Ukrainian Journal of Physical Optics


2026 Volume 27, Issue 4


ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)

SYMBOL-LEVEL PHYSICAL-LAYER ENCRYPTION DRIVEN BY COUPLED CHAOTIC MAPS FOR FIBER-THz INTEGRATED LINKS

Yang, Z., Wang, D., Zhou, S., Wang, X., Yu, N. and Yang, X.

Author Information
1Yang, Z. ORCID logo, 1,2Wang, D. ORCID logo, 3Zhou, S. ORCID logo, 1,2,3*Wang, X. ORCID logo, 3Yu, N. ORCID logo, 1,2,4Yang, X. ORCID logo
1School of Artificial Intelligence, Wuhan Technology and Business University, Wuhan, 430065, China
2Nanchang Institute of Technology, School of Electronic Information, Nanchang, China
3School of Physics and Electronic Engineering, Fuyang Normal University, Fuyang, 236037, China
4Advanced Cryptography and System Security Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu, China
*Corresponding author: wxqing@fynu.edu.cn

ABSTRACT

Abstract. To counter passive eavesdropping in the open-air Terahertz segment of 6G Fiber–THz–Fiber links, we propose a symbol-level dual-chaos encryption (DCE) scheme coupling a Logistic map with an Arnold Cat map. Through 200 rounds of joint iteration, multi-digit extraction–concatenation–normalization, and spatio-temporal correlation feedback extension, uniformly distributed [0, 1) keys with suppressed adjacent-symbol correlation are generated. The key stream drives quadrature phase-shift keying phase rotation entirely within the transmitter's digital signal processing, leaving the optical–THz interface intact. On a 360–430 GHz photonic heterodyne platform with 3 m wireless span, the legitimate-user BER stays below the 3.8×10-3 hard-decision forward error correction threshold up to ~124 km of single-mode fiber, while eavesdroppers remain pinned near 0.5. The key space reaches ~2186, the stream passes the full NIST SP 800-22 suite, and the maximum Lyapunov exponent stays positive across the operational region. DCE thus offers a lightweight, quantitatively assessable physical-layer security pathway for 6G optical–THz convergence.

Keywords: 6G, Fiber-THz-Fiber, physical-layer encryption, dual-chaos, logistic map, Arnold Cat map

