一种基于色散-双环自相位加密的硬件保密通信系统和方法

1.本发明涉及光纤通信技术领域，更具体地，涉及一种基于色散-双环自相位加密的硬件保密通信系统和方法。


背景技术：

2.随着现代光通信技术的快速发展，我国自主的光纤通信技术不仅已经能够满足大量国内网络建设的不同需求，而且还在逐步地走向国际社会通信网络的建设。这些广泛应用得益于光纤通信具有损耗较低、传输容量大以及抗电磁干扰能力强的优点，然而，光纤通信在为人类提供高质量和高效益通信的同时，也暴露出潜在的安全问题，如何在保证安全性的前提下提供大容量，高速的光通信成为许多研究者关注的焦点。
3.目前，研究者提出各种不同的光网络加密技术，大致上分为基于软件的加密系统、基于硬件的加密系统以及基于软硬结合的加密系统。其中基于硬件的加密系统主要包括量子加密系统、混沌加密系统、以及光脉冲展宽加密系统等。通过这些技术，可以有效地提高数据的安全性和保密性，但仍存在一些不足。量子加密系统理论上可以提供无限的安全性，但存在成本较高和与传统光通信系统不能很好兼容等问题。混沌加密系统是目前基于硬件光网络加密的一种主流技术，使用宽带的混沌信号加密光调制信号，加密方式分为混沌调制和混沌隐藏两种，通过在接收端基于相同硬件结构和参数产生与发送端同步的混沌以解密，但由于混沌信号对噪声和光纤损伤敏感，长距离混沌同步仍是现阶段研究亟需攻克的难题。光脉冲展宽加密系统通过将光脉冲信号展宽以隐藏在系统噪声中的方式来实现加密，是一种宽带光接入网的解决方案，具有抗干扰能力强以及传输容量大等优势，但光脉冲光源与现代高速光通信系统不相兼容。因此，探索更高效可靠的硬件加密技术，使其不仅能够实现大容量，长距离传输，还能进一步保障可靠传输和与现有光网络体系兼容，具有重要的现实意义。
4.公开号：cn112600661a，公开日为2021-04-02的一种基于双混沌调制的保密通信系统，该发明利用双混沌对数字信息进行扩频，同步产生完全相同的混沌序列，发送端收到信息调制后，接收端利用同步的本地信号进行信息解调，实现保密通信。然而，在长距离通信时难以实现混沌同步，并且由于驰豫振荡频率限制了混沌带宽，有限的混沌载波带宽限制了混沌光通信的传输速率，使其很难与现有的高速光纤通信系统兼容。


技术实现要素：

5.本发明为克服上述技术问题，提供一种能够支持长距离数据传输，并且能与现有的商用光学组件和光纤传输系统高度兼容的基于色散-双环自相位加密的硬件保密通信系统和方法。
6.本发明技术方案如下：
7.所述系统包括：信号发生模块、信号加密模块、光纤传输模块、信号解密模块、光解调器；
8.所述信号加密模块包括第一色散部件；所述信号解密模块包括第二色散部件；
9.信号发生模块生成待加密的光信号并将光信号发送给信号加密模块，信号加密模块中的第一色散部件对光信号的光强度进行扰乱，然后信号加密模块通过双环自相位结构对光强度扰乱后的光信号进行相位加密，得到加密后的光信号，光信号经过光纤传输模块发送到信号解密模块；
10.信号解密模块通过双环自相位结构对光信号进行相位解密，然后信号解密模块中的第二色散部件对相位解密后的光信号的光强度进行恢复，得到解密后的光信号；
11.信号解密模块将光强恢复后的光信号传输给光解调器，所述光解调器将接收到的光信号转换为电信号。
12.本技术方案提出了一种基于色散-双环自相位加密的硬件保密通信系统，通过色散部件对光信号进行光脉冲展宽使光信号的强度失真，然后双环自相位结构对光信号进行相位加密，两个加密支路构成双环自相位结构可以获得高安全性的加密密钥，从而保证系统保密性，并且可以使用现有商用器件和光纤信道与现有的光纤网络体系兼容，在保证数据安全的前提下实现高速数据传输。
13.进一步地，所述信号发生模块包括：外腔半导体激光器、马赫-曾德尔调制器、数据生成模块；外腔半导体激光器的输出端与马赫-曾德尔调制器的第一输入端连接，数据生成模块的输出端与马赫-曾德尔调制器的第二输入端连接，所述数据生成模块生成驱动信号，所述外腔半导体激光器发出用于搭载驱动信号的光载波，马赫-曾德尔调制器将驱动信号调制到光载波从而产生高阶调制信号，马赫-曾德尔调制器的输出端为信号发生模块的输出端，信号发生模块的输出端输出待加密的光信号并将光信号发送给信号加密模块。
