CN103199933B

CN103199933B - 强色散控制保密光通信系统中基于啁啾光纤光栅的加解密方法

Info

Publication number: CN103199933B
Application number: CN201310101957.0A
Authority: CN
Inventors: 蔡炬; 高瞻; 陈旭; 白秋剑; 苏鑫
Original assignee: Sichuan University; Chengdu Information Technology Co Ltd of CAS; Jiangsu Posts and Telecommunications Planning and Designing Institute Co Ltd
Current assignee: Sichuan University; Chengdu University of Information Technology; Chengdu Information Technology Co Ltd of CAS; Jiangsu Posts and Telecommunications Planning and Designing Institute Co Ltd
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2033-03-27
Also published as: CN103199933A

Abstract

本发明提供一种强色散控制保密光通信系统中基于啁啾光纤光栅的加解密方法，涉及保密通信技术领域。在色散加密模块中设计专用的啁啾光纤光栅CFBG作为加密光器件，对光信号的不同频率分量施加不同数值的大时延，令光信号的各频率分量与时延构成复杂的对应关系；通过重新配置啁啾在啁啾光纤光栅CFBG中的相对位置，将时延与频率的单调递增关系打乱,使在同一时刻到达接收端的各频率成分所归属的脉冲随之改变，不再与通常的色散管理导致的脉冲展宽相同；采用普通的啁啾光纤光栅CFBG与色散补偿方法将无法恢复初始波形，从而实现了信号的加密；增强了强色散控制保密光通信系统的可行性。适用于10Gb/s及以上的高速光纤传输系统及高速空间光通信传输系统的保密通信。

Description

强色散控制保密光通信系统中基于啁啾光纤光栅的加解密方法

技术领域

本发明涉及保密通信技术领域，尤其是强色散控制保密光通信系统中基于啁啾光纤光栅的加解密方法。

背景技术

本发明与“一种基于动态强色散管理的保密光通信系统”(专利申请号201110343360.8)直接相关。在该系统中光信号加密部分中设置固定色散模块和可调谐色散模块，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谐色散补偿模块；可调谐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。附图1提供了该系统的具体架构示意框图。本发明是对其系统关键器件——加、解密色散模块的构建提供一种加解密实现方法。现代技术表明，光纤光栅作为一种新型的光电子器件不仅在光纤通信技术和光纤传感技术而且在其它相关领域中，尤其是特殊结构光纤光栅的特性及其在色散斜率补偿的应用中发挥着重要作用。本发明研究并仿真分析了非线性啁啾光纤光栅的反射谱和时延特性及其在加、解密色散模块中作用，提出了利用将啁啾光纤光栅分段、重组、级联的方法，重新配置啁啾光纤光栅CFBG的光纤光栅相对位置，通过将啁啾光纤光栅分成若干段，使光栅的周期不再有单调递增或单调递减的规律性，从而使光脉冲中的各个频率成分经过此光栅后，所产生的时延不再随频率的变化而单调递增或单调递减，而是与重新配置后的啁啾光纤光栅的结构直接相关。采用普通的啁啾光纤光栅做色散控制将无法恢复初始波形，从而达到加密的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种强色散控制保密光通信系统中基于啁啾光纤光栅的加解密方法，以期完善强色散控制保密光通信系统中的关键部分加解密模块的设计，对加解密的具体实现方案给出详细的解决方案。

本发明的目的是通过以下的技术方案实现的：一种强色散控制保密光通信系统中基于啁啾光纤光栅的加解密方法，包括在光信号加密部分中增加设置色散加密模块，对发送的光脉冲进行大强度展宽变形；在光信号解密部分中增加设置色散解密模块，根据密钥对传输后的光脉冲进行色散补偿解密，从而使信号复原；尤其是在所述色散加密模块中设计专用的啁啾光纤光栅CFBG作为加密光器件，对光信号的不同频率分量施加不同数值的大时延，在此大时延是指色散量大于～10²ps/nm；并且在整个信号带宽内，令光信号的各频率分量与时延构成复杂的对应关系；通过重新配置啁啾在啁啾光纤光栅CFBG中的相对位置，将时延与频率的单调递增关系打乱,使在同一时刻到达接收端的各频率成分所归属的脉冲随之改变，不再与通常的色散管理导致的脉冲展宽相同；采用普通的啁啾光纤光栅CFBG与色散补偿方法将无法恢复初始波形，从而实现了信号的加密。

