利用轨道角动量同时提高自由空间光混沌通信的容量和安全性

Yiqun Zhang, Mingfeng Xu, Mingbo Pu, Mengjie Zhou, Jiazheng Ding, Shuangcheng Chen, Kun Qiu, Ning Jiang, and Xiangang Luo, Simultaneously enhancing capacity and security in free-space optical chaotic communication utilizing orbital angular momentum, Photonics Research 11(12): 2185-2193 (2023).

与无线电通信相比，自由空间光通信由于其更高的容量和安全性，吸引了广泛的关注。然而，在实际应用中，自由空间光通信系统的安全性随着传输距离的增加，容易受到大气散射和光束发散的影响，使其有可能被额外的接收器截获，尤其是在需要确保高数据保密性安全传输的场景中，如水下通信、星球与地球间通信、星际通信和深空通信等。因此，近年来增强自由空间光通信系统物理层安全性的问题越来越受到重视。光混沌信号可以将小信号信息隐藏在类噪声的混沌载波中，结合混沌同步，可以增强物理层的信息安全性，实现安全的光传输。虽然光纤信道中的光混沌通信已经得到了充分研究，但在自由空间光链路中的探索仍处于起步阶段，尤其是在实验研究方面，如表1所示。

通过外腔反馈或注入式激光器发射的光混沌信号受到激光固有的松弛振荡的影响，这将其带宽限制在吉赫兹内，难以支持高容量的自由空间光安全通信。尽管研究人员提出了几种产生宽带混沌信号的方案，但混沌载波高频部分的同步质量和稳定性较差，限制了通信容量的提升。作为替代方案，光混沌信号的复用是实现高速安全应用的典型候选方案。实际上，传统的光纤信道方案仅限于操控混沌激光的时间、频率、相位和/或偏振域。然而，适合自由空间光链路的光混沌信号的空间维度利用尚未有研究。

另一方面，作为光的一个内在自由度，轨道角动量由于其在空间维度上的离散无限正交模式，在光通信和量子信息中引起了极大的关注。最近，轨道角动量多路复用已在经典和量子通信中被实验验证，用于增强通信容量，包括在自由空间、光纤和芯片上。这为利用光混沌的空间光场操控建立一个高速的自由空间光学混沌安全通信系统提供了一个有希望的机会。

图1展示了基于混沌的轨道角动量多路复用自由空间光学通信系统的原理验证实验装置。在Alice一侧，研究人员使用了一个带有传统光学反馈的商业外腔半导体激光器作为驱动激光源来生成混沌光载波。光学反馈回路包括一个80:20的光纤耦合器、一个偏振控制器、一个可变光衰减器和一个光纤镜。混沌光载波经过一个光隔离器后，使用来自65 GS/s的任意波形发生器的10 Gb/s非返回零开关信号通过10 GHz的马赫-曾德调制器进行调制，从而实现消息加密。加密性能可以通过掩模系数来表征，掩模系数定义为消息信号的峰值到峰值值与混沌载波信号的峰值到峰值值的比率且可以通过任意波形发生器的幅度范围进行灵活调整。一个掺铒光纤放大器和一个可变光衰减器用于预补偿轨道角动量调制和光束组合部分的功率损失，并控制入射到空间光调制器上的功率。

加密信号被分成两个分支，其中一个通道插入了10米的单模光纤以解相关数据流。每束光在自由空间中准直，并通过加载在空间光调制器上的计算机生成相位全息图转换为不同的轨道角动量模式，模式的拓扑荷为-3或1，其中拓扑荷表示光束的旋转特性。这里使用的空间光调制器是一个仅相位反射型调制器，具有12.5微米的空间分辨率。使用偏振控制器和一个自由空间线性偏振片来优化入射到空间光调制器上的光的偏振。通过光束分裂器将两个轨道角动量光束进行空间多路复用，并在自由空间中同轴传播约2米。在实验室条件下，在这种光学链路中传播的多路复用光束没有观察到失真。因此，为了模拟湍流的影响，使用湍流模拟器引入了外部波前畸变。湍流模拟器是一个薄相位屏幕板，安装在旋转平台上，并置于光学路径的中间。等效的有效弗雷德相干长度约为2.5毫米。考虑到光束直径在通过薄相位板时约为3毫米，模拟的湍流被分类为弱湍流，其光束直径与弗雷德相干长度的比值约为1.2，这与后续讨论的气象湍流对系统性能的影响相关。

在轨道角动量多路复用过程中，轨道角动量模式之间的串扰可能由于多种因素引起，如光束轴线与空间光调制器中心的错位、像差以及大气湍流，这些都会导致通信系统性能的显著下降。为了明确起见，将使用第一个空间光调制器生成轨道角动量光束的通道定义为通道1，使用第二个空间光调制器生成轨道角动量光束的通道定义为通道2。实验中，通道串扰被定义为在另一通道发送信号而目标通道关闭时接收到的目标通道功率与仅目标通道发送信号时接收到的目标通道功率的比值，即串扰系数= 10乘以对数函数。研究人员研究了两通道之间的轨道角动量模式间距对功率串扰和混沌同步串扰的影响，以确定具有最佳模式纯度分布的通道间距。理论上，由于轨道角动量的固有正交性，模式间距可以无限。然而，在实际的通信系统中，诸如收发器孔径、调制设备以及传输距离等因素对最大轨道角动量模式施加了限制。在这里，模式间距通过固定通道2中加载在第二空间光调制器上的轨道角动量阶数（1），并改变通道1中加载在第一个空间光调制器上的轨道角动量阶数（从2、-1、-2到-3），对应的模式间距为1、2、3、4来确定。