14.进一步地，所述信号加密模块中的双环自相位结构包括：第一相位调制器、第一光耦合器、第二光耦合器、第一加密支路、第二加密支路、第一运算器；
15.所述信号解密模块中的双环自相位结构包括：第三光耦合器、第四光耦合器、第一解密支路、第二解密支路、第二运算器、第二相位调制器；
16.所述第一色散部件将光强度扰乱后的光信号传输给第一相位调制器，第一相位调制器根据驱动端的加密密钥对输入的光信号进行相位加密，然后输出相位加密后的光信号，相位加密后的光信号传输到第一光耦合器；
17.第一光耦合器将一部分光信号通过第一光耦合器的第一输出端发出，第一光耦合器的第一输出端输出的光信号经过第一加密支路到达第一运算器的第二输入端，第一光耦合器将余下的光信号通过第一光耦合器的第二输出端发送到第二光耦合器；
18.第二光耦合器将一部分光信号通过第二光耦合器的第一输出端发出，第二光耦合器的第一输出端输出的光信号经过第二加密支路到达第一运算器的第一输入端，第一运算器对两路输入信号进行叠加得到加密密钥，将加密密钥输出到第一相位调制器的驱动端；第二光耦合器的第二输出端输出余下的光信号，光信号经过光纤传输模块发送到信号解密模块中的第三光耦合器；
19.第三光耦合器将一部分光信号通过第三光耦合器的第一输出端发出，第三光耦合器的第一输出端输出的光信号经过第一解密支路到达第二运算器的第一输入端，第三光耦合器将余下的光信号通过第三光耦合器的第二输出端发送到第四光耦合器；
20.第四光耦合器将一部分光信号通过第四光耦合器的第一输出端发出，第四光耦合
器的第一输出端输出的光信号经过第二解密支路到达第二运算器的第二输入端，第二运算器对两路输入信号进行叠加得到解密密钥，将解密密钥输出到第二相位调制器的驱动端；第四光耦合器的第二输出端将余下的光信号输入到第二相位调制器，第二相位调制器按照驱动端的解密密钥对光信号进行解密，将解密后的光信号输入到第二色散部件，第二色散部件恢复光信号的强度。
21.进一步地，所述光纤传输模块包括：单模光纤、色散补偿光纤、光放大器；
22.经过加密后的光信号进入由单模光纤和与单模光纤色散值匹配的色散补偿光纤组成的传输链路进行传输，然后使用光放大器对传输后的光信号进行功率放大并传输到第三光耦合器的输入端。
23.进一步地，所述信号加密模块还包括第一射频放大器，第一射频放大器的输入端连接第一运算器的输出端，第一射频放大器的输出端连接第一相位调制器的驱动端，第一射频放大器对电信号进行放大；所述信号解密模块还包括第二射频放大器，第二射频放大器的输入端连接第二运算器的输出端，第二射频放大器的输出端连接第二相位调制器的驱动端，第二射频放大器对电信号进行放大。
24.进一步地，所述第一加密支路包括：第一可调光纤延迟线、第一可调光衰减器、第一光电探测器，第一可调光纤延迟线、第一可调光衰减器、第一光电探测器依次连接，第一可调光纤延迟线的输入端连接第一光耦合器的第一输出端，第一光电探测器的输出端连接第一运算器的第二输入端，第一光电探测器将光信号转化为电信号；
25.第二加密支路包括：第二可调光纤延迟线、第二可调光衰减器、第二光电探测器，第二可调光纤延迟线、第二可调光衰减器、第二光电探测器依次连接，第二可调光纤延迟线的输入端连接第二光耦合器的第一输出端，第二光电探测器的输出端连接第一运算器的第一输入端，第二光电探测器将光信号转化为电信号；
26.第一解密支路包括：第三可调光纤延迟线、第三可调光衰减器、第三光电探测器，第三可调光纤延迟线、第三可调光衰减器、第三光电探测器依次连接，第三可调光纤延迟线的输入端连接第三光耦合器的第一输出端，第三光电探测器的输出端连接第二运算器的第一输入端，第三光电探测器将光信号转化为电信号；
