CN102347800A - 一种基于动态强色散管理的保密光通信系统 - Google Patents

Abstract

一种基于动态强色散管理的保密光通信系统，属保密通信技术领域。包括光信号发射、光信号加密、光信号传输、光信号接收、光信号解密部分，在光信号加密中设置固定和可调色散模块，在光信号解密中中设置固定和可调色散补偿模块，色散模块与色散补偿模块采用光纤布拉格光栅、G-T标准具、MEMS、PLC环形共振腔等中的任意一种构成；光信号加密部分一端与光信号发射机连接，另一端与光信号传输部分连接，密钥通过密钥通道传递给光信号解密部分；光信号解密部分一端与光信号传输部分连接，另一端与光信号接收机连接；光信号解密部分根据密钥提供的信息对传输后的光脉冲进行实时、同步的精确补偿，使信号复原。在保密通信中，首次将动态色散管理技术应用于光通信系统，实现了信息的保密传输。

Description

一种基于动态强色散管理的保密光通信系统

技术领域

本发明涉及保密通信技术领域，尤其是一种基于动态强色散管理的保密光通信系统。

背景技术

光纤保密传输通信方式目前主要有三种：光码分多址(Optical Code Division Multiplexing Access)系统；量子保密通信（Quantum Private Communication），混沌保密通信（Chaotic Secure Communication）。

与上述方法不同，本发明基于色散效应原理，采用动态强色散管理方案。强色散管理目前应用于高速准线性系统中提高光通信系统的传输质量，未见用于保密通信中。例如：

参考文献（1）R.-J Essiambre, G. Raybon, and B. Mikkelsen, “Pseudo-Linear transmission of high-speed TDM signals: 40 and 160 Gb/s,” in Optical Fiber Telecommunications IV: B., Systems and Impairments, I. Kaminov, T. Li, Eds. New York: Academic, 2002, ch. 6, pp. 232～304。

参考文献（2）蔡炬，毛宇，吕辉等，“强色散控制准线性传输系统中的非线性效应”，量子电子学报，2003，no.5，pp74-79。发明人利用色散效应对脉冲的极大程度的展宽形变，造成多个脉冲之间的重叠，导致传输过程中脉冲无法辨认，从而实现脉冲信号的加密传输。

本研究首次将色散效应和色散管理原理应用于保密通信，并首次提出了动态的色散管理方法，实现了信息的保密传输。文献检索发现，与本发明最接近的中国专利申请号201010214407.6的发明专利申请文件，相比之下，该申请是利用SBS效应即布里渊散射效应的原理来进行保密传输的，SBS是一种非线性效应，与本发明的原理及其技术方案是完全不同的。

发明内容

本发明的目的是鉴于强色散管理目前仅应用于高速准线性系统中提高光通信系统的传输质量，并未应用于光通信的保密传输；提供一种基于强色散管理的保密光通信系统，并运用动态色散管理的方式，以期进一步提高保密通信的水平。

实现本发明目的之技术解决方案如下：一种基于动态强色散管理的保密光通信系统，包括光信号发射部分、光信号加密部分、光信号传输部分、光信号解密部分、光信号接收部分构成，在光信号加密部分中设置固定色散模块和可调色散模块，对发送的光脉冲进行动态的、大强度的展宽变形；在光信号解密部分中设置固定色散补偿模块和可调色散补偿模块；可调色散补偿模块根据密钥信息对传输后的光脉冲进行同步、精确的色散补偿，从而使信号复原；所述固定色散模块和可调色散模块通过级联方式连接在一起，所述固定色散补偿模块和可调色散补偿模块也通过级联方式连接在一起；光信号加密部分端口与光信号发射部分端口连接，其另一端口与光信号传输部分端口连接；所述光信号解密部分端口与光信号传输部分端口连接，另一端口与光信号接收部分端口连接。

