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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guò)90%的網(wǎng)絡(luò)流量都是通過(guò)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(chǎng)景中，網(wǎng)絡(luò)信息都存在被竊聽(tīng)的風(fēng)險(xiǎn)。因此非常有必要對(duì)光纖中的高速光信號(hào)進(jìn)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(hào)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(hào)隱藏在混沌信號(hào)中，或者通過(guò)符號(hào)動(dòng)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(dòng)力學(xué)系統(tǒng)比較復(fù)雜，系統(tǒng)對(duì)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(guò)分發(fā)的密鑰實(shí)現(xiàn)保密通信[1]。混沌光通信作為一種物理安全技術(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(zhǎng)期獨(dú)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(kāi)展了許多關(guān)于混沌激光動(dòng)力學(xué)特性觀測(cè)的實(shí)驗(yàn)，并且提出了許多激光器模型，用來(lái)解釋相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)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(jī)數(shù)產(chǎn)生和安全密鑰分配等?；煦缦到y(tǒng)對(duì)初始條件非常敏感，使它們難以預(yù)測(cè)，具有在數(shù)據(jù)傳輸中提供高級(jí)別隱私的潛力。因此，混沌光通信在實(shí)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(guò)許多混沌光通信實(shí)驗(yàn)得到證明?；煦绲漠a(chǎn)生技術(shù)可以基于不同光學(xué)元器件的非線性進(jìn)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?tīng)栒{(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(jìn)行了混沌保密光通信的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，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(guò)120 km，說(shuō)明了混沌保密光通信系統(tǒng)在長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)了10 Gbit/s 的正交相移鍵控（QPSK,quadrature phase-shift keying）信號(hào)的傳輸，傳輸距離超過(guò)100 km[7]，并且使用相位調(diào)制器產(chǎn)生的相位混沌來(lái)增強(qiáng)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(jì)學(xué)方法如自相關(guān)函數(shù)、互信息和極值統(tǒng)計(jì)可用于獲得反饋時(shí)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(tīng)者獲得時(shí)延特征，就可以估計(jì)出其他所有硬件參數(shù)。因此，完全隱藏時(shí)延特征對(duì)于增強(qiáng)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(lái)隱藏時(shí)延特征。例如，選擇激光弛豫頻率附近的反饋時(shí)延可用于隱藏時(shí)延[11]，但代價(jià)是降低了混沌復(fù)雜度。因此，需要研究有效的時(shí)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(wèn)題之后，提升混沌光通信的傳輸容量和距離對(duì)于實(shí)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(dòng)力學(xué)特性來(lái)進(jìn)行分類，包括半導(dǎo)體激光器、馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器、馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x和可調(diào)色散補(bǔ)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(dòng)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(lái)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(guò)光注入產(chǎn)生混沌，其中來(lái)自一個(gè)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(gè)激光器的頻率失諧并且注入強(qiáng)度很小時(shí)，可以觀察到混沌。圖1(c)顯示了通過(guò)光電反饋產(chǎn)生混沌，其中光電探測(cè)器檢測(cè)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?tīng)栒{(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?tīng)枺∕ZM,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(gè)激光器組成，其中一個(gè)激光器的輸出由閉合的電光反饋時(shí)延環(huán)調(diào)制，其非線性元件是高速馬赫-曾德?tīng)栤壦徜囌{(diào)制器，該調(diào)制器具有低的半波電壓。光電探測(cè)器用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)被放大后再反饋給調(diào)制器。只要轉(zhuǎn)換的電信號(hào)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(jìn)而產(chǎn)生混沌。另一個(gè)激光器的輸出用來(lái)調(diào)制被加密的信號(hào)，并且它的輸出通過(guò)光耦合器與混沌信號(hào)混合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的掩蓋。另外，被加密的信號(hào)參與混沌生成過(guò)程，擾亂了混沌動(dòng)力學(xué)特性，從而進(jìn)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?tīng)栒{(diào)制器的高帶寬[14]。

圖2 基于馬赫-曾德?tīng)栒{(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?tīng)栒{(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(gè)維度的非線性和雙時(shí)延反饋的動(dòng)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?tīng)柛缮鎯x

