本书是作者多年来从事基于多模激光器的密钥分发研究的成果。本书介绍了基于经典物理层密钥分发的研究意义以及基于激光同步密钥分发的现存问题，提出了利用超辐射发光二极管驱动多模半导体激光器同步的方案，并对激光器内部参数以及参数失配对同步性的影响进行了详细研究，提出了基于多模激光器模式随机键控以及驱动信号中心波长随机键控的密钥分发方案，最终利用模式随机键控实验实现了传输距离160km、传输速率0.75Gbit/s的密钥分发，利用驱动信号中心波长随机键控实现了多路随机密钥的并行产生，实现了速率的进一步提升。本书介绍了多模激光器模式间低相关性的特性，基于此特性提出了基于多模激光器模式随机键控以及驱动信号中心波长随机键控的密钥分发方案，并通过实验验证该方案实现了密钥分发速率数量级上的提升，得到了多路随机密钥并行产生的理论验证。本书对于从事基于混沌激光同步密钥分发研究的技术人员及师生来说是一本有价值的参考书。

高速密钥分发是现代保密通信的研究重点，关系着网络空间安全、国家经济与人民生活。基于数学算法的密钥分发，由于其所用算法具有确定性，存在着被穷举攻击的风险，因此基于物理层的密钥分发技术成为研究热点。其中，量子密钥分发（quantum key distribution,QKD） 技术原理上是绝对安全的，但其速率受到单光子探测器的限制无法实现量级提升，并且很难与现代光纤通信系统完全兼容。近年来，研究学者不断探索基于经典物理层的密钥分发技术，主要包括光纤激光器参数随机选择、物理不可克隆函数、光纤信道互易性以及激光同步等。其中，基于激光同步的密钥分发技术具有高速且长距离传输潜力。为了进一步提高此类方案安全性，在其中引入了激光同步的随机键控，与从同步区间内的激光信号中提取的随机密钥原理上是一致的，可以作为共享密钥，完成密钥分发。但键控过程导致了响应激光器数十纳秒的同步恢复时间，此时间内的激光序列不可用于随机密钥提取，造成物理熵源的利用率降低，从而将密钥分发速率限制在kbit/s量级。
针对上述问题，本书探索了缩短同步恢复时间以提高密钥分发速率的方法，提出了基于开环法布里-珀罗（Fabry-Pérot，F-P）激光器激光同步随机键控的密钥分发方案。主要内容如下：
①实验实现了超辐射发光二极管（superluminescent diode，SLD）共同驱动开环多纵模F-P激光器同步，验证了宽带随机噪声驱动信号与响应激光信号的低相关性，保证了窃听者从公共信道中获取的与物理熵源有关的信息量有限。利用VPI Transmission Maker软件模拟证明了响应F-P激光器同步性对内部参数失配的高度敏感性，说明窃听者很难利用与合法用户参数失配的窃听激光器构建同步。实验研究了响应F-P激光器中心波长和工作电流失谐对同步性的影响以及注入参数及其失配对同步性的影响，结果说明通信双方在较大参数范围内可以实现同步。
②提出了基于响应F-P激光器输出模式随机键控的密钥分发方案并进行了实验研究。通信双方利用随机控制码对多纵模同步响应F-P激光器的单个纵模进行随机选择输出：当输出模式中心波长相同时可实现同步，当输出模式中心波长不同时则不同步，由此响应F-P激光器输出模式随机选择可以实现激光同步的随机键控。通信双方通过交换并对比随机控制码，筛选相同控制码对应的激光信号区间提取的随机密钥作为共享密钥，完成密钥分发。
③提出了基于驱动信号中心波长随机键控的密钥分发方案。在宽带随机噪声信号共同驱动下，响应F-P激光器可以实现激光同步。此方案中，实验和模拟证明了当选择不同滤波中心波长的驱动信号进行扰动时，通信双方响应F-P激光器输出的激光信号相关性很低，由此驱动信号的中心波长随机选择可以实现激光同步的随机键控，通信双方同样选取从同步区间内的激光信号中提取的随机码作为共享密钥。驱动信号的滤波宽度对应响应F-P激光器的两个纵模，响应F-P激光器在其扰动下输出对应的双纵模激光信号，通过后续对其进行单模滤波，VPI软件模拟实现了随机密钥的双路并行产生。
本书内容是山西省教育厅2023年度山西省高等学校科技创新项目基于Fabry-Pérot激光器混沌同步高速键控的Gbps量级密钥分发研究（项目编号2023L420）以及2023年山西省基础研究计划（自由探索类）青年科学研究项目基于多纵模激光器混沌同步高速键控的并行物理密钥分发（项目编号202303021222283）的阶段性研究成果。本书在成书过程中，参考了大量期刊论文及书籍，在此对其作者深表感谢。
由于本人水平有限，尽管反复斟酌与修改，书中仍难免存在疏漏和不足之处，望广大读者提出意见和建议，以便修订时更正。

著者

无

第1章 绪论
1.1 经典物理层密钥分发的研究意义002
1.2 经典物理层密钥分发主要方法005
1.2.1 光纤激光器参数随机选择005
1.2.2 物理不可克隆函数011
1.2.3 光纤信道互易性013
1.2.4 半导体激光器的非线性动态发展历程及同步方式021
1.3 基于半导体激光器同步的密钥分发研究现状023
1.3.1 研究进展024
1.3.2 现存的问题037
1.4 本书主要研究内容040

第2章 噪声信号驱动响应F-P 激光器同步
2.1 实验装置044
2.2 响应F-P 激光器同步045
2.3 参数对同步性的影响051
2.3.1 响应F-P 激光器参数失配051
2.3.2 注入参数及其失配056
2.4 本章小结061

第3章 基于响应F-P 激光器输出模式随机键控的密钥分发
3.1 引言064
3.2 密钥分发原理065
3.2.1 高速一致密钥产生原理065
3.2.2 信息论安全原理066
3.3 实验装置068
3.4 实验结果070
3.4.1 单纵模同步特性070
3.4.2 同步的鲁棒性和稳定性分析074
3.4.3 模式键控同步及同步恢复时间076
3.4.4 高速密钥分发078
3.4.5 结论084
3.5 本章小结085

第4章 基于响应F-P 激光器驱动信号中心波长随机键控的密钥分发
4.1 引言088
4.2 密钥分发原理089
4.3 驱动信号中心波长键控同步的实验验证090
4.4 密钥分发模拟系统和模拟结果093
4.4.1 模拟系统094
4.4.2 驱动信号中心波长键控同步模拟结果095
4.4.3 驱动波长键控同步及同步恢复时间101
4.4.4 一致密钥产生104
4.4.5 结论106
4.5 本章小结107

第5章 总结与展望
5.1 总结110
5.2 展望112

参考文献114