27.第二解密支路包括：第四可调光纤延迟线、第四可调光衰减器、第四光电探测器，第四可调光纤延迟线、第四可调光衰减器、第四光电探测器依次连接，第四可调光纤延迟线的输入端连接第四光耦合器的第一输出端，第四光电探测器的输出端连接第二运算器的第二输入端，第四光电探测器将光信号转化为电信号。
28.进一步地，所述光放大器为掺铒光纤放大器。
29.进一步地，单模光纤和色散补偿光纤色散值匹配，第一色散部件和第二色散部件色散值匹配。
30.进一步地，第一色散部件和第二色散部件均采用啁啾光纤光栅。
31.一种基于色散-双环自相位加密的硬件保密通信方法，包括步骤：
32.s1、将电信号调制到光载波上，生成待加密的光信号；
33.s2、对光信号的光强度进行扰乱，并输出光信号；
34.s3、根据加密秘钥对光信号进行相位加密，并输出完成加密的光信号；
35.s4、将一部分完成加密的光信号通过双环自相位结构生成加密密钥，用来对新接
收到的光信号进行加密，并将余下完成加密的光信号输出；
36.s5、接收完成加密的光信号，并进行解密；
37.s6、将一部分完成加密的光信号通过双环自相位结构生成解密密钥，根据解密秘钥对余下光信号进行相位解密，并输出相位解密后的光信号；
38.s7、对相位解密后的光信号的光强度进行恢复，并输出完成解密的光信号；
39.s8、将完成解密的光信号解调为电信号，完成数据传输。
40.本技术方案提出了一种基于色散-双环自相位加密的硬件保密通信系统，与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：通过色散部件对光信号进行光脉冲展宽使光信号的强度失真，然后双环自相位结构对光信号进行相位加密，两个加密支路构成双环自相位结构可以获得高安全性的加密密钥，从而保证系统保密性，并且可以使用现有商用器件和光纤信道与现有的光纤网络体系兼容，在保证数据安全的前提下实现高速数据传输。
附图说明
41.图1为一种基于色散-双环自相位加密的硬件保密通信系统结构示意图；
42.其中：1、信号发生模块；101、外腔半导体激光器；102、马丁-曾德尔调制器；103、数据生成模块；
43.2、信号加密模块；21、第一加密支路；22、第二加密支路；201、第一色散部件；202、第一相位调制器；203、第一光耦合器；204、第一可调光纤延迟线；205、第一可调光衰减器；206、第二光耦合器；207、第二可调光纤延迟线；208、第二可调光衰减器；209、第一光电探测器；210、第二光电探测器；211、第一运算器；212、第一射频放大器；。
44.3、光纤传输模块；301、单模光纤；302、色散补偿光纤；303、掺铒光纤放大器；
45.4、信号解密模块；41、第一解密支路；42、第二解密支路；401、第三光耦合器；402、第三可调光纤延迟线；403、第三可调光衰减器；404、第四光耦合器；405、第四可调光纤延迟线；406、第四可调光衰减器；407、第三光电探测器；408、第四光电探测器；409、第二运算器；410、第二射频放大器；411、第二相位调制器；412、第二色散部件；
46.5、光解调器。
具体实施方式
47.为清楚地说明本发明一种基于色散-双环自相位加密的硬件保密通信系统，结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
48.实施例1
49.一种基于色散-双环自相位加密的硬件保密通信系统，如图1所示，
50.所述系统包括：信号发生模块1、信号加密模块2、光纤传输模块3、信号解密模块4、光解调器5；
51.所述信号加密模块2包括：第一色散部件201、第一相位调制器202、第一光耦合器203、第二光耦合器206、第一加密支路21、第二加密支路22、第一运算器211；
52.所述信号解密模块4包括：第三光耦合器401、第四光耦合器404、第一解密支路41、第二解密支路42、第二运算器409、第二相位调制器411、第二色散部件412；
53.所述信号发生模块1、信号加密模块2、光纤传输模块3、信号解密模块4和光解调器
5依次连接，具体地：
