半導(dǎo)體激光器混沌輸出的時(shí)延及復(fù)雜度特性研究.pdf

1、隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代通信技術(shù)已經(jīng)根植于人類社會(huì)生活的方方面面，構(gòu)成了當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)社會(huì)的技術(shù)基石。而隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信體系的不斷發(fā)展壯大，信息的安全性受到了越來(lái)越多因素的制約和威脅。其中，伴隨著光纖通信技術(shù)從骨干網(wǎng)向接入網(wǎng)的全面延伸，如何保障信息在光域中的安全性作為新形勢(shì)下的新問(wèn)題逐漸凸顯，已成為網(wǎng)絡(luò)空間信息安全領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題和面臨的巨大挑戰(zhàn)。隨著光電子技術(shù)及非線性動(dòng)力學(xué)理論的發(fā)展，基于半經(jīng)典理論的混沌激光保密通信由于

2、其固有安全特性而備受關(guān)注，成為了新型的保密通信方式之一。同傳統(tǒng)算法層面的加密技術(shù)相比，混沌激光保密技術(shù)支持在器件和物理層面對(duì)信息進(jìn)行加、解密操作，直接在網(wǎng)絡(luò)底層保證了信息的物理安全性。半導(dǎo)體激光器(SL)是常用光源之一，因附加自由度的引入會(huì)呈現(xiàn)出豐富的動(dòng)態(tài)特性，日益引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。通過(guò)合理選擇控制參數(shù)，SL能夠產(chǎn)生復(fù)雜的混沌信號(hào)，從而廣泛應(yīng)用于高速隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(RNG)、保密通信及儲(chǔ)備池計(jì)算等重要領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著

3、大規(guī)模集成電路的不斷發(fā)展，混沌密碼在信息安全和保密通信領(lǐng)域的應(yīng)用正逐步走進(jìn)實(shí)用化。但是近年來(lái)經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)激光混沌光源會(huì)暴露出眾多安全性缺陷。例如，應(yīng)用最廣泛的外腔光反饋半導(dǎo)體激光器(ECSL)產(chǎn)生的混沌信號(hào)呈現(xiàn)出一種弱周期性。這種弱周期性通過(guò)混沌信號(hào)的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析即可獲取，不僅會(huì)影響混沌光通信的安全性，還會(huì)增加RNG后處理技術(shù)的復(fù)雜度。本論文立足于SL激光混沌輸出在保密光通信領(lǐng)域的重要應(yīng)用與國(guó)際前沿?zé)狳c(diǎn)，通過(guò)系統(tǒng)分析激光混沌系統(tǒng)輸出的時(shí)

4、延、復(fù)雜度及統(tǒng)計(jì)特性，全面掌控相關(guān)參數(shù)的影響，旨在優(yōu)化混沌載波輸出，進(jìn)而提高上述應(yīng)用的性能，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
　　在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（基于激光混沌技術(shù)的高速序列隨機(jī)數(shù)發(fā)生器與通信的應(yīng)用研究;時(shí)變多信道互注入激光系統(tǒng)混沌同步與偏振特性的研究）、四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目基金（高速序列隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器及激光混沌通信技術(shù)的應(yīng)用研究）、高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(VCSEL組合系統(tǒng)非線性同步的控制及應(yīng)用的理論研究)以及西南交

5、通大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文培育項(xiàng)目基金（混沌時(shí)間序列分析及半導(dǎo)體激光器混沌同步通信研究）的資助下，本論文以SL產(chǎn)生的混沌信號(hào)為研究對(duì)象，主要從以下幾個(gè)方面展開(kāi)研究:對(duì)混沌信號(hào)的時(shí)延、復(fù)雜度及統(tǒng)計(jì)特性等進(jìn)行系統(tǒng)研究，深入剖析影響以上特性的物理機(jī)理;采用新穎的雙信道混沌同步方案，基于優(yōu)化的混沌信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了兩種安全性增強(qiáng)的混沌光通信;在此基礎(chǔ)上，理論研究了光纖傳輸鏈路對(duì)于雙信道同步及通信的影響，并從拓展應(yīng)用的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了基于雙信道方案的多用戶

