基于轨道角动量复用的大容量自由空间混沌安全通信系统

1.本发明属于光通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于轨道角动量复用的大容量自由空间混沌安全通信系统。


背景技术：

2.基于激光器非线性动力学特性产生的混沌信号具有初值敏感、宽带类噪声等特性，可以将信息掩盖在宽带混沌光载波中实现保密光传输，是增强光通信系统物理层信息安全性的重要技术之一。
3.然而，由于半导体激光器固有的弛豫振荡现象的存在，导致外腔半导体激光器经常规光反馈产生的混沌激光有效带宽仅为数ghz，有限的混沌载波带宽限制了混沌保密光通信的传输速率和传输容量。
4.目前国内外学者们提出了许多提升混沌激光有效带宽的方案，例如：日本uchida等人(optics express,2015,23(2):1470-1490)将光反馈ecsl作为主激光器，基于多个从激光器级联注入的方式，在末端从激光器中得到了26ghz有效带宽的混沌信号；太原理工大学王云才等人公开了无时延、频谱平坦、宽带光子集成混沌半导体激光器(专利名称：无时延、频谱平坦、宽带光子集成混沌半导体激光器，专利号：cn 104158085 b)，左、右激光器产生的激光经光波导传输至无隔离双向放大的光放大芯片实现互注入扰动，掺铒无源光波导对光的后向散射实现对左、右激光器的随机扰动，在互注入扰动和随机扰动的作用下，左激光器输出无时延、频谱平坦、宽带的混沌激光；苏州大学的李念强等人提出，利用通过高阶非线性光纤引入的四波混频效应，产生了有效带宽接近40ghz的混沌激光(optics letters,2020,45(7):1750-1753)。这些方案通过对混沌激光的强度、相位、频率、偏振等维度进行调控，均可以产生宽带复杂的高品质混沌激光。然而，这些方案存在着结构复杂、成本昂贵等问题，难以应用到现有通信系统内；同时，目前还没有文献和专利报道通过调控混沌激光的空间维度，实现混沌光通信系统的传输容量提升。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于轨道角动量复用的大容量自由空间混沌安全通信系统，在保证光信息空间链路传输安全性的同时，利用了混沌载波的空间维度，提升了混沌通信系统的传输容量。
6.为实现上述发明目的，本发明一种基于轨道角动量复用的大容量自由空间混沌安全通信系统，其特征在于，包括：加密发送端、oam复用模块、oam解复用模块、以及同步接收端；
7.所述加密发送端包括：主激光器dl、光纤耦合器fc1、偏振控制器pc1、可调光衰减器voa1、光纤反射镜m1、光隔离器iso1、马赫曾德尔调制器mzm、任意波形发生器awg、掺饵光纤放大器edfa、可调光衰减器voa2；
8.dl产生激光信号，经过fc1按照设置的光分束比分为两路，其中一路光经过pc1后
输入至voa1，再通过voa1的衰减后由m1反射回dl；另一路光输出为混沌光载波，混沌光载波通过iso1后进入mzm，同时awg产生的信息通过mzm调制到混沌光载波上，得到携带有信息的混沌光载波；最后将混沌光载波通过edfa的放大和voa2的衰减处理后输入至oam复用模块；
9.所述oam复用模块包括偏振控制器pc2、光纤耦合器fc2、光纤准直器col1/col2、线偏振片lp1/lp2、光纤延迟线dl、光束分束镜bs1/bs2/bs3、45度反射镜m2、以及反射式空间光调制器slm1/slm2；
10.混沌光载波进入oam复用模块后，先通过pc2调节光束的偏振，再通过fc2将携带有信息的混沌光载波按照设置的光分束比分为两个链路，其中，第一链路中的光信号先经过col1准直为空间高斯光束，再通过lp1调整空间光束偏振与slm1液晶分子长轴方向一致，随后经过bs1透射至slm1上，并将其调制为携带有-3阶拓扑荷的涡旋光束，调制后的涡旋光束再经过slm1后反射回至bs1，并通过bs1反射至m2，随后光束传输至bs3与第二链路输出的光束进行合束；第二链路中的光信号先经过dl的延迟处理，降低两路信息的相关性，再依次经过col2、lp2和bs2的传输后输入至slm2，并通过slm2调制为携带有+1阶拓扑荷的涡旋光束；该涡旋光束又经过slm2和bs2后反射至bs3，再与第一链路输出的光束进行合束，合束后的复用涡旋光束在自由空间链路中进行传输后进入oam解复用模块；
11.所述oam解复用模块：包括光束分束镜bs4、空间光调制器slm3/slm4、45度反射镜m3/m4/m5、以及光纤准直器col3/col4；