Lavrov 等[16]在2009 年提出了光學(xué)相位混沌系統(tǒng)，因?yàn)橄辔换煦缇哂泻愣ǖ恼穹?，可以增加其破解的難度。圖4 將圖2 中的馬赫-曾德?tīng)枏?qiáng)度調(diào)制器用相位調(diào)制器代替。馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x用于將相位信號(hào)轉(zhuǎn)換成強(qiáng)度信號(hào)，再經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，最后經(jīng)電放大器放大后，作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)加入相位調(diào)制器。在該系統(tǒng)中，非線性來(lái)自馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x而不是相位調(diào)制器。這個(gè)系統(tǒng)由Lavrov 等[7]于2010 年在現(xiàn)有的商用光網(wǎng)絡(luò)中實(shí)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(chǎng)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(bǔ)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(bǔ)償器的相位混沌系統(tǒng)[17]，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。因?yàn)樾枰邮斩撕桶l(fā)射端具有相同的色散曲線才能實(shí)現(xiàn)混沌同步解密，可以進(jìn)一步增加混沌系統(tǒng)的復(fù)雜度。通過(guò)可調(diào)色散補(bǔ)償器將光學(xué)相位變化轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)變化，從而使相位的變化能夠被光電探測(cè)器檢測(cè)到，被檢測(cè)的光強(qiáng)變化信號(hào)經(jīng)過(guò)電放大器放大，被放大后的電信號(hào)進(jìn)入相位調(diào)制器中，并且再次將強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換成相位信號(hào)，從而形成一個(gè)振蕩環(huán)。在此系統(tǒng)中，可調(diào)色散補(bǔ)償器代替馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x實(shí)現(xiàn)相位到強(qiáng)度的轉(zhuǎn)化，作為非線性器件實(shí)現(xiàn)混沌生成。

圖5 基于可調(diào)色散補(bǔ)償器的相位混沌產(chǎn)生方案

3 最新研究進(jìn)展

自從2005 年人們首次進(jìn)行混沌保密光通信的現(xiàn)場(chǎng)演示以來(lái)[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(shí)，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(lái)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(wèn)題，增加混沌保密光通信的傳輸容量和距離對(duì)于實(shí)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(qiáng)

3.1.1 隱藏時(shí)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(jì)可用于獲得時(shí)延特征[10]，此外，功率譜分析方法也可用于獲取時(shí)延特征[9]。時(shí)延特征是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)時(shí)延可以很容易地估計(jì)其他硬件參數(shù)。因此，時(shí)延特征泄露的可能性成為混沌光通信中的嚴(yán)重問(wèn)題。為了提高混沌光通信的安全性，隱藏時(shí)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(shí)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(shí)延隱藏方法。

1)全光反饋混沌系統(tǒng)中的時(shí)延特征消除

對(duì)于全光反饋的混沌系統(tǒng)，人們已經(jīng)提出了各種方法來(lái)隱藏時(shí)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(shí)延，并且讓激光器處于中等反饋，則可以隱藏時(shí)延特征[11]。圖6 表示不同反饋強(qiáng)度的自相關(guān)函數(shù)和互信息，垂直虛線表示時(shí)延特征。結(jié)果表明，當(dāng)反饋強(qiáng)度較低，并且反饋時(shí)延和弛豫振蕩時(shí)間接近時(shí)，可以隱藏時(shí)延特征。但是，相關(guān)研究表明，通過(guò)檢測(cè)光學(xué)相位的自相關(guān)特性也可用于獲得時(shí)延特征[19]。

圖6 不同反饋強(qiáng)度的自相關(guān)函數(shù)和互信息

為了能夠在相位上隱藏時(shí)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(qiáng)度和相位上的時(shí)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(shí)延標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖8 所示，2 個(gè)反射鏡形成雙外腔反饋，通過(guò)調(diào)節(jié)2 個(gè)腔反饋強(qiáng)度和腔長(zhǎng)，最終可有效削弱時(shí)延標(biāo)簽[21]，并且該結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。

