖峰，代表著在這些頻率處光波干涉相長，相鄰峰值位置之間的頻率間隔被稱為自由譜范圍。自由頻譜范圍由腔長決定，本文使用的G-T 腔自由頻譜范圍為100 GHz，半波帶寬約1 GHz。單個G-T 腔的群時延曲線如圖18(b)所示。通過控制腔溫度，腔長會根據(jù)所用半導(dǎo)體的熱延展性變化，從而改變?nèi)簳r延曲線的自由頻譜范圍，導(dǎo)致群時延曲線峰值位置的中心頻率偏移。頻率相關(guān)群時延模塊的群時延曲線是所有G-T 腔群時延的線性疊加，如圖18(c)所示，不同顏色的線條表示不同的溫度設(shè)置。通過高精度調(diào)節(jié)每個G-T腔的溫度可改變頻率相關(guān)群時延模塊曲線的形狀，分析每個G-T 腔溫度改變帶來的同步系數(shù)劣化，可量化評估頻率相關(guān)群時延模塊引入的數(shù)字密鑰。

圖18 群時延模塊和群時延曲線

為了更直觀地表示同步誤差對信號性能的影響，本文采用誤碼率的劣化來表示混沌同步性能的劣化。由于除G-T腔外的所有其他參數(shù)均保持匹配，因此誤碼率的劣化僅來自混沌同步性能的劣化。圖19(a)展示了單個G-T 腔中心頻率偏移對于解密后信號誤碼率的影響。從圖19(a)可以看出，當(dāng)單個G-T 腔中心頻率偏移200 MHz 時，解密信號誤碼率（BER,bit error rate）劣化為1×10-2，可認(rèn)為無法正確解密，對應(yīng)于圖中的同步誤差劣化0.2。此外還可得出G-T 腔時延峰值頻率對應(yīng)混沌頻譜中心位置時，對頻率失配更敏感。

圖19(b)展示了16 個G-T 腔級聯(lián)組成的群時延模塊中每個腔中心頻率偏移對于解密后信號誤碼率的影響。當(dāng)多個腔級聯(lián)時，時頻曲線變得非常復(fù)雜，因此解密信號性能對頻率失配的敏感度要遠(yuǎn)高于單個G-T 腔情況。即使對于時延峰值對準(zhǔn)混沌頻譜邊緣的G-T 腔，頻率失配10 MHz 也會導(dǎo)致解密信號誤碼率劣化到1×10-2，無法正常解密。而對應(yīng)時延峰值對準(zhǔn)混沌頻譜中心的G-T 腔而言，頻率失配容忍度僅為4 MHz。

圖19 頻率偏移對于解密信號性能的影響

實際使用中需要綜合考慮合法用戶的解密難度和對安全性的要求等級，設(shè)計具有所需溫度特性的G-T 腔，現(xiàn)有的熱敏電阻可探測0.001℃的溫度變化，從而實現(xiàn)調(diào)諧精度為0.001℃的精確溫度控制。若使用石英作為G-T 腔體材料，其溫度系數(shù)為670 MHz/℃，對應(yīng)0.67 MHz 的頻率調(diào)諧精度。以10 MHz 為刻度進行調(diào)諧，對應(yīng)溫度調(diào)諧刻度為0.015℃，在溫度調(diào)諧精度范圍之內(nèi)。例如混沌載波頻譜寬度為10 GHz，每個G-T 腔提供的密鑰空間為，對應(yīng)的溫度調(diào)諧范圍為15℃。由于每個G-T 腔的溫度均獨立控制，16 個G-T 即可將系統(tǒng)的密鑰空間增加至1048。該方案可以有效提升混沌密鑰空間，大大增強混沌光通信系統(tǒng)的安全性。同時由于設(shè)計的群時延模塊具有批量可生產(chǎn)性和重復(fù)性，因此是現(xiàn)實混沌光通信系統(tǒng)中增強系統(tǒng)安全性方案中較理想的選擇。

