CN101867416A - 基于受激布里渊散射的保密光通信系统 - Google Patents

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Abstract

一种光通信技术领域的基于受激布里渊散射的保密光通信系统，包括：信号发射装置、信号加密装置、传输光纤、信号解密装置和信号接收装置，其中：信号加密装置包括：第一布里渊泵浦光源、第一布里渊增益介质和第一环形器，信号解密装置包括：第二布里渊泵浦光源、第二布里渊增益介质和第二环形器。本发明的加密变量多，如：布里渊增益或吸收峰、增益/吸收幅度、波长、带宽和谱形等；可支持高速信号，SBS带宽可被展宽至25GHz，因此SBS保密技术有能力对10Gb/s甚至40Gb/s速率信号加密和解密；SBS保密光通信可对现有WDM系统发射信号进行直接加密，发射信号无须使用特殊的超短脉冲激光器，可与现有WDM系统完全兼容。

Description

基于受激布里渊散射的保密光通信系统
技术领域
本发明涉及的是一种光通信技术领域的系统，具体是一种基于受激布里渊散射的保密光通信系统。
背景技术
高速通信系统容量非常巨大，这些海量的数据可能包括各种重要信息。为了防止机密的信息被非法用户所窃取，必须对信号进行加密。即使非法用户探测到了该信号，也无法对该信号进行正确解读，而合法用户采用相应的解密手段即可正确解读该机密信息。目前的信号加密方式主要包括以下几种：
经典软件加密：信号的加密和解密最初是通过软件实现。软件加密对网络硬件没有特殊要求，主要通过复杂的方法实现。但窃听者同样可以通过软件破解加密信号。
量子加密：在量子密码系统里，任何窃取者在监听光子束时都会改变光子状态，从而被发送者或接收者察觉，发送者将停止发送密码或切换到其它信道发送密码。原则上，这种技术可以做出无法破解的密匙。但量子加密目前有两个主要的缺点有待解决，一是受限于单光子接收机的速率，加密信号速率通常为MHz量级，无法支持高速信号加密；二是量子信号不能放大，无法支持长距离传输。
物理层加密：物理层加密可以作为经典软件加密和量子加密技术的有效补充。在传统通道的物理层通过硬件设备对传输信号进行直接加密，可进一步提高信号的保密性。目前的物理层加密技术主要包括光码分复用技术(Optical Code Division Multiplexing Accessing，OCDMA)和混沌光通信技术。
OCDMA(光码分多址)：OCDMA是在光域上实现信号的CDMA编码、解密和传输，既利用CDMA的优点，同时又提高CDMA的传输速率。其信号保密性是通过对每个用户进行独立编码和解密实现。
经对现有文献检索发现，文献[Z.Jiang，et al，“Four-user，2.5Gb/s，spectrally codedOCDMA system demonstration using low-power nonl inear processing，”Journal ofLightwave Technology，vol.23，pp.143-158，2005](Z.Jiang等，《使用低功率非线性处理的4个2.5Gb/s用户谱编码光码分复用系统演示》，光波技术杂志，页码143-158，2005)报道了基于光码分复用技术的4个2.5Gb/s用户的保密演示。该技术将一个超短脉冲光源(约400fs)进行2.5Gb/s调制，然后分成四路，每路使用谱相位编码器进行编码，编码后的四路信号合成后进行传输。编码后的信号类似噪声，窃听者无法获取正常信息。编码后的信号经光纤传输后输入解密器，通过将解密器的码型设置成和编码器对应，可以恢复初始信号。但是该机将发射信号的脉冲展宽成功率均匀分布的噪声，因此要求信号发射源必须是超短脉冲光源。而现有波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)系统中的光源都是普通窄带激光器，无法直接使用该技术对现有WDM系统中的信号进行直接加密。
混沌保密光通信：混沌是一种物理现象，是指发生在确定性系统中的貌似随机的不规则运动，其行为表现为不确定性-不可重复、不可预测。在信号发射端，将一个小信号加载到混沌载波上发射；由于混沌载波具有不可重复、不可预测的混沌特性，加载到混沌载波上的信号无法被探测；而在信号接收端，通过混沌系统的同步特性将混沌载波消除，即可恢复发射的信号，实现混沌保密通信。