12.在自由空间链路传输后的复用涡旋光束先通过bs4分为两路，其中一路经过slm3实现oam复用模块中第一链路输出光束的解调，解调后高斯光束经过m4和col3后进入光纤内传输至第一同步接收模块，从而实现第一链路输出光束的光场解调；另一路经过m3后反射至slm4实现oam复用模块中第二链路输出光束的解调，解调后的高斯光束经过m5和col4后进入光纤内传输至第二同步接收模块，从而实现第二链路输出光束的光场解调；
13.所述同步接收端包括两个结构与功能相同的同步接收模块，其中，第一同步接收模块包括光纤隔离器iso2、小信号放大器aedfa1、2
×
2光纤耦合器fc3、可调光衰减器voa3/voa4/voa5、偏振控制器pc3、从激光器sl1、以及光电探测器pd1/pd2；第二同步接收模块包括光纤隔离器iso3、小信号放大器aedfa2、2
×
2光纤耦合器fc4、可调光衰减器voa6/voa7/voa8、偏振控制器pc4、从激光器sl2、以及光电探测器pd3/pd4；
14.在第一同步接收模块中，准直器耦合后的光信号通过iso2后由aedfa1补偿空间传输损伤，随后经过fc3等比例分为两路，一路经过voa3和pc3单向注入至sl1，此时sl1产生本地同步混沌信号，并经过fc3和voa5后被pd2接收；另一路经过voa4后被pd1接收；最后，两个光电探测器接收到的信号经过相减得到第一链路传输的原始光信号；
15.同理，第二同步接收模块获得第二链路传输的原始光信号。
16.本发明的发明目的是这样实现的：
17.本发明基于轨道角动量复用的大容量自由空间混沌安全通信系统，通过加密发送端中的主激光器经过常规光反馈结构产生混沌载波信号，通过强度调制的方式将光信息隐藏在混沌光载波进行加密；两路信息在oam复用模块中经过空间光调制器调制为两个具有不同空间拓扑荷的涡旋光束，经合束镜复用后进入自由空间链路进行传输；在经过自由空间链路传输后，在oam解复用模块的空间光调制器上分别加载相反的单阶相位板，实现对应链路光场模式的解调；在同步接收模块，利用单向注入-锁定机理实现本地混沌同步，进而
通过将携带有信息的混沌光载波与本地同步混沌信号相减，得到原始信息，最终完成安全通信。
18.同时，本发明基于轨道角动量复用的大容量自由空间混沌安全通信系统还具有以下有益效果：
19.(1)本发明设计的自由空间oam复用混沌保密通信方案，能够有效的实现对信息的加密与解密，保证了通信双方信息的安全性和私密性；
20.(2)本方案相比于常规宽带混沌信号产生方案，首次结合oam空分复用技术，这样充分利用了混沌载波的空间维度，实现了混沌保密通信系统传输容量的提升。
附图说明
21.图1是本发明基于轨道角动量复用的大容量自由空间混沌安全通信系统的一种具体实施方式架构图；
22.图2是本发明基于轨道角动量复用的大容量自由空间混沌安全通信系统的另外一种具体实施方式架构图；
23.图3中(a)是加密信息时域波形图；(b)是同步接收端1的原始信息和合法解密信息时域波形图；(c)是同步接收端2的原始信息和合法解密信息时域波形图；(d)是加密信息眼图；(e)是同步接收端1的合法解密信息眼图；(f)是同步接收端2的合法解密信息眼图。
具体实施方式
24.下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
25.实施例
26.图1是本发明基于轨道角动量复用的大容量自由空间混沌安全通信系统原理图。
27.在本实施例中，如图1所示，本发明一种基于轨道角动量复用的大容量自由空间混沌安全通信系统，包括：加密发送端、oam复用模块、oam解复用模块、以及同步接收端；
28.加密发送端包括：主激光器dl、光纤耦合器fc1、偏振控制器pc1、可调光衰减器voa1、光纤反射镜m1、光隔离器iso1、马赫曾德尔调制器mzm、任意波形发生器awg、掺饵光纤放大器edfa、可调光衰减器voa2；
29.dl产生激光信号，经过fc1按照设置的光分束比为2：8分为两路，其中一路20％的光经过pc1后输入至voa1，再通过voa1的衰减后由m1反射回dl；另一路80％的光输出为混沌光载波，混沌光载波通过iso1后进入mzm，同时awg产生的信息通过mzm调制到混沌光载波上，得到携带有信息的混沌光载波；最后将混沌光载波通过edfa的放大和voa2的衰减处理后输入至oam复用模块；
30.oam复用模块包括偏振控制器pc2、光纤耦合器fc2、光纤准直器col1/col2、线偏振片lp1/lp2、光纤延迟线dl、光束分束镜bs1/bs2/bs3、45度反射镜m2、以及反射式空间光调制器slm1/slm2；