6、多信道混沌光通信系統(tǒng);探討了混沌信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性對(duì)于RNG的影響，提出了兩種基于激光混沌信號(hào)的高速隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方案。本文創(chuàng)新性工作主要包括:
　　基于符號(hào)動(dòng)力學(xué)原理，采用符號(hào)時(shí)間序列分析方法(STSA)對(duì)ECSL系統(tǒng)的反饋強(qiáng)度和反饋時(shí)延同時(shí)提取，提供破譯高維激光混沌系統(tǒng)重要參數(shù)的新方法。研究發(fā)現(xiàn)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和相應(yīng)時(shí)間序列已知的情況下，STSA具有比自相關(guān)函數(shù)(ACF)和延遲互信息(DMI)更好的反饋參數(shù)提取性能，合理選擇STSA的控制參

7、數(shù)，能同時(shí)提取反饋時(shí)延和反饋強(qiáng)度。此外，較為全面地對(duì)比了偏振保持光反饋VCSEL(PPOF-VCSEL)和偏振旋轉(zhuǎn)光反饋VCSEL(PROF-VCSEL)的反饋時(shí)延特征，分析了反饋強(qiáng)度、自旋反轉(zhuǎn)弛豫速率、偏置電流、線性各向異性的影響，獲得實(shí)現(xiàn)最優(yōu)混沌載波輸出的工作條件。
　　鑒于ECSL時(shí)延特征的安全性隱患，提出一類注入式實(shí)現(xiàn)時(shí)延隱藏的新型方法，分別在單混沌注入SL、單混沌注入級(jí)聯(lián)SL以及雙混沌注入SL系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了高效的時(shí)延隱藏。

8、其中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)合的方式深入研究了單混沌注入SL與單混沌注入級(jí)聯(lián)SL產(chǎn)生混沌信號(hào)的時(shí)延特征隨注入強(qiáng)度和頻率失諧的變化情況，發(fā)現(xiàn)在較大參數(shù)空間范圍內(nèi)可以得到無(wú)時(shí)延特征的寬帶混沌信號(hào);理論研究了雙混沌注入SL產(chǎn)生混沌信號(hào)的時(shí)延特征，結(jié)果表明，通過(guò)合理調(diào)節(jié)兩路混沌光的注入強(qiáng)度和頻率失諧可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)主激光器反饋時(shí)延特征的同時(shí)隱藏或只消除其中一個(gè)主激光器的反饋時(shí)延信息。
　　引入樣本熵(SampEn)量化分析激光混沌系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為和

9、檢測(cè)混沌光通信系統(tǒng)的安全性，并定量分析ECSL混沌信號(hào)的復(fù)雜度。SampEn具有如計(jì)算速度快、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、魯棒性高、容噪性強(qiáng)等優(yōu)越性，并且它能夠直接用于區(qū)分不同的動(dòng)力學(xué)行為;當(dāng)把SampEn應(yīng)用于評(píng)估混沌調(diào)制(CMO)加密方式的性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，它能夠作為一種用來(lái)檢測(cè)和量化混沌載波中是否存在信息（偽隨機(jī)數(shù)字信號(hào)）的手段;通過(guò)改進(jìn)SampEn，為延遲模板選擇合適的維數(shù)、容忍度、時(shí)延，可以正確量化ECSL的潛在動(dòng)力學(xué)行為，而且基于SampEn量化復(fù)