UDC: 621.391.6

    1. Akyildiz, I. F., Han, C., & Nie, S. (2018). Combating the distance problem in the millimeter wave and terahertz frequency bands. IEEE Communications Magazine, 56(6), 102-108.
      doi:10.1109/MCOM.2018.1700928
    2. Zhang, J., Zhu, M., Hua, B., Lei, M., Cai, Y., Zou, Y., , Tong, W., Ding, J., Tian, L., Ma, L., Xiao, J., Huang Y., Yu, J. & You, X. (2022). Real-time demonstration of 100 GbE THz-wireless and fiber seamless integration networks. Journal of Lightwave Technology, 41(4), 1129-1138.
      doi:10.1109/JLT.2022.3204268
    3. Nagatsuma, T., Horiguchi, S., Minamikata, Y., Yoshimizu, Y., Hisatake, S., Kuwano, S., Yoshimoto, N., Terada, J. & Takahashi, H. (2013). Terahertz wireless communications based on photonics technologies. Optics Express, 21(20), 23736-23747.
      doi:10.1364/OE.21.023736
    4. Zhang, J., Zhu, M., Lei, M., Hua, B., Cai, Y., Zou, Y., ... & You, X. (2022). Real-time demonstration of 103.125-Gbps fiber-THz-fiber 2× 2 MIMO transparent transmission at 360-430 GHz based on photonics. Optics Letters, 47(5), 1214-1217.
      doi:10.1364/OL.448064
    5. Zhu, M., Zhang, J., Hua, B., Lei, M., Cai, Y., Tian, L., ... & You, X. (2023). Ultra-wideband fiber-THz-fiber seamless integration communication system toward 6G: architecture, key techniques, and testbed implementation. Science China Information Sciences, 66(1), 113301.
      doi:10.1007/s11432-022-3565-3
    6. Cai, Y., Yang, X., Zhu, M., Hua, B., Xie, Z., Tong, W., ... & You, X. (2024). Photonics-aided exceeding 200-Gb/s wireless data transmission over outdoor long-range 2× 2 MIMO THz links at 300 GHz. Optics Express, 32(19), 33587-33602.
      doi:10.1364/OE.534985
    7. Zhang, Y., Shu, H., Guo, Y., Zhou, P., Wang, L., Cai, J., ... & Wang, X. (2026). Integrated photonics enabling ultra-wideband fibre-wireless communication. Nature, 1-8.
      doi:10.1038/s41586-026-10172-9
    8. Bennett, C. H., & Brassard, G. (2014). Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing. Theoretical Computer Science, 560, 7-11.
      doi:10.1016/j.tcs.2014.05.025
    9. Wu, Y., Zhang, Z., Luo, H., Deng, L., Yang, Q., Dai, X., ... & Cheng, M. (2023). 100Gb/s coherent optical secure communication over 1000 km based on analog-digital hybrid chaos. Optics Express, 31(20), 33200-33211.
      doi:10.1364/OE.499634
    10. Zheng, L., Zhang, Z., Fok, M. P., Liu, Z., & Xiao, S. (2021). Optical analog noise encryption with adaptive recovery of two-dimensional keys. IEEE Photonics Technology Letters, 33(21), 1185-1188.
      doi:10.1109/LPT.2021.3112703
    11. Lei, C., Lin, R., Li, Y., Wang, B., Zhang, M., Zhao, Y., & Zhang, J. (2023). Integration of self-adaptive physical-layer key distribution and encryption in optical coherent communication. Journal of Lightwave Technology, 41(17), 5599-5606.
      doi:10.1109/JLT.2023.3257963
    12. Wang, D., Wang, H., & Ji, Y. (2024). Secure key generation and distribution scheme based on historical fiber channel state information with LSTM. Optics Express, 32(2), 1391-1405.
      doi:10.1364/OE.510433
    13. Xiao, Y., An, Z., Jiang, L., Zhou, C., Li, Y., & Wang, S. (2024). Probabilistic shaping encryption scheme based on dual-parameter bit-weighted distribution matching in MMW-RoF system. Journal of Lightwave Technology, 43(2), 539-546.
      doi:10.1109/JLT.2024.3458029
    14. Hao, N., Jiang, L., Feng, J., Sun, J., Yi, A., Pan, W., & Yan, L. (2024). Numerical investigations of M-QAM chaotic optical communication with amplitude and phase encryption. Journal of Lightwave Technology, 42(15), 5141-5147.
      doi:10.1109/JLT.2024.3389036
    15. Kanakidis, D., Argyris, A., Bogris, A., & Syvridis, D. (2006). Influence of the decoding process on the performance of chaos encrypted optical communication systems. Journal of Lightwave Technology, 24(1), 335.
      doi:10.1109/JLT.2005.859850
    16. Zhao, A., Jiang, N., Liu, S., Zhang, Y., & Qiu, K. (2021). Physical layer encryption for WDM optical communication systems using private chaotic phase scrambling. Journal of Lightwave Technology, 39(8), 2288-2295.
      doi:10.1109/JLT.2021.3051407
    17. Wang, Y., Zhang, Q., Xin, X., Sun, M., Gao, R., Yao, H., ... & Li, Z. (2024). Security enhancement for NOMA-PON with 2D cellular automata and Turing pattern cascading scramble aided fixed-point extended logistic chaotic encryption. Journal of Optical Communications and Networking, 16(12), 1204-1217.
      doi:10.1364/JOCN.525848
    18. do Nascimento, J. C., Damasceno, R. L. C., de Oliveira, G. L., & Ramos, R. V. (2018). Quantum-chaotic key distribution in optical networks: from secrecy to implementation with logistic map: JC do Nascimento et al. Quantum Information Processing, 17(12), 329.
      doi:10.1007/s11128-018-2097-1
    19. Tang, X., & Mandal, S. (2021). Encrypted physical layer communications using synchronized hyperchaotic maps. IEEE Access, 9, 13286-13303.
      doi:10.1109/ACCESS.2021.3051810
    20. Chang, X. Y., Deng, T., Zhang, L. (2025). Design of an odd order orthogonal transform assisted MIMO transceiver based on chaotic encryption. Optical Communication Technology, 49(2), 57-63.
    21. Akraam, M., Rashid, T., & Zafar, S. (2024). A novel and secure image encryption scheme based on two-dimensional logistic and Arnold Cat map. Cluster Computing, 27(2), 2029-2048.
      doi:10.1007/s10586-023-04084-w
    22. Zareai, D., Balafar, M., & FeiziDerakhshi, M. (2023). EGPIECLMAC: efficient grayscale privacy image encryption with chaos logistics maps and Arnold Cat. Evolving Systems, 14(6), 993-1023.
      doi:10.1007/s12530-022-09482-w

    Для протидії пасивному прослуховуванню у відкритому терагерцовому (THz) сегменті 6G оптоволоконних з'єднань ми пропонуємо схему символьного шифрування з подвійним хаосом (DCE), що поєднує логістичну карту з картою кота Арнольда. Шляхом 200 раундів спільної ітерації, багатоцифрового вилучення-конкатенації-нормалізації та розширення просторово-часового кореляційного зворотного зв'язку генеруються рівномірно розподілені ключі [0, 1) з пригніченою кореляцією між сусідніми символами. Потік ключів повністю керує фазовим обертанням квадратурної фазової маніпуляції в межах цифрової обробки сигналів передавача, залишаючи оптично-терагерцевий інтерфейс недоторканим. На фотонній гетеродинній платформі 360–430 ГГц з бездротовою протяжністю 3 м BER легітимного користувача залишається нижче порогу жорсткої корекції помилок прямого рішення 3,8×10-3 до ~124 км одномодового волокна, тоді як підслуховувачі залишаються заблокованими поблизу 0,5. Ключовий простір досягає ~2186, потік проходить повний набір NIST SP 800-22, а максимальний показник Ляпунова залишається додатним на всій операційній області. Таким чином, DCE пропонує легкий, кількісно оцінюваний шлях безпеки на фізичному рівні для конвергенції оптичного та ТГц-зв'язку 6G.

    Ключові слова: 6G, оптоволокно-ТГц-оптоволокно, шифрування фізичного рівня, подвійний хаос, логістична карта, карта Кота Арнольда

Free download this article 

This work is licensed under CC BY 4.0