31.混沌光载波进入oam复用模块后，先通过pc2调节光束的偏振，再通过fc2将携带有信息的混沌光载波按照设置的光分束比5：5分为两个链路，其中，第一链路中的光信号先经
过col1准直为空间高斯光束，再通过lp1调整空间光束偏振与slm1液晶分子长轴方向一致，随后经过bs1透射至slm1上，并将其调制为携带有-3阶拓扑荷的涡旋光束，调制后的涡旋光束再经过slm1后反射回至bs1，并通过bs1反射至m2，随后光束传输至bs3与第二链路输出的光束进行合束；第二链路中的光信号先经过dl的延迟处理，降低两路信息的相关性，再依次经过col2、lp2和bs2的传输后输入至slm2，并通过slm2调制为携带有+1阶拓扑荷的涡旋光束；该涡旋光束又经过slm2和bs2后反射至bs3，再与第一链路输出的光束进行合束，合束后的复用涡旋光束在自由空间链路中进行传输后进入oam解复用模块；
32.oam解复用模块：包括光束分束镜bs4、空间光调制器slm3/slm4、45度反射镜m3/m4/m5、以及光纤准直器col3/col4；
33.在自由空间链路传输后的复用涡旋光束先通过bs4分为两路，其中一路经过slm3实现oam复用模块中第一链路输出光束的解调，解调后高斯光束经过m4和col3后进入光纤内传输至第一同步接收模块，从而实现第一链路输出光束的光场解调；另一路经过m3后反射至slm4实现oam复用模块中第二链路输出光束的解调，解调后的高斯光束经过m5和col4后进入光纤内传输至第二同步接收模块，从而实现第二链路输出光束的光场解调；
34.同步接收端包括两个结构与功能相同的同步接收模块，其中，第一同步接收模块包括光纤隔离器iso2、小信号放大器aedfa1、2
×
2光纤耦合器fc3、可调光衰减器voa3/voa4/voa5、偏振控制器pc3、从激光器sl1、以及光电探测器pd1/pd2；第二同步接收模块包括光纤隔离器iso3、小信号放大器aedfa2、2
×
2光纤耦合器fc4、可调光衰减器voa6/voa7/voa8、偏振控制器pc4、从激光器sl2、以及光电探测器pd3/pd4；
35.在第一同步接收模块中，准直器耦合后的光信号通过iso2后由edfa2补偿空间传输损伤，随后经过fc3等比例分为两路，一路经过voa3和pc3单向注入至sl1，此时sl1产生本地同步混沌信号，并经过fc3和voa5后被pd2接收；另一路经过voa4后被pd1接收；最后，两个光电探测器接收到的信号经过相减得到第一链路传输的原始光信号；
36.同理，第二同步接收模块获得第二链路传输的原始光信号。
37.在本实施例中，如图2所示，我们可以采用不同的加密发送端发送两路不同的激光光束至oam复用模块，oam复用模块将两路不同的激光光束复用成一路激光光束在自由空间链路上传输，然后在oam解复用模块中分别进行解复用，最后通过同步接收端获取两路原始光信号。
38.接下我们通过实验验证结果，作为原理验证性实验，我们成功验证了双链路速率20gbps、调制格式为ook的信号在2米自由空间链路中的oam复用混沌保密传输。如图3所示，其中(a)展示了加密信号波形、(b)是同步接收端1的原始信息及解密信号波形、(c)是同步接收端2的原始信息及解密信号波形、(d)是加密信号眼图、(e)是同步接收端1的解密信号眼图、(f)是同步接收端2的解密信号眼图。可以看到，加密后的信息波形呈现随机波动的趋势，无法分辨出原始信息，通信眼图紧闭，经计算，加密误码率接近0.5；而另一方面在高相关性的混沌同步条件下，合法接收方通过混沌解密可以获得与原始信号波形相近的信息，通信眼图睁开，对应误码率低于3.8
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10-3
。因此验证了自由空间oam复用混沌保密通信方案的可行性。
39.尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技
术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

技术特征：