所述啁啾光纤光栅CFBG被分成若干段，并重新组合这些光栅段在整个光栅中的相对位置，各段的相对位置可以任意排列；光脉冲经过重新组合并级联的啁啾光纤光栅CFBG后，对应的若干个频率成分中产生的时延发生了相应的变化，不再随频率的变化而单调递增或单调递减。

进一步地，所述基于啁啾光纤光栅的的加密方法，所述的啁啾布拉格光纤光栅CFBG中各光栅段进行重新配置时，其位置、相应的啁啾和对应的反射波长分别为：0～4cm：0.53375599～0.53379599，1549.82nm～1549.94nm；4～8cm：0.53371599～0.53375599，1549.70nm～1549.82nm；8～12cm：0.53379599～0.53383599，1549.94nm～1550.06nm；12～16cm：0.53387599～0.53391599，1550.18nm～1550.30nm；16～20cm：0.53383599～0.53387599，1550.06nm～1550.18nm。

进一步地，所述基于啁啾光纤光栅的的加密方法，所述专用的啁啾光纤光栅CFBG的长度的分段数量在3～7段之间，其长度在10cm～100cm的范围内变化。

更进一步地，所述基于啁啾光纤光栅的的加密方法，所述对啁啾布拉格光纤光栅CFBG进行重新配置时，利用的是相位掩模法和分段级联的方法或者有效折射率调制方法。

更进一步地，所述基于啁啾光纤光栅的的解密方法，是与加密方法相对应，对加密信号的不同频率分量的累积色散值进行分别补偿，恢复光信号中各个频率分量的延时一致性，使光脉冲恢复原形，从而达到对信号成功解密的目的。

本发明的技术方案实施例利用啁啾光纤光栅分段、重组、级联的方法来进行加密和解密，方案实施后，将会大大增强强色散控制保密光通信系统的可行性。

本方法适用于10Gb/s及以上的高速光纤传输系统及高速空间光通信传输系统的保密通信。

术语解释：

CFBG：指光纤Bragg光栅(Chirped Fiber Bragg Grating)；

分段级联：原理上，分段级联是指将通常的啁啾布拉格光纤光栅分成若干段，将这些段打乱顺序后进行重新组合和串联，并结合相移、切趾函数、时延等参数进行设计。在实际制作时，可将按此原理设计的光栅通过相位掩模法等方法进行制作；

相位掩模法：将用电子束曝光刻好的图形掩膜置于裸光纤上，相位掩膜具有压制零级，增强一级衍射的功能。紫外光经过掩膜相位调制后衍射到光纤上形成干涉条纹，写入周期为掩膜周期一半的Bragg光栅。这种成栅方法不依赖于入射光波长，只与相位光栅的周期有关，因此对光源的相干性要求不高，简化了光栅的制造系统。这种方法的缺点是制作掩膜复杂。用低相干光源和相位掩膜版来制作光纤光栅的这种方法非常重要，并且相位掩膜与扫描曝光技术相结合还可以实现光栅耦合截面的控制，来制作特殊结构的光栅。该方法是目前写入光栅极有前途的一种方法；

有效折射率调制方法：在制作光栅的过程中，通过二次扫描技术叠加一次曝光来调制光纤纤芯有效折射率的方法。

附图说明

图1是本发明硬件支持系统的具体架构示意框图。

图2是普通啁啾光纤光栅CFBG的啁啾与时延的频率关系示意图。

图3是普通啁啾光纤光栅CFBG的时延与波长的关系示意图。

图4是重新配置啁啾光纤光栅CFBG的啁啾与时延的频率关系示意图。

图5是重新配置啁啾光纤光栅CFBG的加密时延与波长的关系示意图。

图6是重新配置啁啾光纤光栅CFBG的解密啁啾与时延的频率的关系示意图。

图7是所述保密光通信系统仿真时的部分输入波形示意图。

图8是本发明实施例仿真时加密后完全无法辨识的部分波形示意图。

图8-1、8-2是本发明实施例正常解密后的部分波形及信号眼图示意图。

图9-1、9-2是采用通用的色散补偿啁啾光纤光栅进行色散补偿后得到的波形及信号眼图示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步详细的说明。需要强调的是，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明构思及其权利要求之范围。