在混沌调制自由空间光通信系统中，掩蔽系数是评估加密效率的关键参数，因为信息是通过马赫–曾德调制器叠加在载波上的。图6展示了在10 Gbps传输速率下，掩蔽系数对两个通道的误码率曲线，分别包括加密、解密和窃听的信息。随着掩蔽系数的增加，解密和窃听信息的误码率逐渐降低；当掩蔽系数达到约18%时，合法接收者的误码率降到前向纠错限以下。相反，当掩蔽系数小于24%时，加密和窃听信息的误码率始终高于3.8×10^-3。然而，当掩蔽系数进一步增加时，可以预测通过线性滤波直接检测方法获取的信息的误码率可能低于前向纠错阈值。这些结果表明，较低的掩蔽系数能够有效抵御线性滤波直接检测方法的链路窃听，但代价是牺牲传输和解密性能。因此，在系统的安全性和传输性能之间需要权衡，适当地设置比特率（7 Gbps及以上）和掩蔽系数（18%至24%）能够有效地隐藏和恢复混沌光载波中的信息，并抵御窃听。

这主要源于从大气散射的光中恢复轨道角动量数据的复杂性，因为散射过程是时间变化的，会随机化轨道角动量光束的相位结构。尽管轨道角动量模式提供的密钥空间似乎有限，但窃听者仍需拦截轨道角动量光束，才能通过穷举方法解调轨道角动量模式。在这种情况下，假设窃听者通过在光学空间光调制器上加载部分阻挡的相位全息图来拦截部分轨道角动量光场。图8展示了在10 Gbps传输速率下，两条通道在不同相位全息图阻挡百分比下的实验测量误码率曲线。在完全接收的情况下，两条通道解密数据的误码率约为2.1×10^-3，而通过直接检测线性滤波法检测到的误码率高于前向纠错阈值，表明窃听者在不了解混沌系统的硬件参数的情况下无法正确解密被窃取的光信号。此时，混沌系统保证了所提出的通信系统的安全性。随着阻挡百分比的增加，混沌解密和直接检测线性滤波法下的误码率都增加；当阻挡部分超过7.5%时，混沌解密的误码率超过了前向纠错阈值。上述结果表明，即使窃听者知道混沌激光系统的精确参数，并窃取了92.5%的光场，也无法从中获得有效的信息。因此，所提出的基于混沌的轨道角动量复用通信系统的安全性进一步得到增强。

在实施这样的传输系统时，一个关键挑战是大气湍流对光在自由空间通道中传播的影响。大气折射率的随机波动会导致旋涡光束出现相位失真、光束扩散、奇点漂移等现象，这些现象会导致邻近轨道角动量通道之间的串扰，从而降低自由空间光通信系统的信息容量和传输性能。系统中，在传输链路中引入了弱大气湍流（光束直径与弗里德相干长度的比值约为 1.2），并讨论了湍流对光场、通道串扰、混沌同步和传输性能的影响。图9(a)–(c) 比较了在不同场景下两个独立的轨道角动量光束以及复用光束的强度分布。可以观察到，经过短距离自由空间链路传输后，轨道角动量光束经历了光束发散。在弱大气湍流下，轨道角动量光场明显退化，导致强度分布不均匀以及点状形状稍微不规则。图9(d) 和 (e) 展示了存在和不存在大气湍流的轨道角动量−3和轨道角动量+1 的串扰矩阵。由于湍流，轨道角动量光束受到模间串扰的影响，导致通道1和通道2的性能分别退化了约 10 dB和 22 dB。

接着，研究人员分析了湍流对自由空间单向注入锁定混沌同步的影响。图 10(a) 和图 10(b) 分别显示了无湍流和有湍流情况下CH1和CH2的同步交叉干扰矩阵。在无湍流的情况下，混沌载波在期望通道与本地混沌信号之间实现了高质量的同步（同步系数大于0.9），它们之间的交叉串扰较少。然而，当引入弱湍流时，它们的通道同步性能迅速恶化（同步系数约为 0.85），同时同步通道的交叉串扰增加。图10(c) 说明了在有无湍流条件下，两通道的误码率随传输速率变化的情况。在无湍流条件下，两通道的传输性能几乎相同，最大支持传输速率为每通道10 Gbps。在有湍流的情况下，两通道的传输性能都受到影响，最大传输速率降至每通道8 Gbps。这种性能下降是由于大气湍流影响了轨道角动量光束的传输质量和接收效率，从而降低了混沌系统的同步性能。两个通道之间的性能差异是因为设备限制只能够同时测量一个通道的误码率，而湍流相位屏是时间变化的。以上结果表明，基于混沌的轨道角动量复用自由空间光通信系统在实际应用中对大气湍流非常敏感。因此，应采用相应的湍流缓解技术，以确保实际应用链路中轨道角动量光束的纯净性和混沌信号的同步性能。