54.信号发生模块1生成待加密的光信号并将所述光信号发送给信号加密模块2，信号加密模块2中的第一色散部件201对光信号的光强度进行扰乱，将扰乱后的光信号传输给第一相位调制器202，第一相位调制器202根据驱动端的加密密钥对输入的光信号进行相位加密，然后输出相位加密后的光信号，相位加密后的光信号传输到第一光耦合器203；
55.第一光耦合器203将一部分光信号通过第一光耦合器203的第一输出端发出，第一光耦合器203的第一输出端输出的光信号经过第一加密支路21到达第一运算器211的第二输入端，第一光耦合器203将余下的光信号通过第一光耦合器203的第二输出端发送到第二光耦合器206；
56.第二光耦合器206将一部分光信号通过第二光耦合器206的第一输出端发出，第二光耦合器206的第一输出端输出的光信号第二加密支路22到达第一运算器211的第一输入端，第一运算器211对两路输入信号进行叠加得到加密密钥，将加密密钥输出到第一相位调制器202的驱动端；第二光耦合器206的第二输出端输出余下的光信号，光信号经过光纤传输模块3发送到信号解密模块4中的第三光耦合器401；
57.第三光耦合器401将一部分光信号通过第三光耦合器401的第一输出端发出，第三光耦合器401的第一输出端输出的光信号经过第一解密支路41到达第二运算器409的第一输入端，第三光耦合器401将余下的光信号通过第三光耦合器401的第二输出端发送到第四光耦合器404；
58.第四光耦合器404将一部分光信号通过第一输出端发出，第四光耦合器404的第一输出端输出的光信号经过第二解密支路42到达第二运算器409的第二输入端，第二运算器409对两路输入信号进行叠加得到解密密钥，将解密密钥输出到第二相位调制器411的驱动端；第四光耦合器404的第二输出端将余下的光信号输入到第二相位调制器411，第二相位调制器411按照驱动端的解密密钥对光信号进行解密，将解密后的光信号输入到第二色散部件412,第二色散部件412对光信号进行光强恢复，然后将光强恢复后的光信号传输给光解调器5，所述光解调器5将接收到的光信号转换为电信号。
59.本实施例通过色散部件使光信号的强度失真，相位调制器根据加密密钥对光信号进行相位加密，相位调制器输出的光信号经过两个加密支路生成加密密钥再返回相位调制器，用于对后续的光信号进行相位加密，两个加密支路可以获得高安全性的加密密钥，从而保证系统保密性，并且可以使用现有商用器件和光纤信道与现有的光纤网络体系兼容，在保证数据安全的前提下实现高速数据传输。
60.实施例2
61.图1为一种基于色散-双环自相位加密的硬件保密通信系统的结构示意图。由图1可以看出，所述系统包括：信号发生模块1、信号加密模块2、光纤传输模块3、信号解密模块4、光解调器5；
62.所述信号发生模块1包括：外腔半导体激光器101、马赫-曾德尔调制器102、数据生成模块103；可选的，所述数据生成模块103为任意波形发生器。
63.所述信号加密模块2包括：第一色散部件201、第一相位调制器202、第一光耦合器203、第二光耦合器206、第一加密支路21、第二加密支路22、第一运算器211；
64.所述光纤传输模块3包括：单模光纤301、色散补偿光纤302、光放大器303；
65.所述信号解密模块4包括：第三光耦合器401、第四光耦合器404、第一解密支路41、第二解密支路42、第二运算器409、第二相位调制器411、第二色散部件412；
66.所述信号发生模块1、信号加密模块2、光纤传输模块3、信号解密模块4和光解调器5依次连接，具体地：
67.外腔半导体激光器101的输出端与马赫-曾德尔调制器102的第一输入端连接，数据生成模块103的输出端与马赫-曾德尔调制器102的第二输入端连接，所述数据生成模块103生成驱动信号，所述外腔半导体激光器101发出用于搭载驱动信号的光载波，马赫-曾德尔调制器102将驱动信号调制到光载波从而产生高阶调制信号，马赫-曾德尔调制器102的输出端为信号发生模块1的输出端。
