利用离散偶极子近似方法，将干涉测量粒子成像技术扩展到小尺寸冰晶的应用

《Optics & Laser Technology》：Extension of interferometric particle imaging to small ice-crystal sizes using the discrete dipole approximation

多模光纤通信中提出波前控制结合动态噪声注入的物理层安全方案，有效抑制模式串扰并提升传输容量与抗窃听能力，实验显示窃听者误码率达13.91%-37.16%。

　　

范敏瑜|刘坤|胡阳|徐明峰|王莎

四川大学电子与信息工程学院，中国成都望江路29号，610064

摘要

随着对信息安全的关注日益增加，基于多模光纤（MMF）的安全通信因其能够利用复杂的传输特性作为安全资源而受到重视。现有的波前控制方法虽然在抑制模式串扰和实现高速数据传输方面有效，但本身并不提供防止窃听的安全保障。为了解决这一限制，本文提出了一种物理层安全方案，该方案将波前控制与动态噪声注入相结合。该方法通过塑造输入波前，在预定接收者（Bob）处产生聚焦光点，而窃听者（Eve）只能捕捉到散斑图案。通过注入强度和波前动态变化的噪声，进一步增强了安全性，降低了Eve的解码能力。理论分析展示了系统在不同噪声条件下的安全性能。实验结果表明，在单通道设置中，Eve的比特错误率（BER）为13.91%；在双通道设置中，当Eve监控焦点区域时，BER为37.16%。使用多个焦点通道不仅提高了传输容量，还增强了保密性。这项工作为通过MMF进行安全数据传输提供了一种实用且有效的方法，推动了光通信物理层安全解决方案的发展。

引言

在数字时代，通信技术具有基础性的重要性[1]。随着互联网上数据量的爆炸性增长，由于其高速度、低损耗和大容量，光纤已成为全球主要的通信手段[2]。然而，单模光纤（SMF）的传输容量已接近其理论极限，传统的复用技术（如波分复用（WDM）[3]和偏振分复用（PDM）[4]、[5]的收益逐渐减少。为了克服这一瓶颈，空间分复用（SDM）作为一种有前景的方案应运而生[6]、[7]、[8]、[9]。通过利用具有大芯径并支持多个空间模式同时传播的多模光纤（MMF），SDM为扩展光通信系统的容量提供了重要途径[8]、[9]。随着互联网的普及和数字化进程的加速，对传输个人隐私、商业秘密和政府文件等敏感信息的需求显著增加[10]。数据量的增加不仅推动了对更高容量的需求，也增加了网络攻击的动机，从而加剧了对信息安全的威胁。在这种背景下，通过MMF进行安全通信引起了广泛的研究兴趣[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。理想的解决方案必须满足高速、高容量数据传输的要求，并在物理层提供强大的防窃听安全性。

尽管传统的数字加密算法被广泛部署[16]，但其长期安全性受到计算能力提升的挑战，特别是高性能和量子计算机的出现。量子密钥分发（QKD）利用量子力学原理提供了理论上无条件的安全性[12]、[17]、[18]、[19]。2020年[12]，Lyubov等人展示了一种利用MMF空间自由度的QKD协议。然而，QKD的实际应用常常受到系统复杂性和量子中继技术所限定的传输距离的限制。

