本書是作者多年來(lái)從事基于多模激光器的密鑰分發(fā)研究的成果。本書介紹了基于經(jīng)典物理層密鑰分發(fā)的研究意義以及基于激光同步密鑰分發(fā)的現(xiàn)存問(wèn)題，提出了利用超輻射發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)多模半導(dǎo)體激光器同步的方案，并對(duì)激光器內(nèi)部參數(shù)以及參數(shù)失配對(duì)同步性的影響進(jìn)行了詳細(xì)研究，提出了基于多模激光器模式隨機(jī)鍵控以及驅(qū)動(dòng)信號(hào)中心波長(zhǎng)隨機(jī)鍵控的密鑰分發(fā)方案，最終利用模式隨機(jī)鍵控實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了傳輸距離160km、傳輸速率0.75Gbit/s的密鑰分發(fā)，利用驅(qū)動(dòng)信號(hào)中心波長(zhǎng)隨機(jī)鍵控實(shí)現(xiàn)了多路隨機(jī)密鑰的并行產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了速率的進(jìn)一步提升。本書介紹了多模激光器模式間低相關(guān)性的特性，基于此特性提出了基于多模激光器模式隨機(jī)鍵控以及驅(qū)動(dòng)信號(hào)中心波長(zhǎng)隨機(jī)鍵控的密鑰分發(fā)方案，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方案實(shí)現(xiàn)了密鑰分發(fā)速率數(shù)量級(jí)上的提升，得到了多路隨機(jī)密鑰并行產(chǎn)生的理論驗(yàn)證。本書對(duì)于從事基于混沌激光同步密鑰分發(fā)研究的技術(shù)人員及師生來(lái)說(shuō)是一本有價(jià)值的參考書。
高速密鑰分發(fā)是現(xiàn)代保密通信的研究重點(diǎn)，關(guān)系著網(wǎng)絡(luò)空間安全、國(guó)家經(jīng)濟(jì)與人民生活�；跀�(shù)學(xué)算法的密鑰分發(fā)，由于其所用算法具有確定性，存在著被窮舉攻擊的風(fēng)險(xiǎn)，因此基于物理層的密鑰分發(fā)技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。其中，量子密鑰分發(fā)（quantum key distribution,QKD） 技術(shù)原理上是絕對(duì)安全的，但其速率受到單光子探測(cè)器的限制無(wú)法實(shí)現(xiàn)量級(jí)提升，并且很難與現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)完全兼容。近年來(lái)，研究學(xué)者不斷探索基于經(jīng)典物理層的密鑰分發(fā)技術(shù)，主要包括光纖激光器參數(shù)隨機(jī)選擇、物理不可克隆函數(shù)、光纖信道互易性以及激光同步等。其中，基于激光同步的密鑰分發(fā)技術(shù)具有高速且長(zhǎng)距離傳輸潛力。為了進(jìn)一步提高此類方案安全性，在其中引入了激光同步的隨機(jī)鍵控，與從同步區(qū)間內(nèi)的激光信號(hào)中提取的隨機(jī)密鑰原理上是一致的，可以作為共享密鑰，完成密鑰分發(fā)。但鍵控過(guò)程導(dǎo)致了響應(yīng)激光器數(shù)十納秒的同步恢復(fù)時(shí)間，此時(shí)間內(nèi)的激光序列不可用于隨機(jī)密鑰提取，造成物理熵源的利用率降低，從而將密鑰分發(fā)速率限制在kbit/s量級(jí)。
針對(duì)上述問(wèn)題，本書探索了縮短同步恢復(fù)時(shí)間以提高密鑰分發(fā)速率的方法，提出了基于開環(huán)法布里-珀羅（Fabry-Pérot，F(xiàn)-P）激光器激光同步隨機(jī)鍵控的密鑰分發(fā)方案。主要內(nèi)容如下：
①實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了超輻射發(fā)光二極管（superluminescent diode，SLD）共同驅(qū)動(dòng)開環(huán)多縱模F-P激光器同步，驗(yàn)證了寬帶隨機(jī)噪聲驅(qū)動(dòng)信號(hào)與響應(yīng)激光信號(hào)的低相關(guān)性，保證了竊聽者從公共信道中獲取的與物理熵源有關(guān)的信息量有限。利用VPI Transmission Maker軟件模擬證明了響應(yīng)F-P激光器同步性對(duì)內(nèi)部參數(shù)失配的高度敏感性，說(shuō)明竊聽者很難利用與合法用戶參數(shù)失配的竊聽激光器構(gòu)建同步。實(shí)驗(yàn)研究了響應(yīng)F-P激光器中心波長(zhǎng)和工作電流失諧對(duì)同步性的影響以及注入?yún)?shù)及其失配對(duì)同步性的影響，結(jié)果說(shuō)明通信雙方在較大參數(shù)范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)同步。
②提出了基于響應(yīng)F-P激光器輸出模式隨機(jī)鍵控的密鑰分發(fā)方案并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通信雙方利用隨機(jī)控制碼對(duì)多縱模同步響應(yīng)F-P激光器的單個(gè)縱模進(jìn)行隨機(jī)選擇輸出：當(dāng)輸出模式中心波長(zhǎng)相同時(shí)可實(shí)現(xiàn)同步，當(dāng)輸出模式中心波長(zhǎng)不同時(shí)則不同步，由此響應(yīng)F-P激光器輸出模式隨機(jī)選擇可以實(shí)現(xiàn)激光同步的隨機(jī)鍵控。通信雙方通過(guò)交換并對(duì)比隨機(jī)控制碼，篩選相同控制碼對(duì)應(yīng)的激光信號(hào)區(qū)間提取的隨機(jī)密鑰作為共享密鑰，完成密鑰分發(fā)。