68.信号发生模块1生成待加密的光信号并将所述光信号发送给信号加密模块2，信号加密模块2中的第一色散部件201对光信号的光强度进行扰乱，将扰乱后的光信号传输给第一相位调制器202，第一相位调制器202根据驱动端的加密密钥对输入的光信号进行相位加密，然后输出相位加密后的光信号，相位加密后的光信号传输到第一光耦合器203；
69.信号发生模块1发出的信号可以是任意调制格式的光信号，如四电平脉冲调制pam4信号、八电平脉冲幅度调制pam8、正交相移键控qpsk、十六进制正交幅度调制16qam等。
70.第一光耦合器203将一部分光信号通过第一光耦合器203的第一输出端发出，第一光耦合器203的第一输出端输出的光信号经过第一加密支路21到达第一运算器211的第二输入端，第一光耦合器203将余下的光信号通过第一光耦合器203的第二输出端发送到第二光耦合器206；
71.所述第一加密支路21包括：第一可调光纤延迟线204、第一可调光衰减器205、第一光电探测器209，第一可调光纤延迟线204、第一可调光衰减器205、第一光电探测器209依次连接，第一可调光纤延迟线204的输入端连接第一光耦合器203的第一输出端，第一光电探测器209的输出端连接第一运算器211的第二输入端，第一光电探测器209将光信号转化为电信号；
72.第二光耦合器206将一部分光信号通过第一输出端发出，第二光耦合器206的第一输出端输出的光信号第二加密支路22到达第一运算器211的第一输入端，第一运算器211对两路输入信号进行叠加得到加密密钥，将加密密钥输出到第一相位调制器202的驱动端；第二光耦合器206的第二输出端输出余下的光信号；所述光信号进入由单模光纤301和单模光纤301其色散值匹配的色散补偿光纤302组成的传输链路进行传输，然后使用光放大器303对传输后的光信号进行功率放大，然后光信号传输到接收端的解密模块4；
73.第二加密支路22包括：第二可调光纤延迟线207、第二可调光衰减器208、第二光电探测器210，第二可调光纤延迟线207、第二可调光衰减器208、第二光电探测器210依次连接，第二可调光纤延迟线207的输入端连接第二光耦合器206的第一输出端，第二光电探测器210的输出端连接第一运算器211的第一输入端，第二光电探测器210将光信号转化为电信号；
74.两个加密支路和第一相位调制器202构成双环自相位结构，通过信号发生模块1产生的光信号经过第一色散部件201使光脉冲展宽，以达到光强度畸变的目的，实现对光信号的第一次扰乱。双环相位结构对第一色散部件201扰乱后的信号进行光相位的任意调制，实现对光信号的二次扰乱，两条环路中的第一光纤延迟线204、第一光衰减器205、第二光纤延
迟线207、第二光衰减器208设置不同的密钥参数，不同参数的组合进一步增大了密钥空间，加大了窃听者破解的难度，接着利用第一光电探测器209和第二光电探测器210分别进行两路的光电转换，使用第一运算器211实现两路电信号的叠加，并通过第一射频放大器212驱动第一相位调制器202实现光相位的任意调制。在色散和双环自相位的共同作用下，光信号在幅度和相位上都被加密。
75.解密模块4中的第三光耦合器401将一部分光信号通过第三光耦合器401的第一输出端发出，第三光耦合器401的第一输出端输出的光信号经过第一解密支路41到达第二运算器409的第一输入端，第三光耦合器401将余下的光信号通过第三光耦合器401的第二输出端发送到第四光耦合器404；
76.第一解密支路41包括：第三可调光纤延迟线402、第三可调光衰减器403、第三光电探测器407，第三可调光纤延迟线402、第三可调光衰减器403、第三光电探测器407依次连接，第三可调光纤延迟线402的输入端连接第三光耦合器401的第一输出端，第三光电探测器407的输出端连接第二运算器409的第一输入端，第三光电探测器407将光信号转化为电信号；
