【摘 要】
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光纤通信拥有速率高、损耗低和容量大等突出优势,逐渐成为当今长距离传输的主要通信方式,承载了全球90%以上的信息通信业务。随着各类光纤窃听技术的提出和发展,光信息在传输过程中的安全问题面临着严峻的技术挑战。基于外腔半导体激光器（External Cavity Semiconductor Laser,ECSL）的混沌激光拥有宽频谱和类噪声等特征,不仅能作为物理层光信号加密的光载波,还能用作高速密钥生成
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“基于动态混沌调控的 100Gbps 保密光纤通信技术”； 国家自然科学基金面上项目“基于动态同步物理随机源的高速安全密钥分配系统研究”； 四川省科技计划项目“面向高速光传输的物理层信息安全防护机理及实现技术”；
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光纤通信拥有速率高、损耗低和容量大等突出优势,逐渐成为当今长距离传输的主要通信方式,承载了全球90%以上的信息通信业务。随着各类光纤窃听技术的提出和发展,光信息在传输过程中的安全问题面临着严峻的技术挑战。基于外腔半导体激光器（External Cavity Semiconductor Laser,ECSL）的混沌激光拥有宽频谱和类噪声等特征,不仅能作为物理层光信号加密的光载波,还能用作高速密钥生成的物理熵源,近年来在保密光通信领域一直是学者们关注的研究热点。然而,混沌激光在应用中存在带宽和复杂度不足的问题,限制了混沌光通信和密钥分配系统的速率和安全性。为了进一步提升混沌激光的实际应用能力,本文围绕基于宽带复杂混沌激光产生的物理层保密光纤通信技术,重点开展了以下三个方面的研究。1、宽带复杂混沌激光产生针对光反馈ECSL产生的混沌信号带宽不足以及存在时延标签（Time Delay Signature,TDS）的问题,论文研究了混沌激光的优化技术。（1）提出了一种基于自反馈相位调制和色散的混沌激光优化方案,利用混沌相位调制的光域扩频效应和色散的转换效应实现了带宽展宽和TDS抑制。实验和仿真共同验证该方案可以产生带宽达100GHz的混沌信号,并且能在20d B的反馈强度区间使TDS无法被识别。（2）在反馈回路中引入了自延时信号驱动的相位调制器和延时干涉,提出了另一种混沌激光带宽和TDS优化方案。实验和仿真证明了该方案也能输出功率谱平坦和TDS抑制的混沌信号。（3）提出并实验验证了两种多路宽带复杂混沌信号产生方案。方案一在光反馈ECSL的结构中引入另一路激光源和相位混沌互注入,方案二在光反馈ECSL之后引入光电混合反馈和并行滤波,同时获得了多路高带宽和TDS抑制的混沌输出,并且各路输出信号之间都拥有非常低的相关性。2、宽带混沌同步及物理随机数产生混沌同步是混沌激光在保密通信领域中应用的基础,为了解决现有混沌激光同步实验系统宽带和复杂度受限的问题,论文研究了宽带复杂混沌激光同步技术。（1）提出了两种宽带复杂混沌激光同步方案,分别采用单向主从注入结构和共同相位噪声注入结构,在通信双方器件参数匹配的条件下,实验验证了带宽超过20GHz和TDS抑制的混沌激光同步。（2）提出了一种基于深度学习的混沌同步优化方案,引入生成对抗网络对初始的混沌同步信号进行优化,同时实现了混沌信号TDS抑制、幅值分布对称性改善和同步系统私密性提升。（3）将实验获得的宽带复杂混沌激光应用于生成物理随机数的熵源,通过简单的离线后处理,分别验证了单路和多路速率上百Gbps的随机比特序列提取。（4）验证了高速同步物理随机数的产生,采用双阈值量化从同步的宽带混沌熵源中提取出速率高达Gbps量级、误码率低于10-3的同步随机比特序列。3、混沌激光物理层保密光通信针对混沌保密光通信速率和安全性不足的问题,研究了高速物理层保密光通信技术。（1）提出了基于宽带复杂混沌光载波的保密光通信方案,发送方将宽带复杂混沌激光作为光载波隐藏信息,接收方通过同步的混沌载波进行信息解密。实验中实现了速率超过10Gbps的高速保密光通信,证明了在高速率和适当的掩藏系数下能有效地加密和解密信息。通过仿真分析了系统加密性能和最高传输速率,讨论了通信系统的安全性及硬件参数密钥空间。（2）提出了基于混沌相位扰动的加密方案,不同于传统的混沌光载波加密,该方案将混沌同步信号用于加密和解密的动态调控信号,直接将物理层高速光信息转变为近似噪声的信号进行加密传输。仿真结果证明在OOK调制格式下系统的最大传输速率高达100Gbps;实验中分别验证了速率为10Gbps的OOK信号和25Gbps QPSK信号的保密光传输。（3）提出了基于混沌相位扰动的多信道混叠式加密方案,实验采用4个信道验证了速率为50Gbps的WDM保密光传输,并通过仿真验证了能同时加密多种调制格式的信道。
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