3.2 混沌光通信系統(tǒng)演示

自20 世紀(jì)90 年代早期實現(xiàn)了混沌同步[5]，混沌光通信已經(jīng)成為在物理層提供信息安全的熱門方向[6-7,33-55]。大多數(shù)方案都是基于半導(dǎo)體激光器的非線性動力學(xué)特性，然而這種方法的傳輸速率被半導(dǎo)體激光器的弛豫振蕩頻率限制在2.5 Gbit/s[7,42]。相比之下，基于電光反饋的混沌光通信系統(tǒng)可以支持高比特率，這主要受益于調(diào)制器的大帶寬。目前，基于電光相位混沌系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了10 Gbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸[16]。除傳輸速度外，傳輸距離也是評估混沌光通信系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)?；煦缧盘枌ι⒎浅Ｃ舾?，因此在大多數(shù)實驗演示中傳輸距離限制在100 km 左右。接下來，本文將介紹混沌光通信的系統(tǒng)研究進展。1998 年，Vanwiggeren 等[33]演示了使用基于摻鉺光纖環(huán)形激光器的混沌系統(tǒng)進行10 MHz 信息傳輸。2001 年，Tang 等[35]通過混沌脈沖導(dǎo)體激光器的同步實現(xiàn)了2.5 Gbit/s 信息的加密和解密。2002年，Kusumoto 等[36]在基于具有光學(xué)反饋的半導(dǎo)體激光器的非線性系統(tǒng)中的混沌同步實現(xiàn)了1.5 GHz正弦波信號的傳輸。2004 年，Gastaud 等[37]在基于調(diào)制器的混沌光通信系統(tǒng)中，將比特率提高到3 Gbit/s，并且在混沌同步之后實現(xiàn)了7×10-9的誤碼率。由于該方案的混沌光學(xué)載波帶寬能夠超過20 GHz，因此預(yù)計能夠支持幾十Gbit/s的信號加密。2005 年，Annovazzi-Lodi 等[38]通過光纖鏈路實現(xiàn)了2.4 GHz 標(biāo)準(zhǔn)電視信號加密傳輸，這是混沌保密光通信在真實場景下的首次演示。2010 年，Argyris 等[39]使用單片光子集成電路作為混沌發(fā)生器實現(xiàn)2.5 Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸。在這個方案中，只有授權(quán)的對應(yīng)設(shè)備能夠同步和再現(xiàn)相同的混沌載波，速率可以達(dá)到2.5 Gbit/s，誤碼率低于10×10-12。根據(jù)2009 年提出的電光相位混沌的方案[16]，2010 年在法國貝桑松市部署的超過20 km的全光纖環(huán)網(wǎng)上進行10 Gbit/s信號加密傳輸?shù)默F(xiàn)場演示[7]，這是混沌保密光通信現(xiàn)場演示的速率記錄。

以往的混沌光通信系統(tǒng)研究中，加載的信號均采用二進制強度調(diào)制或相位調(diào)制，如NRZ-OOK（non-return-to-zero on-off-keying）或DPSK（differential phase shift keying）信號，頻譜效率非常低。圖20通過雙二進制調(diào)制碼型壓縮信號的帶寬，來提升混沌保密通信的速率[54]。該裝置是基于傳統(tǒng)的電光反饋混沌裝置，由于發(fā)射端的系統(tǒng)帶寬約為10 GHz，而加入的信號為30 Gbit/s 的非歸零信號，系統(tǒng)的濾波作用使信號變成了帶寬為10 GHz，速率為30 Gbit/s的雙二進制信號，因此，被加密的信號能夠被10 GHz 帶寬的混沌信號完全掩蓋，最終實現(xiàn)對30 Gbit/s 的雙二進制信號加密傳輸，并通過色散補償技術(shù)對光纖傳輸過程中的色散進行補償。傳輸過程采用了色散補償光纖和可調(diào)色散補償器做色散補償，圖21(a)～圖21(d)分別為原始電信號的眼圖、經(jīng)電光調(diào)制器調(diào)制解調(diào)后的眼圖、加密后的眼圖和解密后的眼圖。圖 21(e)～圖 21(g)分別是圖 21(a)～圖21(c)對應(yīng)的頻譜圖。從頻譜圖可以看出，原本帶寬為30 GHz 的非歸零信號，經(jīng)調(diào)制解調(diào)后，由于系統(tǒng)的濾波效應(yīng)，變成帶寬為10 GHz的雙二進制信號。該實驗演示了30 Gbit/s 信號100 km混沌保密光傳輸，是截至目前混沌光通信系統(tǒng)的最高速率紀(jì)錄。