77.第四光耦合器404将一部分光信号通过第四光耦合器404的第一输出端发出，第四光耦合器404的第一输出端输出的光信号经过第二解密支路42到达第二运算器409的第二输入端，第二运算器409对两路输入信号进行叠加得到解密密钥，将解密密钥输出到第二相位调制器411的驱动端；第四光耦合器404的第二输出端将余下的光信号输入到第二相位调制器411，第二相位调制器411按照驱动端的解密密钥对光信号进行解密，将解密后的光信号输入到第二色散部件412,第二色散部件412对光信号进行光强恢复，然后将光强恢复后的光信号传输给光解调器5，所述光解调器5将接收到的光信号转换为电信号；
78.第二解密支路42包括：第四可调光纤延迟线405、第四可调光衰减器406、第四光电探测器408，第四可调光纤延迟线405、第四可调光衰减器406、第四光电探测器408依次连接，第四可调光纤延迟线405的输入端连接第四光耦合器404的第一输出端，第四光电探测器408的输出端连接第二运算器409的第二输入端，第四光电探测器408将光信号转化为电信号。
79.若信号发生模块1发出的高阶调制信号为高阶相位调制信号，则色散部件和双环的连接顺序不可以调换；若高阶调制信号为高阶强度调制信号或者16qam等信号，则色散部件和双环的连接顺序可以调换。即：本实施例中信号加密模块2中的光信号依次经过第一色散部件201和包括两个加密支路的双环进行加密，信号解密模块4中的光信号依次经过包括两个解密支路的双环和第二色散部件412进行解密；在其他实施例中，若信号发生模块1发出的高阶调制信号为高阶强度调制信号或者16qam等信号，则也可选色散与双环连接顺序调换的结构，即：在信号加密模块中输入的光信号依次经过包括两个加密支路的双环和色散部件，在解密模块中，输入信号依次经过色散部件和包括两个解密支路的双环。
80.本实施例中，所述光放大器303为掺铒光纤放大器。单模光纤301和色散补偿光纤302色散值匹配，第一色散部件201和第二色散部件412色散值匹配。第一色散部件201和第二色散部件412均采用啁啾光纤光栅。在本发明其他实施例中，第一色散部件201和第二色散部件412还可以采用色散光纤，外腔半导体激光器101可以采用cw连续波长激光器将其替换，在其他实施例中根据调制格式选择不同的调制器，可选地，本实施例中的马赫-曾德尔
调制器102可以根据调制格式替换为强度调制器、相位调制器、级联的马赫-曾德尔调制器以及并联的马赫-曾德尔调制器。
81.本实施例中，两个加密支路和第一相位调制器202构成双环自相位结构，在通过色散部件和双环自相位结构的共同作用下，实现对信息的加密，利用对称的解密模块解密信号，要实现信号解密不仅需要搭建与发送端加密模块相同的结构，还需设置匹配的色散、两个延迟、两个衰减以及调制深度这六个密钥，通过设置不同的密钥参数组合，极大地增强系统的保密性，并且该系统可以使用现有商用器件和光纤信道与现有的光纤网络体系兼容。所述调制深度指的是通过第一射频放大器212放大输出电信号的峰峰值与第一相位调制器202半波电压的比值。通过改变射频放大器的增益可以改变输出电信号的峰峰值，以此达到改变调制深度的目的，只有当发送端和接收端匹配相同的调制深度时才能正确还原经过双环到达b驱动端的信号，因此解密时需要设置数值相等，符号相反的调制深度才能消除双环的加密效果。
82.实施例3
83.本实施例公开了一种基于色散-双环自相位加密的硬件保密通信方法，包括步骤：
84.s1、将电信号调制到光载波上，生成待加密的光信号；
85.s2、对光信号的光强度进行扰乱，并输出光信号；
86.s3、根据加密秘钥对光信号进行相位加密，并输出完成加密的光信号；
87.s4、将一部分完成加密的光信号通过双环自相位结构生成加密密钥，用来对新接收到的光信号进行加密，并将余下完成加密的光信号输出；
88.s5、接收完成加密的光信号，并进行解密；
89.s6、将一部分完成加密的光信号通过双环自相位结构生成解密密钥，根据解密秘钥对余下光信号进行相位解密，并输出相位解密后的光信号；
90.s7、对相位解密后的光信号的光强度进行恢复，并输出完成解密的光信号；
91.s8、将完成解密的光信号解调为电信号，完成数据传输。