圖8 基于雙外腔反饋的時(shí)延隱藏方案

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

圖9 基于非相干反饋的時(shí)延隱藏方案

分布式反饋也能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)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(shí)現(xiàn)時(shí)延特征的削弱。由于光纖布拉格光柵對(duì)不同光頻率成分具有不同的群時(shí)延，使時(shí)間周期被破壞，導(dǎo)致時(shí)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(duì)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(shí)延隱藏[24]，同時(shí)該方案還可以增加密鑰空間[25]。

圖10 基于分布式反饋的時(shí)延隱藏方案

圖11 給出了一種新的隱藏時(shí)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(bǔ)償器[26]。由于色散補(bǔ)償器的存在，混沌載波的不同頻率分量經(jīng)歷不同的時(shí)延，因此時(shí)間周期被破壞并且時(shí)延特征消失。結(jié)果表明，當(dāng)色散值足夠大時(shí)，對(duì)于時(shí)間序列和功率譜分析方法，時(shí)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(bǔ)償模塊的時(shí)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(shí)延特征消除

對(duì)于電光反饋系統(tǒng)，為了隱藏電光反饋混沌系統(tǒng)的時(shí)延特征，研究人員通過(guò)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(qiáng)度混沌和電光的相位系統(tǒng)是級(jí)聯(lián)的[27]。然而，由于整個(gè)傳輸過(guò)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(lái)獲得其時(shí)延特征[19]。

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

另外，研究人員提出一種方案來(lái)徹底隱藏電光混沌系統(tǒng)中的時(shí)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(shí)延系統(tǒng)，其包含2 個(gè)時(shí)延鏈路，并且每個(gè)鏈路具有2 個(gè)電光相位調(diào)制器（PM,phase modulator）。在每個(gè)鏈路中，第一相位調(diào)制器由外部信號(hào)驅(qū)動(dòng)，該外部信號(hào)分別是信息和數(shù)字密鑰；第二個(gè)相位調(diào)制器由另一鏈路的輸出驅(qū)動(dòng)。在該方案中，馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x以非線性方式將相位變化轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度變化，光電探測(cè)器用于檢測(cè)強(qiáng)度變化，然后將信號(hào)放大后通過(guò)驅(qū)動(dòng)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(shí)延閾值時(shí)，可以發(fā)生時(shí)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(shí)延消除方案

基于圖15 的裝置，研究人員進(jìn)一步提出了具有2 個(gè)并行時(shí)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(gè)非線性時(shí)延差分處理環(huán)路。只有一個(gè)回路的輸出傳輸?shù)浇邮斩耍硪粋€(gè)回路保持在反饋環(huán)的內(nèi)部。該裝置可以在沒(méi)有外部數(shù)字密鑰的情況下隱藏內(nèi)部時(shí)延，這與參考文獻(xiàn)[28]中的裝置不同。實(shí)際上，當(dāng)環(huán)路并聯(lián)耦合并且每個(gè)環(huán)路具有不同的差分時(shí)延時(shí)，內(nèi)部環(huán)路的動(dòng)力學(xué)特性與發(fā)送信號(hào)不相關(guān)，因此該系統(tǒng)本質(zhì)上隱藏了內(nèi)部時(shí)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(shí)延消除方案

圖16 基于可調(diào)色散補(bǔ)償模塊的時(shí)延消除方案

圖16 給出了利用可調(diào)色散補(bǔ)償模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)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(bǔ)償模塊，也稱為頻率相關(guān)群時(shí)延模塊，通過(guò)對(duì)混沌載波的不同頻率分量產(chǎn)生不同的時(shí)延，使時(shí)間周期被破壞并且時(shí)延特征消失。圖17 展示了時(shí)延消除結(jié)果。從圖17 可以看出，對(duì)于不同的色散曲線，混沌的時(shí)延特征在時(shí)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(shí)延特征的隱藏方法采用了組合混沌裝置，并且通過(guò)時(shí)域處理實(shí)現(xiàn)了時(shí)延特征的隱藏。只有圖16 給出的可調(diào)色散補(bǔ)償模塊方案，其時(shí)延特征隱藏是通過(guò)頻域處理實(shí)現(xiàn)的。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)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(bǔ)償模塊即可，易于實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。