圖20 30 Gbit/s 雙二進制信號的混沌加密傳輸

圖21 30 Gbit/s 信號加密解密實驗結(jié)果

近年來，隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的快速發(fā)展，為了能夠提升混沌同步的相似度，降低混沌同步難度，本文提出了利用數(shù)字信號處理技術(shù)來提升混沌的相似度。眾所周知，混沌保密光通信中最關(guān)鍵的技術(shù)是混沌同步技術(shù)，混沌同步的相似度低，意味著接收端無法完全消除發(fā)射端加入的混沌掩蓋信號，這部分無法被完全消除的混沌信號將作為噪聲加入被加密的信號中，使發(fā)射端的信噪比嚴(yán)重下降，無法實現(xiàn)解密。然而，實際情況中，由于發(fā)射端和接收端的物理器件難以做到精確匹配，本文提出了通過前向均衡器、volterra 濾波器和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)對由于物理器件參數(shù)失配導(dǎo)致的不同步的混沌信號進行補償[55]，裝置如圖22 所示。在訓(xùn)練階段，需要通過光電探測器5 探測未與被加密信號混合的混沌信號，并將該混沌信號作為目標(biāo)值，對接收端的濾波器參數(shù)進行訓(xùn)練，從而提升發(fā)射端和接收端混沌同步的同步系數(shù)。同步系數(shù)的仿真和實驗結(jié)果如圖23 所示。從圖23 可以看出，在經(jīng)過數(shù)字信號處理后，同步系數(shù)獲得了很大的提升。

圖22 基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的混沌同步誤差補償裝置

圖23 混沌同步誤差補償?shù)膶嶒灲Y(jié)果

從研究進展來看，隨著激光器、調(diào)制器、光電探測器和電子放大器等電光元件的帶寬增加，以及先進的光信號處理和數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，有可能實現(xiàn)具有更高速率和更長傳輸距離的混沌光通信系統(tǒng)。

4 討論

混沌保密光通信從提出至今已經(jīng)20 多年，技術(shù)進步飛速，也曾在希臘和法國的商用光纖網(wǎng)進行過現(xiàn)網(wǎng)測試，但始終無法進行規(guī)?；瘧?yīng)用，其根本原因在于高安全性和實現(xiàn)難度是一對根本矛盾。例如基于激光器全光反饋的結(jié)構(gòu)具有較高的安全性，但要實現(xiàn)多對節(jié)點的匹配非常困難，需要從多個激光芯片去尋找配對，成本過高?；谕庹{(diào)制器的光電光反饋匹配相對容易，但由于匹配參數(shù)較少，導(dǎo)致容易被破解，安全性不高。如何破解這對矛盾，實現(xiàn)高安全性、低復(fù)雜度，從而可規(guī)模化應(yīng)用的混沌光通信系統(tǒng)，是混沌光通信需要解決的根本問題。