参见图1、图2、图3、图4、图5。图1示意了，原发明“一种基于动态强色散管理的保密光通信系统”(专利申请号201110343360.8)提出了强色散控制保密光通信系统的系统原理和框架；但是对加解密的具体实现方案没给出更详细的解决方案。基于这一问题，本发明的技术方案提出了强色散控制保密光通信系统中的一种优选加、解密解决方案，即利用将啁啾光纤光栅分段、重组、级联的方法，完善了强色散控制保密光通信系统中的关键部分——加解密模块的一种原理设计。尤其是在所述色散加密模块中设计专用的啁啾光纤光栅CFBG作为加密光器件，对光信号的不同频率分量施加不同数值的大时延，即至少使指色散量大于～10²ps/nm，并且在整个信号带宽内，令光信号的各频率分量与时延构成复杂的对应关系；通过重新配置啁啾在啁啾光纤光栅CFBG中的相对位置，将时延与频率的单调递增关系打乱,使在同一时刻到达接收端的各频率成分所归属的脉冲随之改变，不再与通常的色散管理导致的脉冲展宽相同；采用普通的啁啾光纤光栅CFBG与色散补偿方法将无法恢复初始波形，从而实现了信号的加密。所述啁啾光纤光栅CFBG被分成若干段，并重新组合这些光栅段在整个光栅中的相对位置，各段的相对位置可以任意排列；光脉冲经过重新组合并级联的啁啾光纤光栅CFBG后，对应的若干个频率成分中产生的时延发生了相应的变化，不再随频率的变化而单调递增或单调递减。

通过这样设计的专用啁啾光纤光栅CFBG作为加密光器件后，其加密原理是，首先，光信号在时域内被色散到数十甚至数百个比特时隙内，各个脉冲之间将发生极大程度的重叠，脉冲序列波形将达到完全无法辨识的程度；其次，由于加密器件对光信号的不同频率分量进行了时延搬移，光信号的频率与在加密模块中产生的时延不再是简单的线性关系，在不清楚密钥信息的情况下，即使窃听者在信道中获取了加密后的信息，也无法通过正常的色散补偿方法恢复信号波形，从而无法达到破解信息的目的。

此方法的解密原理是：对加密信号的不同频率分量在传输信道中累积的色散值进行分别补偿，并恢复光信号中各个频率分量的延时一致性，使光脉冲恢复原形。这样，光信号在加密模块、传输信道和解密模块中累积的色散总量就能保持在0ps/nm附近，从而达到对信号成功解密的目的。

图2示意了在普通CFBG的带宽范围内啁啾与时延的频率关系。入射光通过CFBG后，反射端输出的不同频率的光产生的时延不同，这是由CFBG的各啁啾所处的位置决定的。普通的CFBG的啁啾和其产生的时延是随频率的增加单调递增或单调递减的。同理，图3示意了普通啁啾光纤光栅CFBG的时延与波长的关系其时延与波长的关系也是单调递增或单调递减的。

图4示意了重新配置啁啾光纤光栅CFBG的啁啾与时延的频率关系。通过重新配置啁啾在CFBG中的位置，将时延与频率的这种关系打乱。在优选的方案中，啁啾原本单调递增的CFBG光纤被分为5段进行了重组：

实施例1：

其位置、相应的啁啾和对应的反射波长分别为：

加密部分，0～4cm：0.53375599～0.53379599，1549.82nm～1549.94nm；4～8cm：0.53371599～0.53375599，1549.70nm～1549.82nm；8～12cm：0.53379599～0.53383599，1549.94nm～1550.06nm；12～16cm：0.53387599～0.53391599，1550.18nm～1550.30nm；16～20cm：0.53383599～0.53387599，1550.06nm～1550.18nm。