3.1.2 增加混沌復(fù)雜度

圖17 不同色散曲線下時(shí)延消除的結(jié)果

為了進(jìn)一步增強(qiáng)混沌保密光通信的安全性，除時(shí)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(guò)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(shí)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(qiáng)[28-29]。另外，圖15 的配置中的內(nèi)部時(shí)延也會(huì)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?yàn)榉蔷€性源于集成的四波光學(xué)干涉儀，涉及2 個(gè)獨(dú)立的電光調(diào)制器的輸入[15]?？傊煦鐝?fù)雜度的提高伴隨著混沌生成裝置復(fù)雜性的提高，同時(shí)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(shí)驗(yàn)中，本文將具有精確溫度控制系統(tǒng)的多個(gè)G-T 腔級(jí)聯(lián)，設(shè)計(jì)了一個(gè)頻率相關(guān)群時(shí)延光模塊。每個(gè)G-T 腔的硬件參數(shù)都盡可能相同，并可通過(guò)工藝控制確保參數(shù)相同，腔長(zhǎng)可通過(guò)溫度獨(dú)立控制。G-T 腔數(shù)越多，可組合產(chǎn)生的時(shí)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(shí)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(gè)G-T 腔組成頻率相關(guān)群時(shí)延模塊光模塊，其中每個(gè)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(shí)延模塊的3D 結(jié)構(gòu)，理論上激光在腔內(nèi)無(wú)損傳輸，每個(gè)G-T 腔的群時(shí)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(zhǎng)，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(zhǎng)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(gè)G-T 腔的群時(shí)延曲線如圖18(b)所示。通過(guò)控制腔溫度，腔長(zhǎng)會(huì)根據(jù)所用半導(dǎo)體的熱延展性變化，從而改變?nèi)簳r(shí)延曲線的自由頻譜范圍，導(dǎo)致群時(shí)延曲線峰值位置的中心頻率偏移。頻率相關(guān)群時(shí)延模塊的群時(shí)延曲線是所有G-T 腔群時(shí)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(guò)高精度調(diào)節(jié)每個(gè)G-T腔的溫度可改變頻率相關(guān)群時(shí)延模塊曲線的形狀，分析每個(gè)G-T 腔溫度改變帶來(lái)的同步系數(shù)劣化，可量化評(píng)估頻率相關(guān)群時(shí)延模塊引入的數(shù)字密鑰。

圖18 群時(shí)延模塊和群時(shí)延曲線

為了更直觀地表示同步誤差對(duì)信號(hào)性能的影響，本文采用誤碼率的劣化來(lái)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(lái)自混沌同步性能的劣化。圖19(a)展示了單個(gè)G-T 腔中心頻率偏移對(duì)于解密后信號(hào)誤碼率的影響。從圖19(a)可以看出，當(dāng)單個(gè)G-T 腔中心頻率偏移200 MHz 時(shí)，解密信號(hào)誤碼率（BER,bit error rate）劣化為1×10-2，可認(rèn)為無(wú)法正確解密，對(duì)應(yīng)于圖中的同步誤差劣化0.2。此外還可得出G-T 腔時(shí)延峰值頻率對(duì)應(yīng)混沌頻譜中心位置時(shí)，對(duì)頻率失配更敏感。

圖19(b)展示了16 個(gè)G-T 腔級(jí)聯(lián)組成的群時(shí)延模塊中每個(gè)腔中心頻率偏移對(duì)于解密后信號(hào)誤碼率的影響。當(dāng)多個(gè)腔級(jí)聯(lián)時(shí)，時(shí)頻曲線變得非常復(fù)雜，因此解密信號(hào)性能對(duì)頻率失配的敏感度要遠(yuǎn)高于單個(gè)G-T 腔情況。即使對(duì)于時(shí)延峰值對(duì)準(zhǔn)混沌頻譜邊緣的G-T 腔，頻率失配10 MHz 也會(huì)導(dǎo)致解密信號(hào)誤碼率劣化到1×10-2，無(wú)法正常解密。而對(duì)應(yīng)時(shí)延峰值對(duì)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(duì)于解密信號(hào)性能的影響