所述固定色散模块和可调色散模块与固定色散补偿模块和可调色散补偿模块采用光纤布拉格光栅、G-T标准具、MEMS、PLC环形共振腔等中的任意一种构成。

所述光信号加密部分采用固定色散模块和可调色散模块级联构成。

所述光信号解密部分采用固定色散补偿模块和可调色散补偿模块级联构成。

所述光信号传输部分的放大器采用的是IPSAD1301半导体光放大器。

所述光信号发射部分的光发射器采用的是300pin transponder RTXM298-304。

所述光信号接收部分的光接收器采用的是300pin transponder RTXM298-304。

解密模块是根据密钥提供的色散加密部分的动态、准确的累积色散量信息对光脉冲进行同步补偿，使进入模块的经历大幅度展宽后的光脉冲恢复原始波形，从而得到解密。

本发明的原理是这样的：色散效应使光脉冲发生形变，二阶正色散效应会使光脉冲展宽形变。随着色散的不断积累，脉冲会被展宽到多个比特时隙中，光脉冲大范围的展宽形变和相互重叠使脉冲波形在得到精确色散补偿前不再能被辨识。利用这一原理，在光信号加密部分加入若干色散模块，色散模块分为固定色散模块和可调色散模块两部分，固定色散模块用于实现将光脉冲展宽至100个比特时隙宽度的目的，以确保脉冲宽度在动态变化过程中的最低展宽程度。经过固定色散模块的作用，光信号已经彻底无法进行辨识。可调色散模块用于对累积色散量进行动态调谐，使光脉冲的展宽程度在100-400比特时隙宽度范围内动态变化，调谐频率可根据实际条件和保密需要改变。对累积色散量的动态调谐信息形成密钥，通过密钥通道传递给光信号解密部分。然后，再将展宽后的光脉冲送入光纤进行传输，由于传输光纤的色散系数为正，光信号脉冲在传输过程中将会进一步展宽变形。此时即使信号在中途被截取，在不知道密钥信息的前提下，窃听者也无法对展宽程度动态变化、脉冲间相互严重重叠的光脉冲进行准确的色散补偿，从而也无法破解比特信息。在信号到达目的地后，光解密部分根据由密钥提供的动态累积色散量信息，利用色散补偿模块对光信号在色散加密模块和传输光纤中所累积的色散量进行精确的色散补偿，复原初始信号，达到解密目的，实现所传输信息的保密通信。

本发明要解决的技术问题有两个。一是设计发射端的光信号加密部分；二是通过计算光信号加密部分及传输线路上的累积色散，得到需要补偿的动态色散量，设计光信号解密部分，对接收到的光信号进行同步、精确的色散补偿。

本系统收、发两端的光信号加密部分和光信号解密部分是本发明的核心，保密通信的实现需要精心设计这两个部分。

本发明设计的系统完全达到了上述技术要求。与现有技术比较，本发明具有突出的优点与有益效果：

1、强色散管理目前仅应用于高速准线性系统中提高光通信系统的传输质量，未见用于保密通信中。本发明首次将色散管理原理应用于保密通信，实现了信息的保密传输。

2、在底层对脉冲直接进行处理，利用色散效应造成脉冲大范围的展宽形变和相互重叠，随机改变各比特时隙内光波的波形及其峰值功率，使窃听者难以对信号进行复原。

3、首次引入动态变化的色散管理方案，使窃听者无法通过简单的色散补偿达到窃听的企图。

4、此保密通信系统支持40Gb/s以上的高速信号，并且速率越高、脉宽越小，效果越好。

5、与现有强度调制高速光纤通信系统完全兼容，可直接应用于现有强度调制高速光纤通信系统中。

附图说明

图1是本发明所述保密光通信系统结构框图示意图。

图2是本发明的实施例，单脉冲被展宽到大于100个比特以上示意图。

图3是本发明的实施例，单脉冲各个阶段脉宽的变化情况示意图。

图 4是本发明所述光脉冲序列中的部分初始波形示意图。

图5是本发明的实施例，累积色散量为3526ps/nm时的波形示意图。

图6是本发明的实施例，累积色散量为7052ps/nm时的波形示意图。

图7是本发明的实施例，累积色散量为14104ps/nm时的波形示意图。

图8是本发明的实施例，进行-14139ps/nm的精确色散补偿后得到的波形示意图。

图9是本发明的实施例，进行-14100ps/nm的不精确色散补偿后的波形示意图。

图10是本发明所述保密光通信系统应用实施例示意图。

具体实施方式

参见图1、图2、图3可知，本保密光通信系统由光信号发射部分1、光信号加密部分2、光信号传输部分3、光信号解密部分4及光信号接收部分5构成。其中光发射部分1、光信号传输部分3、光接收部分5这三个部分与通常的光通信系统基本一致，不同点在于，增加了光信号加密部分；加密部分对发送的光脉冲进行动态大强度展宽形变；增加了光信号解密部分，解密部分根据从密钥通道传递过来的密钥信息对传输后的光脉冲进行精确的同步动态色散补偿，从而使信号复原。

