保密通信用混沌激光器研究.pdf

版权声明 本 研究报告 版权属于中国通信标准化协会，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本 研究报告 文字或者观点的，应注明“来源：中国通信标准化协会”。违反上述声明者，本协会将追究其相关法律责任。 研究 报 告要 点 本研究课题对保密通信用混沌激光器进行了研究 ， 对典型的混沌激光器结构进行探讨，内容包括： 物理层保密通信技术现状； 混沌激光器技术； 集成混沌激光器的关键技术和难点分析。 以上研 究 将有助于保密通信用混沌激光器的商业实现 ， 从而推动基于混沌激光的保密通信技 术 发展。 传送网与接入网技术工件委员会光器件工作组。 本研究报告 牵头 研究单位 ： 烽火科技集团有限公司 、 太原理工大学 本研究报告 参加 研究单位 ： 中兴通讯股份有限公司、中国信息通信研究院、武汉华工正源光子技术有限公司。 本研究报告负责人 ： 徐红春 、张明江 本研究报告参加人：江毅、宋梦洋、周日凯、赵彤 、 王云才、王安帮、 武成宾、赵文玉 、刘王 来 完成日期 ： 2017 年 9 月 30 日 目录 1 引言 . 1 2 缩略语 . 1 3 物理层保密通信技术发展现状 . 1 3.1 量子保密通信 . 1 3.2 基于公共信道特征的保密通信 . 1 3.3 基于混沌激光的保密通信 . 2 4 混沌激光器技术 . 2 4.1 混沌激光的产生技术，基本特征及技术参数 . 2 4.1.1 产生技术 . 2 4.1.2 基本特征 . 3 4.1.3 主要参数指标 . 5 4.2 分立元件混沌激光源 . 5 4.3 集成混沌激光器 . 6 4.3.1 集成混沌激光器分类 . 6 4.3.2 单片集成混沌激光器 . 6 4.3.3 片上混合集成混沌 激光器 . 8 4.3.4 模块化集成混沌激光器 . 9 5 集成混沌激光器关键技术及难点分析 . 10 5.1 单片集成混沌 激光器的关键技术 . 10 5.2 片上混合集成混沌激光器的关键技术 . 10 5.3 模块化集成混沌激光器的关键技术 . 11 5.4 三种集成 混沌激光器对比 . 11 6 总结 . 11 参考文献 . 12 1 保 密通 信 用混沌 激 光器 研 究 1 引言 信息安全不仅事关国家稳定、财产安全、隐私保护等诸多方面，它也已融入人类生活的方方面面，而构建安全的网络环境更是我国的重要战略目标。据美国 Verizon 电信公司发布的 2015 数据泄露调查报告显示，福布斯上榜的大多数中国企业都曾经遭受过不同程度的黑客攻击或信息泄露。在这种情况下，国家不得不采取先进的保密通信技术，以确保国家的机密信息不被盗取。 现有的保密通信技术包括基于算法加密技术和基于物理层保密通信技术两大类：基于算法加密技术 主要集中在网络层 及以上各层，大多是利用复杂的公式计算对信息进行加密，虽然该方法产 生密钥的 方式较简单，但随着计算机运算速度的提升，基于算法密钥存在 着 很大的安全隐患；基于物理层保密通信技术 是在物理层利用量子态、无线信道和混沌等特性来实现有效的安全通信，而其中基于混沌特性的物理层保密通信技术因为具有高速加密、易于工程化等特点，受到了国内外相关机构的重点关注。 目前，国内外还没有保密通信 用混沌激光器 的相关标准，为了及时了解 该技术 ，引导不同开发团体按照明确目标有序开发，便于后续的行业标准的制定，特开展保密通信用混沌激光器研究。本课题主要研究保密通信用混沌激光器的关键技术。 2 缩略语 下列缩略语 适用于本文件。 CSC 混沌保密通信（ Chaos Secure Communication） DFB 分布式反馈（ Distributed Feedback） DPW 掺杂无源光波导（ Doped Passive Waveguide） LD 激光器二极管（ Laser Diode） PD 光电探测器（ Photodetector） QKD 量子密钥分发（ Quantum Key Distribution） QWI 量子阱混合（ Quantum Well Intermixing） SOA 半导体光放大器（ Semiconductor Optical Amplifier） 3 物理层保密通信技术发展现状 3.1 量子保密通信 量子保密通信的研究目前主要集中在量子密钥分发（ QKD）。 