经检索又发现，雅典大学的A.Argyris等人在雅典的城域网上首次演示了混沌光通信在真实网络中的传输性能[A.Argyris et al.，“Chaos-based communications at high bitrates using commercial fibre-optical links，”Nature 438，343-346，2005](A.Argyris等，《使用商用光纤链路的高速率混沌通信》，自然，页码343-346，2005)。该文献中，激光器输出功率的一部分连接到一光纤反射镜，反射光在激光腔中振荡形成混沌载波，使用调制器对该混沌载波进行数据调制将欲传送的信号加载到该混沌载波上，形成混沌信号；该混沌信号连接放大器和光纤进行功率放大和传输。接收端，混沌信号的一部分功率输入另一和发射激光器参数完全相同的激光器进行混沌载波同步；经混沌载波同步的信号和混沌信号分别经过光电探测后进行合成，可从混沌信号中恢复出初始信号，实现信号解密。该技术主要受限于发射端和接收端的激光器性能，需要性能参数完全一致。而实际生产中两只激光器很难做到完全相同，从而会影响信号的解密质量，使混沌保密通信速率受到限制，难以实现10Gb/s及以上信号保密传输。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种基于受激布里渊散射的保密光通信系统。本发明能对现有WDM的光源信号进行直接加密处理而无须特殊超短脉冲光源；能对10Gb/s甚至40Gb/s的高速信号进行加密和解密，具有与现有WDM系统完全兼容的优点。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：信号发射装置、信号加密装置、传输光纤、信号解密装置和信号接收装置，其中：信号发射装置与信号加密装置相连传输光信号，信号加密装置与传输光纤的一端相连传输加密后的信息，传输光纤的另一端与信号解密装置相连传输加密后的信息，信号解密装置与信号接收装置相连传输解密后的信息，信号接收装置输出原始光信号。
所述的信号加密装置包括：第一布里渊泵浦光源、第一布里渊增益介质和第一环形器，其中：第一布里渊泵浦光源与第一环形器的第一个端口相连传输布里渊泵浦光，第一布里渊增益介质的一端与信号发射装置相连传输光信号，第一布里渊增益介质的另一端与第一环形器的第二个端口相连传输加密信息，第一环形器的第三个端口与传输光纤相连传输加密的信息。
所述的第一布里渊泵浦光源是用来产生各种形状布里渊增益谱或吸收谱的光源，该光源是单频连续激光器，或者是经过电流直接调制或调制器外调制的宽带光源。
所述的第一环形器的第三个端口还与窃听装置相连，该窃听装置包括：耦合器和接收机，其中：耦合器与传输光纤相连传输加密的信息，耦合器与接收机相连传输部分加密信息。
所述的信号解密装置包括：第二布里渊泵浦光源、第二布里渊增益介质和第二环形器，其中：第二布里渊增益介质与传输光纤相连传输加密的信息，第二布里渊增益介质与第二环形器的第一个端口相连传输解密的信息，第二环形器的第二个端口与第二布里渊泵浦光源相连传输布里渊泵浦光，第二环形器的第三个端口与信号接收装置相连传输解密的信息。
所述的第二布里渊泵浦光源是用于产生各种形状的解密用布里渊增益或吸收谱的光源，该光源是单频连续激光器，或者是经过电流直接调制或调制器外调制的宽带光源。
所述的第一布里渊泵浦光源的中心波长与所述的第二布里渊泵浦光源的中心波长的差是所述的第一布里渊增益介质的布里渊频移的两倍。
所述的传输光纤是标准单模光纤、色散位移光纤和非零色色散位移光纤中的一种。
所述的信号发射装置是非归零码发射机、归零码发射机、双二进制码发射机和差分相移键控码发射机中的一种。
所述的第一布里渊增益介质和第二布里渊增益介质完全相同，是光纤，或者是非线性介质。
所述的信号接收装置是非归零码接收机、归零码接收机、双二进制码接收机和差分相移键控码接收机中的一种。
