窃听风云将不再发生?研究人员开发出基于QCL具有更高隐私度的光通信系统

江苏激光联盟导读：
自由空间光通信是远距离的两个设备之间使用光来承载信息的通信，是实现高速通信的一种很有前景的系统。众所周知，这种通信系统不受电磁干扰(EMI)的影响，电磁干扰是由外部源产生的干扰，会影响电路并破坏无线电信号。虽然一些研究强调了自由空间光通信的可能优势，但迄今为止，这种通信系统具有一定的局限性。最值得注意的是它对窃听者提供有限的安全性。来自巴黎电信（巴黎综合理工学院成员）、mirSense、达姆施塔特理工大学和加州大学洛杉矶分校(UCLA)的研究人员最近推出了一种独特的系统，该系统推出了一种基于名为量子级联激光器一种特定类型的半导体激光器，通常会发出红外光。
自由空间通信在大气透明度高的几个光波长领域重新引起了人们的兴趣。来自英国克莱德大学的研究人员在紫外实验中使用III族氮化物微型LED实现了1Gbits/s的传输。在中红外领域，为了产生在4μm左右的透明窗口中发射的高带宽源，已经出现了几种策略。使用带间级联激光器(interbandcascadelasers,ICLs)证明了高达70Mbits/s的通信速度，并且通过分别在1550nm和3594nm之间的波长下变频和上变频实现了传输。使用量子级联激光器(quantumcascadelasers,QCLs) ，已经报道了在室温和低温下类似的高速传输。
尽管早在70年代就对中红外波长发射器的开发进行了大量投资，但这些系统仍然体积庞大、效率低下且价格昂贵。 QCLs最近的加速发展，以及中红外探测器的进展，实现了小尺寸、低重量、高能效，因此在中红外室温下运行的经济实惠的光学系统。与近红外波长相比， 3-5μm和8-11.5μm之间的波长的优势在于，即使存在雾或霾，它们在大气中的透射率仍然很高。此外， 8到11.5μm之间的传输意味着隐身，因为黑体热辐射在这些波长下显示出强烈的背景。因此，很难在这个中红外窗口中可靠地检测传输信号，目前只有QCL和CO2激光器可以输出这种波长的强大光束。 QCL是在中红外域中发射的单极半导体激光器，它们在该波长域的各种应用中得到认可。
由于携带大量数据的光信号在自由空间中传播，安全密码系统的实现引起了人们的关注。这些密码系统目前有两种选择：偏振通信和量子密钥分发(quantumkeydistribution,QKD) 。后者在过去20年中得到了彻底的发展，重点是可见光和自由空间传播。当前的挑战是实现基于QKD的地对卫星通信，其中一个难点在于克服白天有害的背景噪声。夜间传播条件更有利，但这强烈限制了传输链路的可用性，这就是目前研究其他波长域的原因。例如，近红外光已经引起了人们的注意，因为它不受寄生可见光扰动的影响，而且光源在这个以电信应用而闻名的波长域中广泛可用。虽然非常吸引人，因为它依赖于物理上不可破解的光子纠缠，但用于大规模通信系统的QKD仍然受到低速、低产量、昂贵的传输设备性能的阻碍。此外，由于缺乏单光子探测器， QKD技术在作为最相关传输域之一的中红外波长尚不可用。
在这项研究中，研究人员展示了在中红外窗口中操作自由空间并基于QCL中的混沌同步的私有通信链路。在他们的配置中，混沌不是源于激光腔中的射线动力学，而是源于驱动光子和载流子密度演变的时间动力学。研究人员的方法结合了所谓的混乱与量子级联激光技术的中红外波长同步。混沌同步是一种特殊的性质，已经在半导体激光器的背景下研究了几十年。他们生成的高维混沌带宽允许0.5Mbits/s的传输速率，并且具有与常见电信校正方案兼容的错误率。总而言之，所提议的QCL系统依赖于嵌入到混沌波形中的消息，可提供卓越的隐私保护，免受黑客攻击。