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基于多区半导体激光器的混沌光通信密钥空间增强研究

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基于多区半导体激光器的混沌光通信密钥空间增强研究

作者：李勇太原理工大学

学位级别：硕士

混沌光通信因具有硬件加密、传输距离长、传输速率快、与现有光纤网络相兼容等特点得到了广泛关注。光反馈半导体激光器由于结构简单、易于集成等特点常被用作混沌光通信中的收发机。然而这种结构的混沌收发机存在安全问题,即窃听者可... 详细信息

混沌光通信因具有硬件加密、传输距离长、传输速率快、与现有光纤网络相兼容等特点得到了广泛关注。光反馈半导体激光器由于结构简单、易于集成等特点常被用作混沌光通信中的收发机。然而这种结构的混沌收发机存在安全问题,即窃听者可以根据截获混沌信号的时序做自相关处理,根据自相关峰值推测出反馈时延,从而计算出腔长;通过观察频谱能够得到激光器的弛豫振荡频率,从而推断出激光器的偏置电流。因此可作为密钥的参数只有反馈强度,这导致密钥空间不足,窃听者可以重构系统,所以这种结构会降低系统的安全性。目前研究者通过增加离散系统的外腔数量等方法增大密钥空间,同样会带来系统结构复杂度高、稳定性差、难以集成等问题。因此,提出可集成化的系统增加混沌光通信的密钥空间具有重要意义。针对上述问题,本论文提出利用多区半导体激光器(multi-section semiconductor laser,MSSL)增大混沌光通信系统的密钥空间,将MSSL中五个区(DFB1区、相位1区、DFB2区、相位2区、放大区)的驱动电流作为密钥,增加了密钥参数的个数,增大了系统的密钥空间。主要开展了以下工作:1.通过仿真软件设计了MSSL,给出了具体的设计参数,分析了混沌激光信号产生的可能性,研究了MSSL中五个区的具体作用和基本原理。分析了MSSL的小信号调制响应曲线,发现MSSL的输出中存在复合腔频率;然后发现随着相位1区腔长的增大,复合腔频率逐渐减小,而相位2区和放大区的腔长对复合腔频率几乎没有影响。通过改变MSSL中五个区的驱动电流,研究了MSSL由准周期进入混沌的路径,并且发现在较大的电流范围内,MSSL能够输出混沌状态。另外通过改变MSSL中相位2区和放大区的驱动电流,产生了标准带宽为51.11 GHz的宽带混沌信号。最后通过排列熵方法分析了混沌信号的复杂度。2.基于MSSL的模型,提出了共同信号驱动MSSL的混沌光通信模型,通过调节注入功率,在背靠背系统中实现了0.9742的高质量混沌同步。然后分析了MSSL的外部、内部参数对系统同步性能的影响,发现系统对MSSL中五个区的电流失配均较为敏感。最后,研究了当信息加载速率为40 Gbit/s时,MSSL的五个区的电流可作为密钥,增加了密钥空间的维度,密钥空间可达2,系统的安全性得到提高。

关键词：集成激光器宽带混沌混沌光通信密钥空间

面向物理层安全的混沌光通信和量子随机数产生技术研究

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面向物理层安全的混沌光通信和量子随机数产生技术研究

作者：向顺凯华中科技大学

学位级别：硕士

目前光纤通信网络作为整个通信网络的核心,是整个互联网通信的主干道和大动脉,承担了大量的信息交互任务。虽然光传输网络的容量和传输速度在各种先进技术的支持下已经得到了长足的发展和进步,但是各种层出不穷的信息泄露事件使得保证... 详细信息