本发明的工作原理如下：本发明在信号发射端利用受激布里渊散射(Stimulated BrillouinScattering，SBS)增益或吸收谱来放大或吸收部分高速信号频率成分，改变信号频率能量分布，劣化信号质量，使眼图完全闭合，实现对信号的加密；同时在接收端用同等形状的布里渊吸收或增益谱恢复信号形状，实现对信号的解密。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)加密变量多：在加密手段上有多个可调变量，如布里渊增益或吸收峰、增益/吸收幅度、波长、带宽和谱形等；
2)可支持高速信号：SBS带宽可被展宽至25GHz，因此SBS保密技术有能力对10Gb/s甚至40Gb/s速率信号加密和解密；
3)SBS保密光通信可对现有WDM系统发射信号进行直接加密，发射信号无须使用特殊的超短脉冲激光器，可与现有WDM系统完全兼容。
附图说明
图1为本发明中信号经放大和吸收后恢复原状的原理示意图。
图2为实施例的组成连接示意图；
其中：1-信号发射装置；2-第一布里渊泵浦光源；3-第一布里渊增益介质；4-第一环形器；5-信号加密装置；6-传输光纤；7-窃听装置；8-第二布里渊泵浦光源；9-第二布里渊增益介质；10-第二环形器；11-信号解密装置；12-信号接收装置。
图3为实施例中SBS增益谱加密10Gb/s非归零信号效果图。
图4为实施例中SBS吸收谱加密10Gb/s非归零信号效果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的系统进一步描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
本实施例包括：信号发射装置1、信号加密装置5、传输光纤6、窃听装置7、信号解密装置11和信号接收装置12，其中：信号发射装置1与信号加密装置5相连传输光信号，信号加密装置5与传输光纤6的一端相连传输加密后的信息，传输光纤6的另一端分别与窃听装置7和信号解密装置11相连传输加密后的信息，信号解密装置11与信号接收装置12相连传输解密后的信息，信号接收装置12输出原始光信号。
所述的信号发射装置1为10Gb/s非归零码发射机，发射波长为1550nm，发射功率为0dBm。
所述的信号加密装置5包括：第一布里渊泵浦光源2、第一布里渊增益介质3和第一环形器4，其中：第一布里渊泵浦光源2与第一环形器4的第一个端口相连传输布里渊泵浦光，第一布里渊增益介质3的一端与信号发射装置1相连传输光信号，第一布里渊增益介质3的另一端与第一环形器4的第二个端口相连传输加密信息，第一环形器4的第三个端口分别与窃听装置7和信号解密装置11相连传输加密的信息。
所述的第一布里渊光源2是频率可精确调整的分布反馈激光器，该激光器的频率比非归零码发射机的频率高10.56GHz，最大输出功率为5dBm。
所述的第一布里渊增益介质3是10km长的标准单模光纤(SMF-28)，其布里渊频率为10.56GHz。
所述的传输光纤6是25km长的标准单模光纤(SMF-28)。
所述的窃听装置7用于窃听加密信号，包括：耦合器和接收机，其中：耦合器与传输光纤相连传输加密的信息，耦合器与接收机相连传输部分加密信息。
所述的耦合器的分光比为2％。
所述的接收机是带数字接收电路的标准10Gb/s强度接收机，其饱和功率为0dBm。
所述的信号解密装置11包括：第二布里渊泵浦光源8、第二布里渊增益介质9和第二环形器10，其中：第二布里渊增益介质9与传输光纤6相连传输加密的信息，第二布里渊增益介质9与第二环形器10的第一个端口相连传输解密的信息，第二环形器10的第二个端口与第二布里渊泵浦光源8相连传输布里渊泵浦光，第二环形器10的第三个端口与信号接收装置12相连传输解密的信息。
所述的第二布里渊泵浦光源8是频率可精确调整的分布反馈激光器，该激光器的频率比非归零码发射机的频率低10.56GHz，最大输出功率为5dBm。
所述的第二环行器10是与第一环行器4完全相同的器件。
所述的第二布里渊增益介质9是与第一布里渊增益介质3长度和型号均相同的光纤。
所述的信号接收装置12为标准10Gb/s强度接收机，饱和功率为0dBm。