QKD 是一种基于物理层的密钥分发方案，密钥信息通过量子态来编码，窃听者不能对量子密钥进行分流和拷贝，从原理上来讲， QKD 是无条件安全的。 QKD 研究已经取得重要进展， 2016 年， “ 京沪干线 ” 量子保密通信示范线路已经竣工。从工程应用上讲该技术尚存在一些技术难点，如高效的单光子源制备困难、传输速率低、成码率低等。 3.2 基于公共信道特征的保密通信 Maurer、 Ahlswede 和 Csiszr 最早提出基于公共信道特征实现密钥共享与分发。其原理是：公共噪声信道特征的变化具有自主随机性，并可作为物理随机信号源。根据信道的 “ 短时互易性 ” ，合法通信双方通过导频信号测量得到 “ 短时一致 ” 的噪声信道特征。通过协商将上述信道特征转换为相关密钥并最终实现密钥分发。而窃听者在窃取信道特征过程中会引入新的噪声， 使得 测量存在误差， 导致窃听者无法准2 确获得密钥， 从而保证了密钥分发的安全。 目前，基于公共信道特征的密钥分发方案主要有两类：基于无线信道 特征的密钥分发与基于有线信道特征的密钥分发。前者主要利用空间信道的多径衰落形成噪声信道特征，并应用于近程无线通信，如无线广播 、 蓝牙传输等，然而 其 典型速率仅为 22bps，密钥生成速率低是该方案亟待解决的问题；后者主要利用光纤信道的相位振荡形成噪声信道特征，并应用于基于光纤的远程通信，如光载波通信等，典型密钥生成速率为 160bps,较前者速率虽然有所提高，但依然无法与现代高速通信速率匹配。 此外，上述方案通常需要结合后续信息调和处理过程来降低密钥的不一致率，而该过程会泄露少量私钥给窃听者，在一定程度上削弱了密钥 分发的安全性。 3.3 基于混沌激光的保密 通 信 混沌信号的显著特点是对初值和系统参数的敏感性，具有类噪声的宽频谱，在不知道发射机系统结构和参数的情况下，解调或重构混沌信号在理论上是不可能的。 由于 CSC与传统通信系统完全兼容 ，所以 近年来，混沌激光在保密通信领域显示了良好的应用前景，受到了广泛关注。 当前，基于混沌激光的保密通信的主流技术主要集中在以下两个方面： a） 以混沌激光为隐藏载波的保密通信技术。将所传输的高速信号隐藏在发射端混沌激光器产生的混沌载波中。 接收端混沌激光器 与发射端混沌激光器结构、性能相同 ， 由于混沌同步而产生相同的混沌信号 ，经过两端信号相减就可以提取出所传输的高速信号。该通信技术适用于目前高速、长距离、低误码率的信息传输，可在现已铺设的光纤链路中实现 CSC 与现行光纤通信系统兼容 ，图 1 为典型的基于混沌激光的保密通信系统示意图 。欧盟第五届科技框架计划设立了 “ 利用半导体激光器实现混沌光通信 ” 研究专题，已在希腊雅典通过 120km 的商用光通信网络，实现了 1Gbit/s 的 CSC1，显示出巨大的应用潜力。 图 1 基于混沌激光的保密通信系统示意图 b）基于混沌激光的高速物理密钥加密技术。利用混沌激光的随机性、宽频谱等特性，通过高速模数转换之后产生 Gbit/s 量级的物理密钥，利用该密钥对明文进行 “ 一次一密 ” 加密，可实现安全的保密通信。 其中，系统接收端使用的混沌激光器结构、性能与发射端相同。 近年来，国内外基于混沌激光的高速物理密钥产生技术不断取得重要进展，已离线获得速率高达数百 Gbit/s 甚至 Tbit/s 的密钥，速率为4.5Gbit/s 的实时密钥发生器也已研制成功。 4 混沌激光器技术 4.1 混沌激光的产生技术 、 基本特征 及技术参数 4.1.1 产生技术 在混沌激光产生方面，国内外学者进行了大量的研究。半导体激光器具有重量轻、体积小、转换效 3 率高、寿命长、集成性强等特点而成为研究者产生混沌激光的最主要器件之一。 半导体激光器在外部扰动下可呈现诸如低频起伏、周期振荡以及混沌等非线性动态现象 2,3。利用半导体激光器产生混沌激光典型的方式包括以下三种： a）光反馈方式 图 2 光反馈方式产生混沌激光示意图 激光器的一部分输出光经过外部反射镜反射回到激光器有源区，形成光反馈，产生混沌激光。控制参量为 激光器驱动电流、 反馈强度和时间延迟 ，其中 反馈强度为反馈光与激光器输出光的幅度或功率之比，时间延迟为激光器到反射镜之间的往返时间。 b）光注入方式 图 3 光注入方式产生混沌激光示意图 将一台激光器 (主激光器 )的输出光作为外部扰动注入到另一台半导体 激 光器 (从激光器 )，产生混沌激光。控制参量为注入强度和光频失谐 (主从激光器的光频差 )。 