目前光纤通信网络作为整个通信网络的核心,是整个互联网通信的主干道和大动脉,承担了大量的信息交互任务。虽然光传输网络的容量和传输速度在各种先进技术的支持下已经得到了长足的发展和进步,但是各种层出不穷的信息泄露事件使得保证光网络的安全性成为了一个亟待解决的关键问题。目前绝大多数的信息加密都是采用数学算法的数字加密方式,容易被破解。以混沌激光通信和量子密钥分发为代表的物理层安全光通信技术因其不可预知和难于破解的保密特性,受到了广泛的关注,可以为构建更加安全的光通信网络提供强大的技术支撑。本文面向解决网络物理层安全问题,聚焦混沌光通信和量子密钥分发中的关键技术,开展了广泛的研究和探索,具体研究内容和成果如下:(1)实验研究了基于半导体激光器互注入的全光宽带混沌同步与通信方案。得益于两个半导体激光器的互注入,实现了3d B带宽为～13GHz的平坦光混沌载波的产生。采用单向光注入的方式实现了同步系数高达0.961的高质量混沌同步,并验证了混沌滤波效应的存在。成功实现了12.5Gbaud开关键控(OOK:On-Off Keying)信号和10Gbaud正交相移键控(QPSK:Quadrature Phase-Shift Keying)信号的加密传输。(2)实验研究了基于深度神经网络的混沌同步与通信方案。根据硬件闭环混沌同步的结构特点,对传统神经网络的结构进行了针对性改进并提出了具有延时反馈结构的新型神经网络。系统研究了不同反馈神经元数目下的同步系数和保密性能,确定了最佳的反馈神经元数目并获得了高质量的混沌同步。成功实现了10Gbaud和12Gbaud QPSK信号的加密传输。(3)针对量子密钥分发中的真随机数产生问题,理论和实验研究了基于分布反馈式(DFB:Distributed Feedback)激光器强度和相位噪声的量子随机数产生方案。理论研究了量子随机数产生的基本模型,系统分析了用于量子噪声测量的非平衡马赫曾德尔干涉仪(u MZI:unbalanced Mach-Zehnder Interferometer)在不同相位差下的随机数产生性能,并进行了实验证实。理论和实验证明,u MZI的最佳相位差为π/2。最后利用托普利兹-哈希(Toeplitz-hashing)随机性提取器对位于最佳相位差下的原始序列进行了随机性提取,提取得到的最终随机比特序列通过了美国国家标准与技术研究院(NIST:National Institute of Standards and Technology)的随机数测试。

关键词：物理层安全混沌光通信神经网络量子随机数产生

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混沌光通信中全光波长转换和信号提取

混沌光通信中全光波长转换和信号提取

基于半导体环形激光器的混沌保密光通信的理论研究

2009年先进光学技术及其应用研讨会

作者：丁燕青王云才太原理工大学理学院物理系

提出并数值验证了基于交叉增益调制效应的混沌光通信全光波长转换及信号提取的实现方案。在单向耦合的混沌光通信链路中,利用Fabry-Perot半导体激光器内部的交叉增益调制效应,实现混沌保密通信信道的波长转换。对于给定的Fabry-Perot激... 详细信息

提出并数值验证了基于交叉增益调制效应的混沌光通信全光波长转换及信号提取的实现方案。在单向耦合的混沌光通信链路中,利用Fabry-Perot半导体激光器内部的交叉增益调制效应,实现混沌保密通信信道的波长转换。对于给定的Fabry-Perot激光器,当加载信号频率为1.2GHz时,在15nm的波长转换范围都能获得信噪比大于8dB的提取信号。同时分析了各种参数对波长转换及信号提取质量的影响。研究表明:波长转换间隔以及加载信号频率、幅度均对波长转换及提取信号质量有一定的影响,但基于Fabry-Perot半导体激光器的波长转换器对混沌通信系统的传输速率无明显影响。

关键词：波长转换混沌光通信半导体激光器波分复用

来源： cnki会议评论

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基于半导体环形激光器的混沌保密光通信的理论研究

作者：杨立电子科技大学

学位级别：硕士

在当前软件加密通信技术保密性能岌岌可危,量子光通信技术还远未成熟的情况下,消费者迫切需要新的保密通信技术来满足信息化时代日益增长的保密需求,混沌光通信以其高保密性、高带宽和低成本等一系列优点引起科研工作者的关注。半导体... 详细信息