③提出了基于驅(qū)動(dòng)信號(hào)中心波長(zhǎng)隨機(jī)鍵控的密鑰分發(fā)方案。在寬帶隨機(jī)噪聲信號(hào)共同驅(qū)動(dòng)下，響應(yīng)F-P激光器可以實(shí)現(xiàn)激光同步。此方案中，實(shí)驗(yàn)和模擬證明了當(dāng)選擇不同濾波中心波長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行擾動(dòng)時(shí)，通信雙方響應(yīng)F-P激光器輸出的激光信號(hào)相關(guān)性很低，由此驅(qū)動(dòng)信號(hào)的中心波長(zhǎng)隨機(jī)選擇可以實(shí)現(xiàn)激光同步的隨機(jī)鍵控，通信雙方同樣選取從同步區(qū)間內(nèi)的激光信號(hào)中提取的隨機(jī)碼作為共享密鑰。驅(qū)動(dòng)信號(hào)的濾波寬度對(duì)應(yīng)響應(yīng)F-P激光器的兩個(gè)縱模，響應(yīng)F-P激光器在其擾動(dòng)下輸出對(duì)應(yīng)的雙縱模激光信號(hào)，通過(guò)后續(xù)對(duì)其進(jìn)行單模濾波，VPI軟件模擬實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)密鑰的雙路并行產(chǎn)生。
本書內(nèi)容是山西省教育廳2023年度山西省高等學(xué)�？萍紕�(chuàng)新項(xiàng)目基于Fabry-Pérot激光器混沌同步高速鍵控的Gbps量級(jí)密鑰分發(fā)研究（項(xiàng)目編號(hào)2023L420）以及2023年山西省基礎(chǔ)研究計(jì)劃（自由探索類）青年科學(xué)研究項(xiàng)目基于多縱模激光器混沌同步高速鍵控的并行物理密鑰分發(fā)（項(xiàng)目編號(hào)202303021222283）的階段性研究成果。本書在成書過(guò)程中，參考了大量期刊論文及書籍，在此對(duì)其作者深表感謝。
由于本人水平有限，盡管反復(fù)斟酌與修改，書中仍難免存在疏漏和不足之處，望廣大讀者提出意見(jiàn)和建議，以便修訂時(shí)更正。
著者
第1章 緒論
1.1 經(jīng)典物理層密鑰分發(fā)的研究意義002
1.2 經(jīng)典物理層密鑰分發(fā)主要方法005
1.2.1 光纖激光器參數(shù)隨機(jī)選擇005
1.2.2 物理不可克隆函數(shù)011
1.2.3 光纖信道互易性013
1.2.4 半導(dǎo)體激光器的非線性動(dòng)態(tài)發(fā)展歷程及同步方式021
1.3 基于半導(dǎo)體激光器同步的密鑰分發(fā)研究現(xiàn)狀023
1.3.1 研究進(jìn)展024
1.3.2 現(xiàn)存的問(wèn)題037
1.4 本書主要研究?jī)?nèi)容040
第2章 噪聲信號(hào)驅(qū)動(dòng)響應(yīng)F-P 激光器同步
2.1 實(shí)驗(yàn)裝置044
2.2 響應(yīng)F-P 激光器同步045
2.3 參數(shù)對(duì)同步性的影響051
2.3.1 響應(yīng)F-P 激光器參數(shù)失配051
2.3.2 注入?yún)?shù)及其失配056
2.4 本章小結(jié)061
第3章 基于響應(yīng)F-P 激光器輸出模式隨機(jī)鍵控的密鑰分發(fā)
3.1 引言064
3.2 密鑰分發(fā)原理065
3.2.1 高速一致密鑰產(chǎn)生原理065
3.2.2 信息論安全原理066
3.3 實(shí)驗(yàn)裝置068
3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果070
3.4.1 單縱模同步特性070
3.4.2 同步的魯棒性和穩(wěn)定性分析074
3.4.3 模式鍵控同步及同步恢復(fù)時(shí)間076
3.4.4 高速密鑰分發(fā)078
3.4.5 結(jié)論084
3.5 本章小結(jié)085
第4章 基于響應(yīng)F-P 激光器驅(qū)動(dòng)信號(hào)中心波長(zhǎng)隨機(jī)鍵控的密鑰分發(fā)
4.1 引言088
4.2 密鑰分發(fā)原理089
4.3 驅(qū)動(dòng)信號(hào)中心波長(zhǎng)鍵控同步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證090
4.4 密鑰分發(fā)模擬系統(tǒng)和模擬結(jié)果093
4.4.1 模擬系統(tǒng)094
4.4.2 驅(qū)動(dòng)信號(hào)中心波長(zhǎng)鍵控同步模擬結(jié)果095
4.4.3 驅(qū)動(dòng)波長(zhǎng)鍵控同步及同步恢復(fù)時(shí)間101
4.4.4 一致密鑰產(chǎn)生104
4.4.5 結(jié)論106
4.5 本章小結(jié)107
第5章 總結(jié)與展望
5.1 總結(jié)110
5.2 展望112
參考文獻(xiàn)114
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