将这5段重新组合后，虽然在每一部分内啁啾仍然单调递增，但各个部分之间的啁啾不再是单调递增的关系。这样处理的结果是，光脉冲经过此CFBG后，对应的5个频率成分中产生的时延发生了相应的变化，不再随频率的增加而单调递增。同时，受带外色散的影响，级联在后面的光栅的反射光在反射回去的时候，时延会受到影响，影响随光纤波长间隔增大而减少，并且与级联的个数有关。因此，需要对上述参数进行微调。

同理，图5示意了重新配置啁啾光纤光栅CFBG后的时延与波长的关系。由于时延与光信号中不同频率成分的关系被打乱，在同一时刻到达接收端的频率成分所归属的脉冲也随之改变，不再与通常的色散管理导致的脉冲展宽相同，因而用通常的色散补偿方法无法实现信号还原，从而实现了信号的加密。

解密部分，与加密方法逆相而行对应，对加密信号的不同频率分量的累积色散值进行分别补偿，恢复光信号中各个频率分量的延时一致性，使光脉冲恢复原形，从而达到对信号成功解密的目的。

啁啾原本单调递减的CFBG光纤被分为5段进行了分段重组和级联，其位置、相应的啁啾和对应的反射波长分别为：0～4cm：0.53387599～0.53383599，1550.18nm～1550.06nm；4～8cm：0.53391599～0.53387599，1550.30nm～1550.18nm；8～12cm：0.53383599～0.53379599，1550.06nm～1549.94nm；12～16cm：0.53375599～0.53371599，1549.82nm～1549.70nm；16～20cm：0.53379599～0.53375599，1549.94nm～1549.82nm。

同样，将这5个部分重新组合后，虽然在每一部分内啁啾仍然单调递减，但各个部分之间的啁啾不再是单调递减的关系。光脉冲经过此CFBG后，对应的5个频率成分中产生的时延发生了相应的变化，不再随频率的降低而单调递减。与加密部分一样，受带外色散的影响，级联在后面的光栅的反射光在反射回去的时候，时延会受到影响，影响随光纤波长间隔增大而减少，并且与级联的个数有关，因此也需要对各部分的时延进行微调。图6示意了与上述加密光器件相对应的解密光器件的重新配置啁啾光纤光栅CFBG的解密啁啾与时延的频率的关系。

实施例2：

所述专用的啁啾光纤光栅CFBG的3段非均匀分段时，加密部分，其位置、相应的啁啾和对应的反射波长分别为：0～7cm：0.53377599～0.53384599，1549.87nm～1550.10nm；7～13cm：0.53371599～0.53377599，1549.70nm～1549.87nm；13～20cm：0.53384599～0.53391599，1550.10nm～1550.30nm。

解密部分，其位置、相应的啁啾和对应的反射波长分别为：0～7cm：0.53391599～0.53384599，1550.30nm～1550.10nm；7～13cm：0.53377599～0.53371599，1549.87nm～1549.70nm；13～20cm：0.53384599～0.53377599，1550.10nm～1549.87nm。

实施3：

所述专用的啁啾光纤光栅CFBG的7段非均匀分段时，加密部分，其位置、相应的啁啾和对应的反射波长分别为：0～3cm：0.53377599～0.53380599，1549.88nm～1549.97nm；3～6cm：0.53374599～0.53377599，1549.79nm～1549.88nm；6～9cm：0.53371599～0.53374599，1549.70nm～1549.79nm；9～11cm：0.53380599～0.53382599，1549.97nm～1550.03nm；11～14cm：0.53388599～0.53391599，1550.21nm～1550.30nm；14～17cm：0.53385599～0.53388599，1550.12nm～1550.21nm；17～20cm：0.53382599～0.53385599，1550.03nm～1550.12nm。

解密部分，其位置、相应的啁啾和对应的反射波长分别为：0～3cm：0.53385599～0.53382599，1550.12nm～1550.03nm；3～6cm：0.53388599～0.53385599，1550.21nm～1550.12nm；6～9cm：0.53391599～0.53388599，1550.30nm～1550.21nm；9～11cm：0.53382599～0.53380599，1550.03nm～1549.97nm；11～14cm：0.53374599～0.53371599，1549.79nm～1549.70nm；14～17cm：0.53377599～0.53374599，1549.88nm～1549.79nm；17～20cm：0.53380599～0.53377599，1549.97nm～1549.88nm。