在当前软件加密通信技术保密性能岌岌可危,量子光通信技术还远未成熟的情况下,消费者迫切需要新的保密通信技术来满足信息化时代日益增长的保密需求,混沌光通信以其高保密性、高带宽和低成本等一系列优点引起科研工作者的关注。半导体环形激光器天生具有丰富的动力学特性,体积小,功耗低,便于集成,是集成光通信光源的理想选择。本文结合半导体环形激光器的优势于混沌保密光通信中,试图建立一套基于半导体环形激光器的混沌保密光通信系统,并从数值仿真角度出发,实现该系统的混沌光通信,并探究Langevin噪声对混沌通信系统的影响。基于上述目的,本文主要做了以下几个方面的研究工作:成功搭建基于半导体环形激光器的混沌保密光通信系统模型是本课题能够开题的关键前提,系统选用混沌掩蔽编码技术,通过一般同步,利用Q值评价通信质量及保密性能。在保证良好的通信质量以及保密性能的前提下,调制深度固定为4%时的最大通信速率为2.38Gbps。本文研究了Manchester码调制下的混沌保密光通信系统的工作情况,发现相对于普通的NRZ码调制,Manchester码调制的混沌光通信系统具有更优异的通信质量和保密性能,另外,考虑到Manchester码具有NRZ码无法比拟的优势,如无直流波,用上升沿、下降沿表示二进制码,定时信号容易获取,充分利用混沌波高带宽的特性以增强保密性等优秀性能,本文得出结论:Manchester码更适合于混沌保密光通信系统。本文的另一个研究点为Langevin噪声对混沌保密通信系统的影响,出于数值仿真的目的,需要合适的数值算法来解带噪声的通信系统模型,通过选择比较,文章在Heun算法的基础上,利用三次Hermite插值算法获取延时项,得到此系统的解。本文分别探究Langevin噪声对带反馈结构的环形激光器的混沌输出、混沌同步以及混沌通信的影响,文章发现Langevin噪声会影响激光器的输出,混沌波在某种程度上趋于随机噪声变化且混沌吸引子会变得不光滑,如果逐渐放大噪声项,这种变化会越来越明显;由于混沌通信系统采用一般同步,同步注入锁定效应使得Langevin噪声无法对混沌同步施加影响;由于Langevin噪声相对于信息信号具有可比性,因此能够在不影响同步性能的前提下降低混沌光通信的通信质量。

关键词：混沌光通信半导体环形激光器混沌掩蔽 Manchester码 Langevin噪声

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激光器自发辐射噪声对混沌光通信系统的影响

物理学报 2006年第10期55卷 5094-5104页

作者：李孝峰潘炜马冬罗斌张伟利熊悦西南交通大学信息科学与技术学院成都610031

构建了基于外光反馈的混沌光通信系统模型,通过引入Langevin噪声源,建立了包含自发辐射噪声特性的主从式速率方程.利用所得数学模型,研究了系统中可能存在的两类同步:全混沌同步和普通注入锁模型混沌同步;分析了两端激光器自发辐射噪声... 详细信息

构建了基于外光反馈的混沌光通信系统模型,通过引入Langevin噪声源,建立了包含自发辐射噪声特性的主从式速率方程.利用所得数学模型,研究了系统中可能存在的两类同步:全混沌同步和普通注入锁模型混沌同步;分析了两端激光器自发辐射噪声对此二类同步以及系统收发两端混沌信号的影响;最后,以2·5Gb/s伪随机数字调制下的混沌掩蔽方式为例,介绍了系统的加/解密过程以及噪声对系统解码性能的影响.

关键词：混沌光通信外光反馈光注入混沌同步自发辐射噪声

基于半导体环形激光器的混沌光通信系统关键技术的研究

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基于半导体环形激光器的混沌光通信系统关键技术的研究

作者：张鑫电子科技大学

学位级别：硕士

近年来，混沌信号作为光载波应用于保密混沌光通信系统的研究得到了广泛关注，通过添加适当自由扰动项，可以使B类激光器运动失稳，得到光混沌输出半导体激光器是一种B类激光器，而半导体环形激光器是一种谐振腔为环形的半导体激光器，... 详细信息