图1演示了信号如何经过放大和吸收后恢复原状。频率为vO的泵浦光在vB处产生一布里渊吸收峰，吸收峰带宽由光纤种类决定，峰值大小由泵浦功率和光纤长度决定；同时频率为2vB的泵浦在vB处产生一布里渊增益峰，增益峰带宽亦由光纤种类决定，峰值大小由泵浦功率和光纤长度决定。当吸收和放大过程采用相同的光纤种类和相同的泵浦功率以及光纤长度，vB处的布里渊吸收峰和增益峰的带宽相同，峰值相同，只是幅度相反。当信号频率为vB时，先后经过布里渊增益峰和吸收峰的放大和吸收，幅度相位均保持不变。
上述现象应用于信号保密领域，当布里渊增益或吸收带宽小于信号带宽时，放大或吸收可以导致信号质量劣化。因此可以将布里渊吸收或增益作为信号的加密手段，将信号质量大大劣化，从而得不到清晰的眼图，窃听用户在不经过特殊处理的情况下无法得到正确的信息；而在合法用户端，使用相同形状的布里渊增益或吸收作为信号的解密手段，可将劣化的信号恢复原状，获得正确的信息。此即SBS保密光通信的基本原理。
光纤的SBS带宽通常仅为30～50MHz，不同类型的光纤对应的布里渊带宽略有不同，但均在此范围，且其谱形都呈洛伦兹型。布里渊增益/吸收谱的带宽等于布里渊泵浦带宽和布里渊内在线宽的卷积，当泵浦带宽远大于布里渊内在线宽时，布里渊增益/吸收带宽近似等于布里渊泵浦带宽，因此通过控制泵浦的线宽及谱形可控制布里渊增益/吸收谱的带宽及谱形。由于SBS带宽及谱形具有灵活的控制性，两者组合可形成任意形状的SBS增益或吸收谱。
综上，SBS加密除了需使用特定频率的泵浦光源外，还有用户可控制的加密密匙：增益或吸收峰、增益/吸收幅度、频率、带宽、谱形等。发射端可采用布里渊增益峰或吸收峰加密，可采用不同的增益或吸收幅度加密，可采用不同的泵浦频率加密，还可采用不同的增益/吸收带宽和谱形加密。接收端必须采用相同的吸收/增益幅度、频率、带宽和谱形才能完全恢复信号，正确解密。窃听者在不了解密匙或密匙组合不正确的情况下无法正确解密信号。此外，收发双方还可根据需要不断变换密匙，进一步提高窃听的难度。
本实施例的工作过程：信号发射装置1输出一10Gb/s的非归零码信号。第一布里渊增益介质3是一段长度为25km的单模光纤(SMF-28)，布里渊频移为10.56GHz。第一布里渊泵浦光源2是一频率比发射信号中心频率高10.56GHz的单频连续光源，该光源通过第一环形器4输入第一布里渊增益介质3，产生一带宽约50MHz的布里渊增益谱。该窄带增益位于发射10Gb/s信号频率的中心部分，将信号的低频分量放大，而其余高频成分不受影响，因而导致信号的频谱能量分布发生改变，将发射信号劣化，眼图闭合，实现加密。窃听者在不经过任何处理直接对加密信号检测的情况下得不到任何有用信息。而在合法用户端，通过使用比发射信号中心频率低10.56GHz的第二布里渊泵浦光源8以及与第一布里渊增益介质8的参数完全一致的第二布里渊增益介质9，可产生谱形及带宽与加密端产生的布里渊增益谱吻合的布里渊吸收谱，将发射信号被放大的中心频率成分吸收，使发射信号的频谱能量恢复到初始状态，实现信号的解密。
图3为采用洛伦兹型布里渊增益谱加密10Gb/s非归零伪随机码的效果图，其中布里渊增益谱的带宽为50MHz，其中心频率与10Gb/s信号的中心频率吻合，增益峰值为20dB。此时的布里渊放大相当于一个窄带滤波器，只有很少一部分低频成分被其放大，导致眼图完全闭合，窃听者检测不到任何有用信号。而合法用户通过在接收端使用一带宽为50MHz、幅度为20dB的洛伦兹型布里渊吸收峰即可将此劣化的信号恢复原状。
布里渊吸收谱同样可以用于信号加密。由于普通布里渊吸收谱的带宽远远小于信号的带宽，仅有很少部分信号频率被吸收，信号劣化效果不是特别明显，因此达不到信号加密的最佳效果。要想剧烈劣化宽带信号质量，使眼图完全闭合，让窃听用户探测不到任何有用信息，需要展宽布里渊吸收谱的带宽。如前所述，布里渊吸收谱展宽可通过泵浦激光器内调制或外加调制器调制的方式实现。
本实施例还可以通过内调制或外调制的方式将布里渊泵浦光源展宽，产生各种形状的布里渊增益或吸收谱，提高信号的保密度，但此时第一布里渊泵浦2和第二布里渊泵浦8的中心频率分别位于发射信号中心频率的两侧，并与发射信号中心频率的间隔为加密第二布里渊增益介质的布里渊频移。