實(shí)際使用中需要綜合考慮合法用戶的解密難度和對(duì)安全性的要求等級(jí)，設(shè)計(jì)具有所需溫度特性的G-T 腔，現(xiàn)有的熱敏電阻可探測(cè)0.001℃的溫度變化，從而實(shí)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(duì)應(yīng)0.67 MHz 的頻率調(diào)諧精度。以10 MHz 為刻度進(jìn)行調(diào)諧，對(duì)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(gè)G-T 腔提供的密鑰空間為，對(duì)應(yīng)的溫度調(diào)諧范圍為15℃。由于每個(gè)G-T 腔的溫度均獨(dú)立控制，16 個(gè)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(qiáng)混沌光通信系統(tǒng)的安全性。同時(shí)由于設(shè)計(jì)的群時(shí)延模塊具有批量可生產(chǎn)性和重復(fù)性，因此是現(xiàn)實(shí)混沌光通信系統(tǒng)中增強(qiáng)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(shí)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(dòng)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(shí)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(píng)估混沌光通信系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)?；煦缧盘?hào)對(duì)色散非常敏感，因此在大多數(shù)實(shí)驗(yàn)演示中傳輸距離限制在100 km 左右。接下來(lái)，本文將介紹混沌光通信的系統(tǒng)研究進(jìn)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(jìn)行10 MHz 信息傳輸。2001 年，Tang 等[35]通過(guò)混沌脈沖導(dǎo)體激光器的同步實(shí)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(shí)現(xiàn)了1.5 GHz正弦波信號(hào)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(shí)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(guò)20 GHz，因此預(yù)計(jì)能夠支持幾十Gbit/s的信號(hào)加密。2005 年，Annovazzi-Lodi 等[38]通過(guò)光纖鏈路實(shí)現(xiàn)了2.4 GHz 標(biāo)準(zhǔn)電視信號(hào)加密傳輸，這是混沌保密光通信在真實(shí)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)2.5 Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸。在這個(gè)方案中，只有授權(quán)的對(duì)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(guó)貝桑松市部署的超過(guò)20 km的全光纖環(huán)網(wǎng)上進(jìn)行10 Gbit/s信號(hào)加密傳輸?shù)默F(xiàn)場(chǎng)演示[7]，這是混沌保密光通信現(xiàn)場(chǎng)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(hào)均采用二進(jìn)制強(qiáng)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(hào)，頻譜效率非常低。圖20通過(guò)雙二進(jìn)制調(diào)制碼型壓縮信號(hào)的帶寬，來(lái)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(hào)為30 Gbit/s 的非歸零信號(hào)，系統(tǒng)的濾波作用使信號(hào)變成了帶寬為10 GHz，速率為30 Gbit/s的雙二進(jìn)制信號(hào)，因此，被加密的信號(hào)能夠被10 GHz 帶寬的混沌信號(hào)完全掩蓋，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)30 Gbit/s 的雙二進(jìn)制信號(hào)加密傳輸，并通過(guò)色散補(bǔ)償技術(shù)對(duì)光纖傳輸過(guò)程中的色散進(jìn)行補(bǔ)償。傳輸過(guò)程采用了色散補(bǔ)償光纖和可調(diào)色散補(bǔ)償器做色散補(bǔ)償，圖21(a)～圖21(d)分別為原始電信號(hào)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(duì)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(hào)，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(jìn)制信號(hào)。該實(shí)驗(yàn)演示了30 Gbit/s 信號(hào)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(jìn)制信號(hào)的混沌加密傳輸

圖21 30 Gbit/s 信號(hào)加密解密實(shí)驗(yàn)結(jié)果

近年來(lái)，隨著數(shù)字信號(hào)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(hào)處理技術(shù)來(lái)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(wú)法完全消除發(fā)射端加入的混沌掩蓋信號(hào)，這部分無(wú)法被完全消除的混沌信號(hào)將作為噪聲加入被加密的信號(hào)中，使發(fā)射端的信噪比嚴(yán)重下降，無(wú)法實(shí)現(xiàn)解密。然而，實(shí)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(guò)前向均衡器、volterra 濾波器和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)對(duì)由于物理器件參數(shù)失配導(dǎo)致的不同步的混沌信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償[55]，裝置如圖22 所示。在訓(xùn)練階段，需要通過(guò)光電探測(cè)器5 探測(cè)未與被加密信號(hào)混合的混沌信號(hào)，并將該混沌信號(hào)作為目標(biāo)值，對(duì)接收端的濾波器參數(shù)進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖23 所示。從圖23 可以看出，在經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)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(bǔ)償裝置