近年来，混沌信号作为光载波应用于保密混沌光通信系统的研究得到了广泛关注，通过添加适当自由扰动项，可以使B类激光器运动失稳，得到光混沌输出半导体激光器是一种B类激光器，而半导体环形激光器是一种谐振腔为环形的半导体激光器，具有独特的优点，受到业界广泛关注将半导体环形激光器应用于混沌信号的产生和同步系统中，能够有效的精简系统结构，提高可靠性，降低功耗本文主要是以半导体环形激光器的动力学方程为基础，对激光混沌的理论进行了阐述，并对基于半导体环形激光器的混沌信号的产生和混沌同步等混沌光通信系统中的关键技术进行了研究本文的主要的内容如下： 1.对混沌进行了概述混沌属于一种非线性现象，是确定的非线性系统产生的一种类似随机现象本文从混沌起源开始，介绍了混沌的发展光学混沌混沌同步以及混沌的特征等，同时介绍了混沌的应用另外，介绍了半导体环形激光器，以及其结构和应用重点介绍了混沌光通信系统和半导体环形激光器的国内外研究现状 2.论述了激光器的工作原理和分类，概述了混沌的奇怪吸引子和李亚普诺夫指数等混沌数学分析方法，并讨论了通向混沌的路径简单介绍了产生激光混沌信号较为普遍的三种方式和激光混沌同步理论之后着重介绍了半导体环形激光器的动力学模型 3.提出了三种基于半导体环形激光器的混沌产生模型分别研究了光电反馈光注入和光反馈条件下半导体环形激光器的工作状态，模拟分析了产生混沌信号的参数条件，并利用三种方式扰动半导体环形激光器，分别产生了光混沌信号 4.在光注入产生混沌信号的基础上，提出了向半导体环形激光器注入窄带混沌信号以产生带宽增强型混沌信号的方案 5.提出了一种基于两个半导体环形激光器的混沌同步方案，利用光反馈产生的混沌，通过发射端环形激光器向接收端环形激光器的强注入耦合，实现接收端环形激光器的强注入锁定，将其工作状态锁定在发射端环形激光器的工作状态，从而实现了收发系统之间的广义同步，并利用收发两端输出的自相关函数评估了同步效果，给出了最好的同步结果最后，对半导体环形激光器在混沌光通信系统的应用和发展做了简单的展望

关键词：半导体环形激光器混沌信号混沌同步混沌光通信

混沌保密光通信系统调制方式和光纤信道性能的研究

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混沌保密光通信系统调制方式和光纤信道性能的研究

作者：刘培洋大连理工大学

学位级别：硕士

半导体激光器在外加扰动下,可以产生高维、宽带、类噪声的混沌激光信号,是实现高速混沌保密通信的理想载波。由于半导体激光器具有体积小、成本低、技术成熟和应用广泛等优点,在过去的十多年里基于半导体激光器的混沌激光保密通信的研... 详细信息

半导体激光器在外加扰动下,可以产生高维、宽带、类噪声的混沌激光信号,是实现高速混沌保密通信的理想载波。由于半导体激光器具有体积小、成本低、技术成熟和应用广泛等优点,在过去的十多年里基于半导体激光器的混沌激光保密通信的研究引起了人们广泛地关注,得到了迅速发展。混沌激光保密通信的发展最终必将是以光纤作为传输媒介来实现数据的高速保密传输。因此,本文主要围绕混沌调制和混沌隐藏两种信息加载方式的性能差别和光纤传输特性对混沌激光保密通信系统性能的影响开展研究,具体完成如下工作：（1）建立了未经过光纤传输（背对背back-to-back）的混沌激光保密通信系统。在发射机与接收机之间混沌同步的基础上实现了正弦信息和数字信息的保密通信。数值研究了混沌调制和混沌隐藏两种信息加载方式下的混沌激光保密通信系统的性能,分析了两种信息加载方式下系统分别传输正弦信息和数字信息时的信噪比和Q因子的变化情况。结果表明,不同的调制深度或调制频率／速率都会影响系统的性能,且混沌调制方式的系统性能优于混沌隐藏方式。（2）建立了经过光纤传输的混沌激光保密通信系统。混沌激光信号经过光纤传输后,必然会受到光纤损耗、色散和非线性等缺陷的影响,从而影响系统的同步性能。分析了系统的相关系数和同步误差分别在不同的光纤色散系数、非线性系数下随光纤长度的变化情况,数值研究在混沌调制方式下传输速率分别为1 Gb/s、1.25 Gb/s和2.5 Gb/s时系统Q因子与传输光纤长度的关系。结果表明系统的同步性随着光纤长度的增加而降低,且光纤色散系数、非线性系数越大,降低的程度越大;混沌调制下系统的Q因子随传输距离的增加或者传输信息速率的增大而降低。（3）为了克服光纤损耗,可以在系统中采用掺铒光纤放大器对混沌载波信号进行放大：对于光纤色散的影响,提出了对称和非对称两类色散补偿方案来提高混沌激光保密通信光纤传输系统的性能。结果表明,所提出的方案能有效地改善系统的性能,且对称的色散补偿方案的性能优于非对称的色散补偿方案。