10、雜度的結(jié)果與排列熵(PE)和Kolomogorov-Sinai(KS)熵的結(jié)果一致，還展示出一定的噪聲魯棒性。
　　建立ECSL實(shí)驗(yàn)和仿真系統(tǒng)，通過(guò)分析ECSL混沌信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性來(lái)驗(yàn)證Lang-Kobayashi(LK)模型的有效性。研究了工作在相干崩塌(CC)區(qū)域的外腔反饋DFB激光器強(qiáng)度時(shí)間序列的一階（概率密度函數(shù)）和二階統(tǒng)計(jì)（自相關(guān)函數(shù)）特性。在考慮的參數(shù)范圍內(nèi)，由自相關(guān)函數(shù)來(lái)表征的一階統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果完全一致，而對(duì)于二階

11、統(tǒng)計(jì)，實(shí)驗(yàn)得到的概率密度函數(shù)比理論預(yù)測(cè)更加集中在平均光功率附近，且對(duì)于參數(shù)的變化具有更高的魯棒性。
　　提出了兩種實(shí)現(xiàn)安全性增強(qiáng)的雙信道混沌光通信方案，揭示了光纖傳輸鏈路對(duì)雙信道混沌同步及通信的影響，并拓展到多用戶多信道系統(tǒng)。在第一個(gè)方案中，一個(gè)具有PROF的SL擔(dān)當(dāng)驅(qū)動(dòng)激光器(DSL)，兩個(gè)完全相同或者近似相同的SLs分別充當(dāng)發(fā)送端激光器(TSL)和接收端激光器(RSL)，它們都接收到來(lái)自與DSL的PROF混沌光注入;使用兩個(gè)信

12、道，并且DSL的TM旋轉(zhuǎn)90°后充當(dāng)干擾信號(hào);通過(guò)仿真，詳細(xì)論證了此方案的高保真和高保密度的信息傳輸，并且證明了在幾種可能的攻擊方案中，即使攻擊者能夠同時(shí)獲取兩個(gè)信道的信號(hào)也不能成功竊取信息。在第二個(gè)方案中，將雙混沌注入SL產(chǎn)生的無(wú)時(shí)延特征的混沌信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)全同SLs，并基于等時(shí)同步原理成功實(shí)現(xiàn)了安全性增強(qiáng)的雙信道混沌光通信。為了深入理解雙信道同步及通信，首次分析了光纖傳輸鏈路中光纖色散、損耗和非線性對(duì)雙信道混沌同步及通信的影響，并分

13、別評(píng)估了在不同光纖長(zhǎng)度和信息速率時(shí)被恢復(fù)信息的誤碼率，成功實(shí)現(xiàn)了傳輸距離為60km且速率可達(dá)8Gb/s的混沌光通信。最后，將雙信道同步方案拓展到多用戶多信道通信系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)配對(duì)用戶之間能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高品質(zhì)的混沌同步，而且同步性能不受加載信息的影響，最終達(dá)到多路信息的同時(shí)編碼與解碼。
　　揭示了激光混沌信號(hào)統(tǒng)計(jì)特性對(duì)于RNG性能的影響，并借助信息論知識(shí)，提出量化區(qū)分基于SL混沌信號(hào)的RNG的核心評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過(guò)數(shù)值研究基于ECSL實(shí)現(xiàn)高

14、速RNG的多比特提取方案，發(fā)現(xiàn)混沌信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性會(huì)顯著影響隨機(jī)比特序列的生成。但即使原始數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分布明顯不同于對(duì)稱分布，采用某種有效后處理技術(shù)后，同樣可以利用數(shù)值方法產(chǎn)生碼率高達(dá)幾百Gb/s，甚至Tb/s量級(jí)且能通過(guò)隨機(jī)性標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的比特序列。首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了兩種基于ECSL混沌動(dòng)力學(xué)的RNG實(shí)現(xiàn)方法:通過(guò)計(jì)算混沌激光器強(qiáng)度時(shí)間序列的高階有限差分(HFD)，可以得到更有利于超高速RNG的具有對(duì)稱統(tǒng)計(jì)分布的時(shí)間序列。第一種方法從信息理論