圖23 混沌同步誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)驗(yàn)結(jié)果

從研究進(jìn)展來(lái)看，隨著激光器、調(diào)制器、光電探測(cè)器和電子放大器等電光元件的帶寬增加，以及先進(jìn)的光信號(hào)處理和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，有可能實(shí)現(xiàn)具有更高速率和更長(zhǎng)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(jìn)步飛速，也曾在希臘和法國(guó)的商用光纖網(wǎng)進(jìn)行過(guò)現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試，但始終無(wú)法進(jìn)行規(guī)模化應(yīng)用，其根本原因在于高安全性和實(shí)現(xiàn)難度是一對(duì)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(shí)現(xiàn)多對(duì)節(jié)點(diǎn)的匹配非常困難，需要從多個(gè)激光芯片去尋找配對(duì)，成本過(guò)高?；谕庹{(diào)制器的光電光反饋匹配相對(duì)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(duì)矛盾，實(shí)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(wèn)題。

截至目前，混沌光通信系統(tǒng)的最高實(shí)現(xiàn)記錄是速率30 Gbit/s，傳輸距離不超過(guò)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(hào)難以產(chǎn)生，高階調(diào)制信號(hào)抗噪聲能力差等因素。傳輸距離不長(zhǎng)主要受限于混沌信號(hào)對(duì)非線性和色散非常敏感，長(zhǎng)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(jìn)制直接檢測(cè)的階段，對(duì)高速多進(jìn)制信號(hào)調(diào)制、相干檢測(cè)、數(shù)字信號(hào)處理等技術(shù)還未有研究。基于這些技術(shù)是否可以提高傳輸速率和距離，同時(shí)系統(tǒng)在相干檢測(cè)竊聽(tīng)下安全性是否會(huì)減弱等問(wèn)題都需要深入研究。

混沌通信基于收發(fā)節(jié)點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行高度匹配，由于匹配難度很高，很難實(shí)現(xiàn)大于2 個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)到點(diǎn)通信系統(tǒng)。而系統(tǒng)要形成網(wǎng)絡(luò)，必須實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)互通。要解決此問(wèn)題，必須實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)參數(shù)完全匹配。與此相矛盾的是，多節(jié)點(diǎn)參數(shù)匹配將導(dǎo)致竊聽(tīng)者容易復(fù)制硬件設(shè)備從而減低破解難度。因此未來(lái)需要破解多節(jié)點(diǎn)同步和安全性降低這對(duì)矛盾，才能實(shí)現(xiàn)混沌系統(tǒng)多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文首先根據(jù)不同的非線性器件對(duì)混沌的產(chǎn)生進(jìn)行分類，基于激光器非線性來(lái)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(duì)簡(jiǎn)單，并容易產(chǎn)生混沌，因此，基于激光器非線性并通過(guò)全光反饋來(lái)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(hào)，并且相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)混沌同步，因此適用于混沌保密通信，并且目前通過(guò)該方式實(shí)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(guò)相位調(diào)制器和馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x來(lái)產(chǎn)生，由于相位調(diào)制不存在強(qiáng)度的變化，能夠降低傳輸過(guò)程中的非線性，因此，通過(guò)該方案產(chǎn)生的混沌能夠在10 Gbit/s 的速率下，實(shí)現(xiàn)100 km 的光纖加密傳輸，并實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)演示。此外，本文提出了一種通過(guò)可調(diào)色散補(bǔ)償器來(lái)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(jìn)展，包括安全性增強(qiáng)的方案，其中包括各種時(shí)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(jìn)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(hào)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(huì)得到進(jìn)一步的提升。最后本文對(duì)混沌光通信的困難和未來(lái)需要進(jìn)行的突破進(jìn)行了討論，混沌光通信的進(jìn)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(cè)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)提升容量和傳輸距離，需要破解多節(jié)點(diǎn)同步和安全性降低這對(duì)矛盾來(lái)實(shí)現(xiàn)混沌多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)。最終實(shí)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(shí)現(xiàn)為高速光通信系統(tǒng)物理層安全保駕護(hù)航的目標(biāo)。