信息技术的飞速发展,给人们的生活带来了前所未有的便利。人们在享受便利的同时,需要时刻警惕可能存在的安全威胁。光纤通信作为承载信息的基础设施,其安全性越来越受到人们的重视。为了解决光纤通信中的安全问题,密码学是目前广泛使用的信息防窃听手段。然而,随着计算能力的提升,特别是量子计算机的发展,经典密码学保护下的通信网络变得越来越脆弱。而且,经典密码学无法满足光纤信道中信息的抗截获需求。近年来,光纤物理层安全防护技术作为基于计算安全的经典密码学的重要补充,已经受到相关领域科研工作者的广泛关注和重视。光纤物理层安全防护技术可以有效提高光纤信道中信息的抗截获能力。本文以量子噪声物理层安全技术为核心,以物理层加密技术和物理层密钥分发技术为技术路线,针对量子噪声流加密系统安全性能和传输性能有待提升的问题,提出了利用发射端量化噪声预处理方法以及离散傅里叶变换扩展正交频分复用(DFTs-OFDM)技术来提高系统安全性能和传输性能的方法。针对密钥分发距离和密钥成码率受限的问题,提出了一种基于光纤信道特征提取的密钥分发方案。针对如何实现加密传输与密钥分发一体化的问题,提出了基于微元映射的加密传输和密钥分发一体化方法,使原本相互独立的加密传输系统和密钥分发系统相融合。本文的主要工作和创新成果总结如下:1)提出了量子噪声流加密系统中一种发射端量化噪声预处理方法,利用量化噪声对发射信号进行遮掩,提高了量子噪声流加密系统的安全性能。讨论了量子噪声流加密(QNSC)方案的基本原理,并从理论上分析了数模转换器(DAC)中量化噪声对量子噪声流加密系统的影响。仿真实现了基于单载波相干传输的量子噪声流加密系统。研究了采用相干光检测的PSK和QAM信号格式的10 Gbit/s单载波量子噪声流加密传输系统。分四个场景分析量子噪声流加密系统的性能。分析了不同传输距离场景下的系统性能。分析了电背靠背场景下系统的性能。在高光信噪比(OSNR)光背靠背条件下,分析了 DAC分辨率和星座空间大小对系统安全性能的影响。在低OSNR光背靠背条件下,量子噪声流加密系统受到DAC量化噪声和放大器自发辐射噪声的影响。仿真结果表明,采用发射端量化噪声预处理方法,可以显著提高量子噪声流加密系统的安全性能。此外,只要系统的总噪声不变,其传输性能就不会受到影响。2)提出了一种基于DFTs-OFDM技术的量子噪声流加密系统方案,通过调节DFTs-OFDM信号的限幅率,有效提高了量子噪声流加密系统的传输性能。仿真和实验验证了基于DFTs-OFDM的10 Gbit/s量子噪声流加密相干传输系统。比较不同传输距离下的PSK/QNSC和QAM/QNSC的传输性能,结果表明PSK/QNSC可以获得更好的传输性能。通过增加PSK/QNSC和QAM/QNSC信号星座空间的大小,可以显著提高系统的安全性能。在使用不同分辨率DAC的情况下,研究了信号限幅率对传输性能的影响。仿真和实验结果表明,在低分辨率DAC情况下,Q-factor随信号限幅率的增大先增大后减小。在DAC分辨率较高的情况下,降低信号限幅率并不能显著提高Q-factor。合理调节信号的限幅率,可以有效提高系统的传输性能。3)提出了一种基于光纤信道特征提取的物理层密钥分发方案,有效提高了密钥分发距离以及密钥成码率,为解决光纤物理层密钥分发问题提供了创新途径。合法通信双方通过测量光纤环回信道误码率的动态变化来提取信道特征。由于信道受各种随机干扰和物理参数的影响,测得的误码率会随机变化。当通信双方同时测量光纤环路的误码率时,由于光纤信道的短时互易性特征,可以测得较为一致的误码率变化曲线。误码率经过量化编码后,生成一致性密钥。由于光放大器可用于本方案,因此密钥分发的距离比量子密钥分发方案要长得多。实验验证了基于光纤信道特征提取的200公里无中继物理层密钥分发系统。对测得的误码率动态变化曲线进行量化后,实验得到密钥生成速率为400kbit/s、密钥一致性为98%的初始密钥。在实验中,模拟了系统受到窃听攻击的情况。实验结果表明,系统具有良好的密钥抗截获性能。在此基础上,提出了基于微元映射的加密传输与密钥分发一体化方法,在同一光纤信道中实现了加密传输和密钥分发两项功能,可以提高光纤信道的频谱利用率,节约线路改造成本。最后,通过仿真和实验对其性能进行了验证。