1.一种基于轨道角动量复用的大容量自由空间混沌安全通信系统，其特征在于，包括：加密发送端、oam复用模块、oam解复用模块、以及同步接收端；所述加密发送端包括：主激光器dl、光纤耦合器fc1、偏振控制器pc1、可调光衰减器voa1、光纤反射镜m1、光隔离器iso1、马赫曾德尔调制器mzm、任意波形发生器awg、掺饵光纤放大器edfa、可调光衰减器voa2；dl产生激光信号，经过fc1按照设置的光分束比分为两路，其中一路光经过pc1后输入至voa1，再通过voa1的衰减后由m1反射回dl；另一路光输出为混沌光载波，混沌光载波通过iso1后进入mzm，同时awg产生的信息通过mzm调制到混沌光载波上，得到携带有信息的混沌光载波；最后将混沌光载波通过edfa的放大和voa2的衰减处理后输入至oam复用模块；所述oam复用模块包括偏振控制器pc2、光纤耦合器fc2、光纤准直器col1/col2、线偏振片lp1/lp2、光纤延迟线dl、光束分束镜bs1/bs2/bs3、45度反射镜m2、以及反射式空间光调制器slm1/slm2；混沌光载波进入oam复用模块后，先通过pc2调节光束的偏振，再通过fc2将携带有信息的混沌光载波按照设置的光分束比分为两个链路，其中，第一链路中的光信号先经过col1准直为空间高斯光束，再通过lp1调整空间光束偏振与slm1液晶分子长轴方向一致，随后经过bs1透射至slm1上，并将其调制为携带有-3阶拓扑荷的涡旋光束，调制后的涡旋光束再经过slm1后反射回至bs1，并通过bs1反射至m2，随后光束传输至bs3与第二链路输出的光束进行合束；第二链路中的光信号先经过dl的延迟处理，降低两路信息的相关性，再依次经过col2、lp2和bs2的传输后输入至slm2，并通过slm2调制为携带有+1阶拓扑荷的涡旋光束；该涡旋光束又经过slm2和bs2后反射至bs3，再与第一链路输出的光束进行合束，合束后的复用涡旋光束在自由空间链路中进行传输后进入oam解复用模块；所述oam解复用模块：包括光束分束镜bs4、空间光调制器slm3/slm4、45度反射镜m3/m4/m5、以及光纤准直器col3/col4；在自由空间链路传输后的复用涡旋光束先通过bs4分为两路，其中一路经过slm3实现oam复用模块中第一链路输出光束的解调，解调后高斯光束经过m4和col3后进入光纤内传输至第一同步接收模块，从而实现第一链路输出光束的光场解调；另一路经过m3后反射至slm4实现oam复用模块中第二链路输出光束的解调，解调后的高斯光束经过m5和col4后进入光纤内传输至第二同步接收模块，从而实现第二链路输出光束的光场解调；所述同步接收端包括两个结构与功能相同的同步接收模块，其中，第一同步接收模块包括光纤隔离器iso2、小信号放大器aedfa1、2
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2光纤耦合器fc3、可调光衰减器voa3/voa4/voa5、偏振控制器pc3、从激光器sl1、以及光电探测器pd1/pd2；第二同步接收模块包括光纤隔离器iso3、小信号放大器aedfa2、2
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2光纤耦合器fc4、可调光衰减器voa6/voa7/voa8、偏振控制器pc4、从激光器sl2、以及光电探测器pd3/pd4；在第一同步接收模块中，准直器耦合后的光信号通过iso2后由aedfa1补偿空间传输损伤，随后经过fc3等比例分为两路，一路经过voa3和pc3单向注入至sl1，此时sl1产生本地同步混沌信号，并经过fc3和voa5后被pd2接收；另一路经过voa4后被pd1接收；最后，两个光电探测器接收到的信号经过相减得到第一链路传输的原始光信号；同理，第二同步接收模块获得第二链路传输的原始光信号。2.根据权利要求1所述的基于轨道角动量复用的大容量自由空间混沌安全通信系统，
其特征在于，所述加密发送端还能够采用两个并行的加密发送端，从而产生两路不同的激光光束，然后通过oam复用模块将两路不同的激光光束复用成路激光信号在自由空间链路上传输。

技术总结
本发明公开了一种基于轨道角动量复用的大容量自由空间混沌安全通信系统，通过加密发送端中的主激光器经过常规光反馈结构产生混沌载波信号，通过强度调制的方式将光信息隐藏在混沌光载波进行加密；两路信息在OAM复用模块中经过空间光调制器调制为两个具有不同空间拓扑荷的涡旋光束，经合束镜复用后进入自由空间链路进行传输；在经过自由空间链路传输后，在OAM解复用模块的空间光调制器上分别加载相反的单阶相位板，实现对应链路光场模式的解调；在同步接收模块，利用单向注入-锁定机理实现本地混沌同步，进而通过将携带有信息的混沌光载波与本地同步混沌信号相减，得到原始信息，最终完成安全通信。最终完成安全通信。


技术研发人员：江宁 张逸群 张强 邱昆
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/7/22