c）光电反馈方式 图 4 光电反馈方式产生混沌激光示意 图 将激光器的输出光经过 PD 转化为电信号，给激光器的驱动电流提供反馈，产生混沌激光。反馈参数为反馈强度和回路的延迟时间。电流反馈实际上调制了驱动电流，反馈强度则相当于调制深度。 4.1.2 基本特征 1）时序 波形 4 混沌激光的 时序 波形 呈现不规则起伏波动，幅度较大。 其 具有类随机性 ，是判断激光器处于混沌状态的主要依据 。 典型的混沌激光时序波形如图 5 所示 。 图中 黄色 曲线 为噪声信号 ，粉红色曲线为混沌信号。 图 5 典型混沌时序图 2）光谱 混沌激光的光谱为一个具有很大频率覆盖范围的包络，典型的光谱如图 6 所示。 图中黑色曲线为典型 DFB 激光器 的 稳态输出 光谱 ，红色曲线为混沌激光 的 光谱。 图 6 典型混沌激光光谱图 3）频 谱 混沌激光的频谱 呈现连续性抬升，频率成分复杂 。 一个 理想 的混沌激光 信号 的 频谱 应具有 平坦 、宽带的频率分布。典型的混沌激光频 谱 如图 7 所示。 图中 黄 色曲线为 频谱仪 的 基底 ， 蓝 色曲线为混沌激光的 频 谱。 图 7 典型混沌激光 频谱示意图 4）自相关曲线 5 自相关曲线 反映 了混沌激光的 随机特性 。理想混沌激光 的自相关曲线是类似图钉型的 函数 曲线，如图 8 所示。但光反馈或光注入形式产生的混沌激光，由于固定外腔的存在会导致其外腔模式 反映在自相关曲线 中，表现为主峰附近有一个或多个旁瓣的存在，呈现一定的弱周期特性。 图 8 典型混沌自相关曲线图 5)排列熵 排列熵 用于量化分析时间序列的不可预测性。排列熵值越大代表其随机性越强，不可预测性越高，而排列熵值越小则该时间序列越规则且容易预测。当排列熵值等于 1 时对应的时间序号是完全随机信号，而排列熵值等于 0 时对应的是完全有序的时间序列，一般排列熵为 0.4 左右时表明此时系统进入弱混沌状态。结合采集的时序数据，使用 一定量 的数据点，通过 特 定算法可计算出 排列熵 。 6)李雅普诺夫指数 李雅普诺夫指数 用来反映系统动力学行为对初始条件的敏感性，它刻画了多次迭代中平均每次迭代所引起的指数分离，当李雅普诺夫指数大于零时可作为系统混沌行为的判据。 结合 采集的时序数据，使用 一定量 的数据点， 通过 特 定算法可计算出 李雅普诺夫指数。 4.1.3 主要参数指标 表 1 混沌激光的主要参数指标 主要参数 技术指标 单位 工作波长 1310 1550 nm 输出光功率 -10 dBm 光谱 -3dB 线宽 50 GHz 频谱 -3dB 带宽 3 GHz 频谱平坦度 6 dB 直流偏置输出 峰峰值 10 mV 自相关曲线旁瓣水平 -30 dB 李雅普诺夫指数 0 - 排列熵 0.4 1 - 4.2 分立元件混沌激光源 分立元件混沌激光器多是利用各种分立光学元件搭建而成。例如 图 9 为太原理工大学 利用光纤环反馈6 法 产生混沌 激 光 的实验装置图 ， 其产生的混沌激光频谱 平坦， 带宽可以 超过 26.5GHz。 但是 这种混沌激光信号源 存在构成的分立元件多、体积较大、易受环境影响等问题，工艺稳定性和产品可靠性存在缺陷，严重限制了混沌激光实用化的推广速度。 a)实验装置图 b）混沌激光的频谱图 图 9 太原理工大学利用光纤环反馈法产生混沌 示意图 4.3 集成混沌激光器 4.3.1 集成混沌激光器分类 集成的混沌激光器件相对分立激光器在工艺稳定性、产品可靠性和小型化方面有较大优势，可为混沌激光器件的产品化和产业化提供了保证，对于 CSC 技术的成熟和发展具有积极的促进作用，具有广阔的市场前景。 根据现有技术方案，集成混沌激光器主要分为以下三类： 单片集成混沌激光器； 片上混合集成混沌激光器； 模块化混沌激光器。 4.3.2 单片集成混沌激光器 单片集成混沌激光器是将激光器、扰动元件及其他相关功能元件在同一衬底材料上制作而成，目前存在以下几种结构。 a）单腔四段式结构 2008 年 5 月，希腊雅典大学信息与通信部光通信实验室和德国海因里希 -赫兹研究院弗劳恩霍夫电信研究所提出了一个新型的光子集成芯片 4，如图 10 所示，该芯片由 DFB 激光器区、增益吸收区、相区和末端镀有高反膜的无源波导组成，采用选区外延法生长而成。其中，无源波导末端所镀的高反膜为 DFB 激光器提供单腔反馈，增益吸收区和相区可以 分别控制、调节反馈光的强度和相位，使其能够产生高维的可控宽带混沌信号。