光信号加密部分2由固定色散模块2.1和可调色散模块2.2两部分组成，它们之间通过级联的方式连接在一起；光信号解密部分4由固定色散补偿模块4.1和可调色散补偿模块4.2两部分组成，它们之间通过级联的方式连接在一起。光信号加密部分2端口与光信号发射部分1端口连接，另一端口与光信号传输部分3端口连接；所述光信号解密部分4端口与光信号传输部分3端口连接，另一端口与光信号接收部分5端口连接。具体地是指色散模块一端与光信号发射机连接，另一端与光信号传输部分3连接；光信号解密部分4一端与光信号传输部分3连接，另一端与光信号接收机连接；所述色散模块与色散补偿模块采用光纤布拉格光栅；所述色散模块采用3个固定色散模块ClearSpectrum-TDCX和8个可调色散模块ClearSpectrum-TDCMX级联构成；所述色散补偿模块采用3个固定色散补偿模块ClearSpectrum-TDCX和8个可调色散补偿模块ClearSpectrum-TDCMX级联构成；所述光信号传输部分3的放大器采用IPSAD1301半导体光放大器；所述光信号发射部分1的光发射机采用的是300pin transponder RTXM298-304；所述光接收部分5的光接收机采用的是300pin transponder RTXM298-304。光信号解密部分是根据密钥提供的加密部分的累积色散量，使进入解密部分的光脉冲恢复原始波形，从而得到解密。

图2显示了在基于强色散管理的保密光通信系统中，单脉冲被展宽到大于100个比特以上的波形。

图3显示了在基于强色散管理的保密光通信系统中，各个阶段脉宽的变化情况。

本实施方式以强度调制直接检测（IM-DD）方式、工作波长1310nm、工作速率为40Gbit/s、比特时隙宽度为25ps、传输距离为10km的系统为例。

首先是光信号加密部分2的设计：色散模块的作用是使进入模块的光脉冲受到加密模块中大色散的作用而得到大范围的展宽。理论上，脉冲展宽畸变程度越大，保密性能越好；综合考虑由加密模块带来的插损造成的性能劣化以及成本增加等因素，此处设计为使脉冲展宽到比特时隙宽度的100倍~400倍。根据参考文献1的信息可以得出脉冲宽度τ和累积色散量DL的关系为：

τ≈0.709×DL+0.1

因此，要将脉宽为5ps的脉冲展宽到比特时隙宽度的100～400倍，即2500ps～10000ps，需要引入3526 ps/nm～14104 ps/nm的累积色散量。

为使脉冲在光信号传输部分中传输时的最低展宽宽度为比特时隙宽度的100倍以上，本实施例中固定色散模块2.1采用3个TeraXion公司的色散补偿模块ClearSpectrum-TDCX级联而成，实现3526ps/nm的累积色散量，可保证脉冲展宽100倍目标的实现。为使脉冲的展宽程度在100-400倍之间动态变化，本实施例中的可调色散模块采用8个TeraXion公司的可调色散补偿模块ClearSpectrum-TDCMX级联而成，实现0～10578ps/nm的累积色散量，与级联的固定色散模块一起，可保证脉冲在100-400倍展宽范围内动态变化。引入的插损由传输线路上的功率放大器补偿。所述光信号传输部分3的放大器采用是InPhenix公司的1310nm半导体光放大器 IPSAD1301。光放大器的作用是对信号进行放大，从而补偿由于色散模块、光纤、色散补偿模块等造成的损耗。

光纤采用标准单模光纤(G.652)，其在1310nm处的色散系数为3.5 ps/nm.km，衰减系数为0.4dB/km，光传输长度设为10km，则引入的累积色散量为35ps/nm，衰减为4dB。可采用康宁公司的SMF-28e+光纤。

光信号解密部分4的作用是根据密钥信息，使进入光信号解密部分的经历大幅度展宽后的光脉冲得到同步的动态、准确的色散补偿，恢复原始波形，从而得到解密。由前可知，由光信号加密部分引入的色散累积值为3526 ps/nm～14104 ps/nm，由传输光纤导致的色散累积值为35 ps/nm，因此光信号解密部分所需补偿的累积色散量应为-3561 ps/nm～14139 ps/nm，可由TeraXion公司的3个色散补偿模块ClearSpectrum-TDCX和8个可调色散补偿模块ClearSpectrum-TDCMX级联完成累积色散量的精确、动态同步补偿，完成信号的解密任务。

参见图4、图5、图6、图7、图8，可以看出本发明的有益技术效果。图4显示光脉冲序列中的一部分（111010）的初始波形；图5显示累积色散量为3526ps/nm时的波形，脉冲的展宽、畸变和相互重叠已使其类似于噪声，无法进行判决。图6显示累积色散量为7052ps/nm时的波形，脉冲的展宽、畸变和相互重叠已使其类似于噪声，无法进行判决。图7显示累积色散量为14104ps/nm时的波形，脉冲的展宽、畸变和相互重叠已使其类似于噪声，无法进行判决。图8显示根据密钥信息，进行色散补偿量为-14139ps/nm的精确色散补偿后得到的波形，显示很好地恢复了初始波形，虽有一定的定时抖动和幅度抖动，但不影响正常的判决。图9显示未得到密钥信息，进行不精确色散补偿，即色散补偿值为-14100ps/nm时的波形，显示仍然类似噪声，无法进行判决。