截至目前，混沌光通信系統(tǒng)的最高實現(xiàn)記錄是速率30 Gbit/s，傳輸距離不超過100 km，與現(xiàn)有光通信系統(tǒng)的速率和傳輸距離水平有較大的差距?；煦绻馔ㄐ畔到y(tǒng)速率不高主要受限于寬帶混沌信號難以產(chǎn)生，高階調(diào)制信號抗噪聲能力差等因素。傳輸距離不長主要受限于混沌信號對非線性和色散非常敏感，長距離光纖傳輸難以同步等因素?，F(xiàn)有的混沌傳輸技術(shù)還處于低速二進制直接檢測的階段，對高速多進制信號調(diào)制、相干檢測、數(shù)字信號處理等技術(shù)還未有研究?；谶@些技術(shù)是否可以提高傳輸速率和距離，同時系統(tǒng)在相干檢測竊聽下安全性是否會減弱等問題都需要深入研究。

混沌通信基于收發(fā)節(jié)點參數(shù)進行高度匹配，由于匹配難度很高，很難實現(xiàn)大于2 個節(jié)點的完全匹配，因此現(xiàn)有的混沌光通信系統(tǒng)主要應(yīng)用于點到點通信系統(tǒng)。而系統(tǒng)要形成網(wǎng)絡(luò)，必須實現(xiàn)多節(jié)點互通。要解決此問題，必須實現(xiàn)多節(jié)點參數(shù)完全匹配。與此相矛盾的是，多節(jié)點參數(shù)匹配將導(dǎo)致竊聽者容易復(fù)制硬件設(shè)備從而減低破解難度。因此未來需要破解多節(jié)點同步和安全性降低這對矛盾，才能實現(xiàn)混沌系統(tǒng)多節(jié)點組網(wǎng)。

5 結(jié)束語

本文首先根據(jù)不同的非線性器件對混沌的產(chǎn)生進行分類，基于激光器非線性來產(chǎn)生混沌包括全光反饋、光注入和光電反饋3 種方式，由于全光反饋的裝置相對簡單，并容易產(chǎn)生混沌，因此，基于激光器非線性并通過全光反饋來產(chǎn)生混沌的方法獲得了廣泛的研究。另外，相比于基于激光器非線性產(chǎn)生混沌的結(jié)構(gòu)，基于調(diào)制器非線性產(chǎn)生混沌的結(jié)構(gòu)更加容易產(chǎn)生大帶寬的混沌信號，并且相對容易實現(xiàn)混沌同步，因此適用于混沌保密通信，并且目前通過該方式實現(xiàn)的混沌保密通信的最高速率可達(dá)30 Gbit/s。而相位混沌可以通過相位調(diào)制器和馬赫-曾德爾干涉儀來產(chǎn)生，由于相位調(diào)制不存在強度的變化，能夠降低傳輸過程中的非線性，因此，通過該方案產(chǎn)生的混沌能夠在10 Gbit/s 的速率下，實現(xiàn)100 km 的光纖加密傳輸，并實現(xiàn)了現(xiàn)場演示。此外，本文提出了一種通過可調(diào)色散補償器來產(chǎn)生混沌的方式，可以大大地增加混沌復(fù)雜度。本文還介紹了混沌保密光通信的最新研究進展，包括安全性增強的方案，其中包括各種時延隱藏的方案以及增加混沌復(fù)雜性的方案。另外，本文還介紹了混沌保密通信系統(tǒng)的研究進展，速率從最初的幾Mbit/s 提升到目前最高的30 Gbit/s，傳輸距離最大為100 km。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的快速發(fā)展和器件帶寬的提升，混沌保密通信的傳輸速率和傳輸距離將會得到進一步的提升。最后本文對混沌光通信的困難和未來需要進行的突破進行了討論，混沌光通信的進一步發(fā)展需要突破高安全性與低復(fù)雜度的矛盾，需要采用相干檢測、數(shù)字信號處理技術(shù)提升容量和傳輸距離，需要破解多節(jié)點同步和安全性降低這對矛盾來實現(xiàn)混沌多節(jié)點組網(wǎng)。最終實現(xiàn)混沌光通信系統(tǒng)與現(xiàn)有高速光通信系統(tǒng)的完全兼容，實現(xiàn)為高速光通信系統(tǒng)物理層安全保駕護航的目標(biāo)。