[发明专利]基于全光混沌调制的自由空间轨道角动量广播通信系统

说明书

本发明公开了一种基于全光混沌调制的自由空间轨道角动量广播通信系统，加密发送端中的主激光器经过常规光反馈结构产生宽带混沌载波信号，再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；在光场调控模块中的空间光调制器上加载特殊设计的多阶复用相位板，将准直到空间光路中的高斯加密光信号调控为具有多个OAM模式的复用光束；在经过自由空间链路传输后，在OAM广播模块中的空间光调制器上分别加载多个相反的单阶相位板，实现相关光场模式解调，分别对应接收端多个用户；在接收模块，用户利用单向注入‑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，最终完成安全广播通信。

技术领域

本发明属于光通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于全光混沌调制的自由空间轨道角动量广播通信系统。

背景技术

近年来，随着4G/5G移动通信、物联网、云计算、大数据、人工智能等技术的蓬勃发展，给人们生活带来了更多便利，也给通信系统带来了更大挑战。作为信息传输主流方式之一的光通信技术，正从多通道、高速率向超高速、超大容量、超长距离光通信演进。

空间激光通信具有速率高、抗电磁干扰性强、无频谱限制等突出优势，是“最后一公里通信”、星地/星间通信等场景核心通信体制；与此同时，携带有不同轨道角动量(OAM)模式的涡旋光束具有彼此正交的特性，可以通过复用、广播等方式进一步提升空间激光通信系统的传输容量。然而，随着传输容量需求的急剧增加，信息安全问题日益严峻，尤其当激光在经过远距离自由空间信道传输后，光束发散引起接收端光斑尺寸扩大，极大增加了信息被窃听的风险。

目前，传统的信息安全技术，大多采用密码学加密算法技术在介质访问控制层及其上层进行数据加密，随着具有超快计算能力的量子计算机的出现，这类基于算法加密的保密通信方式面临着被暴力破解的威胁，而物理层安全作为整个通信系统安全的第一道屏障，具有举足轻重的意义。因此，如何提高自由空间光通信系统的物理层信息安全性已经成为了当前学术界的研究热点问题。

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。然而,在经过深入研究后，学者们发现半导体激光器固有的弛豫振荡导致混沌激光带宽仅为数GHz，在混沌光通信中，混沌激光作为载波隐藏传输的光信息，有限的混沌载波带宽限制了混沌光通信的传输速率，尽管已经提出了一些激光混沌带宽增强方案，但是由于其方案的复杂性，很难应用到现有的光通信系统。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于全光混沌调制的自由空间轨道角动量广播通信系统，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。

为实现上述发明目的，本发明提供一种基于全光混沌调制的自由空间轨道角动量广播通信系统，其特征在于，包括：加密发送端、光场调控模块、自由空间链路、OAM广播模块、以及接收用户端；

所述加密发送端包括：主激光器DL、偏振控制器PC、光纤耦合器FC1、可调光衰减器VOA1、光纤反射镜M1、光隔离器ISO、马赫曾德尔调制器MZM和任意波形发生器AWG；

主激光器DL产生激光信号，经过偏振控制器PC后输入至光纤耦合器FC1，光纤耦合器FC1按照设置的光分束比将激光分为两路，其中一路光经过可调光衰减器VOA1的衰减后由光纤反射镜M1反射回主激光器DL；另一路光输出为混沌光载波，混沌光载波通过光隔离器ISO后进入马赫曾德尔调制器MZM，同时任意波形发生器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，然后经过一个光纤准直器COL1准直为空间高斯光束进入光场调控模块；

所述光场调控模块包括一个线偏振片LP和一个反射式空间光调制器SLM1；