得益于半導(dǎo)體技術(shù)和信息技術(shù)的高速發(fā)展,光通信的通信容量得到了極大的增長(zhǎng),而且通信的可靠性也有了很高的保障。然而層出不窮的信息泄露事件讓通信的安全隱患暴露出來,保密通信技術(shù)也因此成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)。在物理層進(jìn)行加密的混沌激光保密通信以其高安全性和高速率的優(yōu)點(diǎn)受到了研究者們廣泛的關(guān)注;另外,攜帶軌道角動(dòng)量(OAM:orbital angular momentum)的光渦旋因其獨(dú)特的螺旋相位和檢測(cè)特性也能夠賦予光通信系統(tǒng)一定的安全性。本論文著眼于光通信系統(tǒng)的安全性,對(duì)基于混沌激光和光渦旋的保密通信系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。具體內(nèi)容如下:(1)介紹了混沌的基本特性,混沌激光的幾種常見產(chǎn)生方式以及同步理論。然后實(shí)驗(yàn)搭建了基于非線性光電延時(shí)反饋的混沌激光產(chǎn)生和同步系統(tǒng),并且在兩種短距離多模光纖(MMF:multimode fiber)中實(shí)現(xiàn)了高速保密通信,實(shí)驗(yàn)測(cè)試了兩種調(diào)制格式信號(hào)傳輸?shù)陌踩浴?2)簡(jiǎn)要介紹了光渦旋的一些特性、產(chǎn)生和檢測(cè)技術(shù)。搭建自由空間的單路和多路光渦旋產(chǎn)生和檢測(cè)系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)研究了光場(chǎng)被部分遮擋時(shí)對(duì)OAM功率譜測(cè)量的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于光渦旋的自由空間通信系統(tǒng)具有物理層的安全屬性。(3)先對(duì)光反饋系統(tǒng)的混沌產(chǎn)生和同步原理進(jìn)行了介紹和仿真,然后實(shí)驗(yàn)搭建了兩套獨(dú)立的混沌激光源,并利用光注入技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高效的混沌同步,接著與兩個(gè)光渦旋模式的空間復(fù)用相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了兩路信息的高速保密傳輸,實(shí)驗(yàn)證明該通信系統(tǒng)不僅能提高通信容量,還可以使通信的安全性大幅提升。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN918
【部分圖文】：

的信息隱藏起來，這樣就形成了密文；即使竊聽者竊取到了信號(hào)，在不知道密鑰或者加密手段的前提下是很難從密文中提取出信息的；解密過程就是加密的逆過程，合法的接收方利用共享的密鑰從接收到的密文中提取出信息。1.2.1 數(shù)字加密加密是避免信息被竊取和被非法修改的有效手段。傳統(tǒng)的加密方式是基于公共密鑰的數(shù)字加密體系[3]，一般是在應(yīng)用層對(duì)數(shù)字信息施加密鑰來加密，例如 1978 年由 RonRivest、AdiShamir 和 LeonardAdleman 三位學(xué)者提出的 RSA 方案[6]，1991 年提出的 DSA（DSA: digital signature algorithm）算法[7]等等，但是它們不是絕對(duì)安全的，山東大學(xué)的王小云教授已經(jīng)于 2005 年將兩個(gè)用于生成公共密鑰的 Hash 函數(shù)破解了[8,9]。伴隨計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字密鑰的安全屏障已不再那么固若金湯。

圖 1-2 量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)（a）接收機(jī)與（b）發(fā)射機(jī)[12]沌保密通信混沌的概念被首次提出以來，研究者們 就注意到了其在保密通信領(lǐng)�；煦绗F(xiàn)象在各個(gè)領(lǐng)域都有出現(xiàn)，例如氣象學(xué)[13]和天文學(xué)[14]等等。簡(jiǎn)象是一種源于確定的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的隨機(jī)行為，它的典型特性是敏感性和長(zhǎng)期不可預(yù)知性�；煦缧盘�(hào)的時(shí)域波形和頻譜都和噪聲信號(hào)的不同點(diǎn)在于前者可以通過混沌同步現(xiàn)象來“復(fù)制”。待加密的信息就亂的混沌信號(hào)中來進(jìn)行保密傳輸。與前面提到的數(shù)字加密體系不同，層面的加密手段，安全性在于系統(tǒng)的硬件參數(shù)，若竊聽者無法破解混數(shù)，就無法從截獲到的類似噪聲的信號(hào)中提取出有用的信息。受益于技術(shù)和激光器技術(shù)，現(xiàn)如今混沌信號(hào)已經(jīng)可以十分方便地由電路系統(tǒng)

圖 1-3 （a）OAM 的環(huán)狀光場(chǎng)分布，（b）螺旋相位波前[21]1.3 混沌保密光通信和光渦旋通信的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展1.3.1 混沌激光保密通信的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展在激光器發(fā)展的早期，其中出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性和不規(guī)則脈沖就引起了大家的注意。十九世紀(jì) 60 年代紅寶石固體激光器出現(xiàn)幅度變化不規(guī)則的脈沖首次被報(bào)道22。這個(gè)現(xiàn)象在后來被認(rèn)為是混沌激光的首次實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，但是受限于當(dāng)時(shí)的認(rèn)知水平，并沒有得到合理解釋或者被誤認(rèn)為是激光器噪聲。但是在 Lorenz 發(fā)現(xiàn)了“初始狀態(tài)的敏感性”后情況有所改變，這一特性后來被成為“蝴蝶效應(yīng)”[23]并且廣為流傳。其后關(guān)于混沌學(xué)的研究正式興起。而對(duì)于混沌激光的研究則開始于上世紀(jì) 80 年代，因?yàn)橹钡侥莻�(gè)時(shí)候激光器技術(shù)和相應(yīng)的理論研究才逐步完善起來，使得人們對(duì)于激光器中的不穩(wěn)定現(xiàn)象有了新的認(rèn)識(shí)。激光器的不穩(wěn)定行為在有外部擾動(dòng)的情況下更加容
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