图10是本发明所述保密光通信系统应用的实施例。图中，A1为光信号发射机；A2为光信号加密部分的色散模块，采用3个固定色散模块ClearSpectrum-TDCX和8个可调色散模块ClearSpectrum-TDCMX级联构成；A3为光信号传输光纤；A31为功率放大器；A32为前置放大器，放大器均采用IPSAD1301半导体光放大器；A4为光信号解密部分的色散补偿模块，3个色散补偿模块ClearSpectrum-TDCX和8个可调色散补偿模块ClearSpectrum-TDCMX级联构成；A5为光信号接收机。

本发明工作流程方式如下：

1、电信号在光发射部分进行光电转换，变为强度调制的光脉冲信号。

2、光脉冲信号进入光信号加密部分后，首先在固定色散模块中得到极大程度地展宽，其目的是，避免在加密部分因为可调色散模块提供的瞬时色散累积值较低时，光脉冲总的色散展宽程度不足而导致泄密的情况发生，确保光脉冲始终都能被展宽至无法辨识的程度。然后光脉冲进入可调色散模块中被进一步展宽。通过对可调色散模块进行控制，可以实时、动态地改变可调色散模块提供的色散累积值，使脉冲的展宽程度动态、大范围地发生改变，从而使窃听者试图通过进行色散补偿来窃听的目的难以得逞。对可调色散模块进行调节的具体信息，即此保密通信系统的密钥，通过密钥通道传递给光信号解密部分进行解密。色散模块引入的插损可由光信号传输部分的功率放大器予以补偿。

3、被展宽变形后的光脉冲进入光信号传输部分进行传输，由于通常的传输用光纤例如G.652光纤，其色散系数为正，因此光脉冲得到进一步展宽。线路放大器的数量视传输距离的长短来进行设定。前置放大器一方面对光纤的损耗进行补偿，一方面对光信号解密部分色散补偿模块引入的插损进行补偿。

4、在光信号解密部分，固定补偿模块对光信号加密部分中的固定色散模块和光信号传输部分中光纤等引入的色散累积值进行固定补偿，此部分色散累积值固定不变，因此固定补偿模块的色散累积值也可固定不变。可调色散补偿模块则根据密钥提供的信息，对光脉冲进行实时、同步的动态色散补偿，以达到恢复脉冲初始波形，还原承载信息的目的。

5、还原后的光脉冲信号在光信号接收部分被转换为相应的电信号，从而完成整个光信号保密传输的过程。

尽管上面对本发明的具体实施方式进行了描述，但本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均属本发明范围保护之列。

Claims (7)

1.一种基于动态强色散管理的保密光通信系统，包括光信号发射部分（1）、光信号加密部分（2）、光信号传输部分（3）、光信号解密部分（4）、光信号接收部分（5）构成，其特征在于，在光信号加密部分（2）中设置固定色散模块（2.1）和可调色散模块（2.2)，对发送的光脉冲进行动态的、大强度的展宽变形；在光信号解密部分（4）中设置固定色散补偿模块（4.1）和可调色散补偿模块（4.2）；可调色散补偿模块（4.2）根据密钥信息对传输后的光脉冲进行同步、精确的色散补偿，从而使信号复原；所述固定色散模块（2.1）和可调色散模块（2.2）通过级联方式连接在一起，所述固定色散补偿模块（4.1）和可调色散补偿模块（4.2）也通过级联方式连接在一起；光信号加密部分（2）端口与光信号发射部分（1）端口连接，另一端口与光信号传输部分（3）端口连接；所述光信号解密部分（4）端口与光信号传输部分（3）端口连接，另一端口与光信号接收部分（5）端口连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于动态强色散管理的保密光通信系统，其特征在于，所述固定色散模块（2.1）和可调色散模块（2.2）与固定色散补偿模块（4.1）和可调色散补偿模块（4.2）可采用光纤布拉格光栅、G-T标准具、MEMS、PLC环形共振腔等中的任意一种构成。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于动态强色散管理的保密光通信系统，其特征在于，所述光信号加密部分（2）由固定色散模块和可调色散模块级联构成。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于动态强色散管理的保密光通信系统，其特征在于，所述光信号解密部分（4）由固定色散补偿模块和可调色散补偿模块级联构成。

5.根据权利要求1所述的一种基于动态强色散管理的保密光通信系统，其特征在于，所述光信号传输部分（3）的放大器采用的是IPSAD1301半导体光放大器。

6.根据权利要求1所述的一种基于动态强色散管理的保密光通信系统，其特征在于，所述光信号发射部分（1）的光发射器采用的是300pin transponder RTXM298-304。

7.根据权利要求1所述的一种基于动态强色散管理的保密光通信系统，其特征在于，所述光信号接收部分（5）的光接收器采用的是300pin transponder RTXM298-304。

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