关键词：混沌光通信混沌调制混沌隐藏光纤传输色散补偿

基于光学储备池计算的高速混沌保密通信的研究

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光子学报 2022年第4期51卷 92-107页

作者：钟东洲徐喆赵可可胡亚兰邓万安侯鹏张金波五邑大学智能制造学部广东江门529020

利用一个带有光反馈和光注入的光泵浦自旋垂直腔表面发射激光器的两个混沌偏振分量形成两个并行储备池计算机。这些储备池用来学习另外一个光泵浦自旋垂直腔表面发射激光器(发射激光器)混沌动力学行为。训练基于自旋垂直腔表面发射激光... 详细信息

利用一个带有光反馈和光注入的光泵浦自旋垂直腔表面发射激光器的两个混沌偏振分量形成两个并行储备池计算机。这些储备池用来学习另外一个光泵浦自旋垂直腔表面发射激光器(发射激光器)混沌动力学行为。训练基于自旋垂直腔表面发射激光器的储备池获得一个发射的偏振分量和它相应的训练储备池之间的高质量混沌同步。在这种高质量同步条件以及确保安全性前提下,实现了16QAM信息的双信道保密通信。此外,针对两个解密信息,进一步讨论在不同参数下它们的误码率。结果表明,不同参数改变下的误码率率均为0。研究结果表明,时延光学混沌储备池计算为光学混沌保密通信的实际应用提供了一种有效的方法。

关键词：自旋垂直腔面发射激光器储备池计算混沌光通信混沌同步

基于深度学习的光电振荡混沌系统建模及FPGA应用

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光学学报 2024年第19期44卷 109-119页

作者：张卓宇蒋林陈博阳冯国豪冯家城闫连山西南交通大学信息科学与技术学院四川成都611756 西南交通大学烟台新一代信息技术研究院山东烟台264001

为了解决传统混沌加密通信系统收发端宽带混沌同步困难的问题,基于长短期记忆(LSTM)网络对光电振荡混沌源进行建模。将混沌人工智能(AI)模型优化剪枝后部署到现场可编程门阵列(FPGA)上,以70 MHz的采样频率驱动数模转换(DAC)芯片实时输... 详细信息

为了解决传统混沌加密通信系统收发端宽带混沌同步困难的问题,基于长短期记忆(LSTM)网络对光电振荡混沌源进行建模。将混沌人工智能(AI)模型优化剪枝后部署到现场可编程门阵列(FPGA)上,以70 MHz的采样频率驱动数模转换(DAC)芯片实时输出混沌波形。与优化前相比,FPGA上的DSP模块资源占用减少了31.7%,Block RAM(BRAM)资源占用减少了58%,计算延时降低了44.4%。通过绘制相图以及添加微小扰动的方法证明了部署后的模型可保持原始光电振荡混沌系统的输出特性。此外,进一步基于最低有效位选择优化的后处理方法,将部署的混沌AI模型用于实时随机数产生,随机数产生速率为70 Mbit/s,所得结果通过了NIST SP 800-22测试。

关键词：混沌光通信随机数生成长短期记忆网络光电振荡器现场可编程门阵列