随着光层传输、交换和组网新技术的快速发展,光通信的传输速率和传输距离大幅度提升,光网络基础设施的开放能力也显著增强。然而,现有的光纤通信系统并不具备安全性,光纤传输过程基本处于非设防状态,可直接从光缆或者光放大器处窃听光信号并分析截获所携带的数据信息。由于物理层安全威胁及影响日益突出,同时以计算复杂性为基础的传统密码体制已无法应对来自量子计算机的强大破解能力,光通信中传输的信息内容未来将面临“被透明、被复制、被篡改”的窘境。本论文中微元信号引入噪声传输机理以光通信物理层加密技术为基础,采用多种方式的光信号处理和电信号处理手段,实现集加密和隐藏功能于一体的光通信物理层安全方案,为满足传输长距离、安全高强度的需求提供了可靠保障。本文主要研究工作和创新点如下:(1)本文基于光通信物理层安全传输领域的新理论微元,即在光纤信道传输时由于噪声影响能够判决的最细微的信号状态。详细分析了大规模多维多阶调制技术下,通过’维’和’阶’来进行信号状态划分并利用噪声进行信号隐藏的安全信号模型。最后阐述了微元噪声加密后信号的发送和安全判决接收的过程。(2)详细分析了 RS码和LDPC码的编译码算法,并在高斯白噪声信道下,对传统QPSK信号和微元噪声加密后的超高阶QAM信号经过两种编码纠错后的误码率进行了性能仿真,选择了一种适合于微元噪声加密相干光通信系统的前向纠错编码。(3)参与搭建了微元噪声加密相干光传输系统实验平台,在200km标准单模光纤中进行了微元噪声加密后的光信号传输实验,并对长距离传输后信号的质量和安全性进行了分析。实验结果表明:由于LDPC码优越的纠错性能,光信号即使经过长距离传输后仍具有很低的误码率;系统在有窃听的情况下,经过微元噪声加密后的光信号仍具有很好的安全性。