图4所示为将布里渊吸收谱带宽展至500MHz同时保持20dB峰值吸收时所对应的10Gb/s非归零信号加密效果图。由此可见，当布里渊吸收带宽展至500MHz后，信号被完全劣化，达到最佳加密效果，窃听用户探测不到任何有用信号。而在合法用户端可采用同样展宽到500MHz、峰值增益为20dB的高斯型布里渊增益谱将其解密。
本实施例的优点：本实施例系统可以直接对现有WDM系统的发射光源进行加密，不需使用特殊的超短脉冲光源，此外，该保密方案可以直接对10Gb/s高速信号进行加密。因此，基于受激布里渊散射的保密光通信系统可以完全和现有高速WDM系统兼容，对现有通信系统提供经济有效的安全保障。

Claims (10)

1.一种基于受激布里渊散射的保密光通信系统，包括：信号发射装置、信号加密装置、传输光纤、信号解密装置和信号接收装置，其特征在于，信号发射装置与信号加密装置相连传输光信号，信号加密装置与传输光纤的一端相连传输加密的信息，传输光纤的另一端与信号解密装置相连传输加密后的信息，信号解密装置与信号接收装置相连传输解密后的信息，信号接收装置输出原始光信号；
所述的信号加密装置包括：第一布里渊泵浦光源、第一布里渊增益介质和第一环形器，其中：第一布里渊泵浦光源与第一环形器的第一个端口相连传输布里渊泵浦光，第一布里渊增益介质的一端与信号发射装置相连传输光信号，第一布里渊增益介质的另一端与第一环形器的第二个端口相连传输加密信息，第一环形器的第三个端口与传输光纤相连传输加密的信息；
所述的信号解密装置包括：第二布里渊泵浦光源、第二布里渊增益介质和第二环形器，其中：第二布里渊增益介质与传输光纤相连传输加密的信息，第二布里渊增益介质与第二环形器的第一个端口相连传输解密的信息，第二环形器的第二个端口与第二布里渊泵浦光源相连传输布里渊泵浦光，第二环形器的第三个端口与信号接收装置相连传输解密的信息。
2.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射的保密光通信系统，其特征是，所述的传输光纤是标准单模光纤、色散位移光纤和非零色色散位移光纤中的一种。
3.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射的保密光通信系统，其特征是，所述的信号发射装置是非归零码发射机、归零码发射机、双二进制码发射机和差分相移键控码发射机中的一种。
4.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射的保密光通信系统，其特征是，所述的信号接收装置是非归零码接收机、归零码接收机、双二进制码接收机和差分相移键控码接收机中的一种。
5.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射的保密光通信系统，其特征是，所述的布里渊泵浦光源是单频连续激光器。
6.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射的保密光通信系统，其特征是，所述的布里渊泵浦光源是经电流直接调制或调制器外调制的宽带光源。
7.根据权利要求5或6所述的基于受激布里渊散射的保密光通信系统，其特征是，所述的第一布里渊泵浦光源的中心波长与所述的第二布里渊泵浦光源的中心波长的差是所述的第一布里渊增益介质的布里渊频移的两倍。
8.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射的保密光通信系统，其特征是，所述的第一环形器的第三个端口还与窃听装置相连，该窃听装置包括：耦合器和接收机，其中：耦合器与传输光纤相连传输加密的信息，耦合器与接收机相连传输部分加密信息。
9.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射的保密光通信系统，其特征是，所述的布里渊增益介质是光纤。
10.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射的保密光通信系统，其特征是，所述的布里渊增益介质是非线性介质。
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