通过仿真分析，所述专用的啁啾光纤光栅CFBG的光纤光栅的分段数量在3～7段之间时效果最好，其长度在10cm～100cm的范围内变化；各段的长度不需平均分配，可随意取值但需要优化；各段的相对位置可以任意排列组合。这些措施都可以保证系统达到更好的加密效果，增加破译难度。

这种特殊的专用啁啾光纤光栅应用相位掩模法方法和分段级联的方法或者有效折射率调制方法来制作。

实施例4：

仿真验证：

图7示意了利用解密模块中搭建的保密光通信系统为仿真时的部分输入波形。

图8示意了本发明实施例仿真时加密后完全无法辨识的部分波形图，即加密后的部分波形，说明加密后已经完全无法辨识。

图8-1、8-2示意了本发明实施例正常解密后的部分波形及信号眼图。

即正常解密后的部分波形及眼图，虽然其幅度抖动较为明显，但系统Q值仍达到了11.8，达到了设计目标。

图9-1、9-2示意了采用通用的色散补偿啁啾光纤光栅进行色散补偿后得到的波形及信号眼图。可见，普通的色散补偿啁啾布拉格光纤光栅不可能对经过加密模块后的波形进行破解。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种强色散控制保密光通信系统中基于啁啾光纤光栅的加解密方法，包括在光信号加密部分中增加设置色散加密模块，对发送的光脉冲进行大强度展宽变形；在光信号解密部分中增加设置色散解密模块，根据密钥对传输后的光脉冲进行色散补偿解密，从而使信号复原；其特征在于，在所述色散加密模块中设计专用的啁啾光纤光栅CFBG作为加密光器件，对光信号的不同频率分量施加不同数值的大时延，并且在整个信号带宽内，令光信号的各频率分量与时延构成复杂的对应关系；通过重新配置啁啾在啁啾光纤光栅CFBG中的相对位置，将时延与频率的单调递增关系打乱,使在同一时刻到达接收端的各频率成分所归属的脉冲随之改变，不再与通常的色散管理导致的脉冲展宽相同；采用普通的啁啾光纤光栅CFBG与色散补偿方法将无法恢复初始波形，从而实现了信号的加密；与加密方法相对应，对加密信号的不同频率分量的累积色散值进行分别补偿，恢复光信号中各个频率分量的延时一致性，使光脉冲恢复原形，从而达到对信号成功解密的目的。

2.根据权利要求1所述的基于啁啾光纤光栅的加解密方法，其特征在于，所述啁啾光纤光栅CFBG被分成若干段，并重新组合这些光栅段在整个光栅中的相对位置，各段的相对位置可以任意排列；光脉冲经过重新组合并级联的啁啾光纤光栅CFBG后，对应的若干个频率成分中产生的时延发生了相应的变化，不再随频率的变化而单调递增或单调递减。

3.根据权利要求2所述的基于啁啾光纤光栅的加解密方法，其特征在于，所述的啁啾光纤光栅CFBG中各光栅段进行重新配置时，其位置、相应的啁啾和对应的反射波长分别为：0～4cm：0.53375599～0.53379599，1549.82nm～1549.94nm；4～8cm：0.53371599～0.53375599，1549.70nm～1549.82nm；8～12cm：0.53379599～0.53383599，1549.94nm～1550.06nm；12～16cm：0.53387599～0.533915，1550.18nm～1550.30nm；16～20cm：0.53383599～0.53387599，1550.06nm～1550.18nm。

4.根据权利要求3所述的基于啁啾光纤光栅的加解密方法，其特征在于，所述专用的啁啾光纤光栅CFBG的分段数量在3～7段之间，其长度在10cm～100cm的范围内变化。

5.根据权利要求1至4所述任意一项基于啁啾光纤光栅的加解密方法，其特征在于，所述对啁啾光纤光栅CFBG进行重新配置时，利用的是相位掩模法和有效折射率调制方法。