替代的物理层安全方案利用了MMF的固有传输特性[13]、[14]、[15]、[20]、[21]、[22]，可以根据所使用的光纤特性分为两类：一类利用模式依赖损耗（MDL），另一类利用时变信道特性。基于MDL的方案通过不同模式的非均匀损耗在合法用户和窃听者之间创建信噪比（SNR）差距。Song等人[13]提出了一种基于速率失真的源通道编码方法，利用失真作为保密指标来阻止窃听。Stefan等人[14]、[15]利用MDL来增强安全性，并验证了模式依赖传播效应在数据保护中的可行性。Lin等人[20]将MDL集成到秘密密钥生成（SKG）系统中，设计了功率分配和Hayashi的窃听编码，实现了每通道使用23.6比特的超低泄漏率。相比之下，基于时变特性的方案利用环境扰动引起的信道动态。Lei等人[21]提出了映射变化调制（MVM），利用时变信道状态信息（CSI）调整星座图映射并进行标记优化，以最大化汉明距离。Bromberg等人[22]利用长MMF中的环境扰动引起的随机模式混合和光学互易性进行远程秘密密钥生成。然而，基于模式的信息传输仍然受到模式串扰的困扰，尽管这些方案通过MDL利用或时变CSI利用增强了安全性，但它们没有集成波前控制来抑制串扰并提供专门的防窃听机制。

为了减轻模式串扰，引入了波前控制技术来预成形输入光场，在MMF输出端生成聚焦光点，以支持可靠的数据通道。2016年[23]，Czarske等人研究了基于数字光相位共轭（DOPC）的多模光纤独立信号传输。他们的研究实现了两个完全独立（可单独切换）的光信号在单根多模光纤上的同时传输。当两个通道同时工作时，系统实现了约17的峰值背景比（PBR），信号串扰保持在-20 dB以下。2023年[24]，Luo等人采用了类似的波前成形方法：他们使用空间光调制器预调整输入光波前，在多模光纤输出端创建了空间分离的焦点，作为独立的传输通道。这种方法有效抑制了模式串扰，团队实验实现了40 Gbps的双通道数据传输速率。然而，这些研究主要集中在减轻串扰和增加数据速率上，没有加入针对窃听的专门安全措施。

为了解决这一问题，本文提出了一种结合波前控制和动态噪声注入的MMF物理层安全系统。核心思想有两个方面。首先，使用波前控制在MMF输出端生成安全、聚焦的数据通道，最小化预定接收者之间的通道间串扰。利用MMF的物理特性，非法接收者截获光纤输出时只能得到复杂的散斑图案，而无法获得聚焦信号，从而防止直接提取信息。其次，通过注入强度和波前动态变化的噪声场，引入了额外的安全层。这种组合方法确保即使Eve采用基于阈值的非实时解密策略，其比特错误率（BER）仍然很高。我们对系统的安全性能进行了理论分析，特别研究了噪声光特性对安全强度的影响。实验表明，通过单焦点和双焦点通道实现了稳定的图像传输。结果表明，使用更多通道不仅提高了通信容量，还在我们提出的方案下增强了安全性。总之，这种集成方法为增强基于MMF的通信系统的安全性提供了实用的解决方案。

部分摘录

安全通信原理

由于MMF的模式耦合和模式色散，其输出表现为散斑。传输过程由传输矩阵描述[25]。通常，Eve通过弯曲光纤来造成模式泄漏，从而窃取信息。因此，Eve测量的传输矩阵与Bob测量的传输矩阵不同。这为实现MMF中的安全通信提供了可能性。

安全通信的原理如图1所示。Alice输入信号光

数值模拟

首先，我们通过模拟研究所提出系统的保密能力。

实验结果

基于模拟结果，我们实际传输图像以验证所提出系统的保密能力。

讨论与结论

本文提出了一种结合波前控制和动态噪声注入的多模光纤（MMF）物理层安全方案，解决了现有MMF方案在平衡模式串扰抑制、传输容量和防窃听安全方面的关键问题。传统的基于模式依赖损耗的方案[13]、[14]、[15]、[20]缺乏针对性的串扰抑制，而基于时变信道特性的方案[21]、[22]的安全性能不稳定

CRediT作者贡献声明

范敏瑜：撰写——原始草稿、验证、软件开发、调查、形式分析、概念化。刘坤：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理。胡阳：软件开发、调查、形式分析。徐明峰：撰写——审阅与编辑、监督。王莎：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法论、形式分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金的支持（项目编号：62475175）。