CN109981174B - 基于光环形器的光跳频系统及发送机 - Google Patents

基于光环形器的光跳频系统及发送机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光环形器的光跳频系统及发送机，包括：环形调制单元，该环形调制单元包括多个光环行器，各个光环行器的第一端口接收不同的光载波，各个光环行器的第二端口连接一光耦合器，该光耦合器连接相位调制器并结合伪随机码发生器中跳频编码实现光载波信号的编码调制，各个光环行器的第三端口分别输出该编码调制后的光载波信号；内置有该环形调制单元的发送机，发送通过该环形调制单元加密的光载波信号；接收机，接收该加密的光载波信号并通过跳频编码进行解密；以及光纤，实现发送机和接收机间的载波通信。本发明可以实现高速光跳频编码，并且具有灵活和简单的单元结构，方便扩展到多路光跳频系统，以提供更高保密性的通信系统。

Description

基于光环形器的光跳频系统及发送机
技术领域
本发明涉及光通信安全领域，尤其涉及一种基于光环形器的光跳频系统。
背景技术
在如今信息时代，每天有太多的商业机密信息以及个人隐私信息通过光纤网路传输。在过去，人们一直以为光纤通信很安全，但随着技术的发展，通过光纤弯曲、分束、倏逝波耦合、散射等方式就可以实现光纤窃听。因此，安全光通信就成为一个非常重要的课题。
目前提高通信的安全性主要分为软件层和硬件层，其中软件层包括对用户数据的算法加密，比如AES加密，但所有基于算法的加密手段都已经被证明是可以破解的。而基于硬件的加密方式，如光码分复用技术、混沌加密技术等，由于这两种加密方式的加密信号是模拟信号，因此在光纤网络中传输时的传输距离会受到限制。现有技术中已提出了一种光跳频通信技术，是通过已知随机密钥控制光信道的切换，将保密与非保密信息混合在一起，从而实现保密信息的隐藏。
发明内容
本发明提供一种基于光环形器的光跳频系统及发送机，通过把用户数据在不同时间段调制在不同波长的载波上，使同一波长的载波中携带的用户信息是不完整的，从而实现对用户信息的加密传输。
有鉴于此，本发明提供了一种基于光环形器的光跳频系统及发送机，其中：
该基于光环形器的光跳频系统包括：
环形调制单元，该环形调制单元包括多个光环行器、光耦合器、相位调制器以及伪随机码发生器，其中，各个光环行器的第一端口接收不同的光载波，各个光环行器的第二端口连接一光耦合器，该光耦合器连接相位调制器并结合伪随机码发生器中跳频编码实现光载波信号的编码调制，各个光环行器的第三端口分别输出编码调制后的光载波信号。
内置有该环形调制单元的发送机，发送通过该环形调制单元加密的光载波信号；
进一步的，该发送机包括：
多个激光器，各个激光器连续发射不同波长的光载波；
多个偏振控制器，每个偏振控制器对应一个上述激光器，各个偏振控制器实现其对应的激光器产生的光载波的偏振调制；
上述环形调制单元，该环形调制单元中每个光环行器对应一个偏振控制器，该环形调制单元接收偏振调制后的光载波并分别输出编码调制后的光载波信号；
多个马赫增德尔强度调制器，每个马赫增德尔强度调制器对应环形调制单元中的一个光环行器，各个马赫增德尔强度调制器将数据调制到各个光环行器输出的编码调制后的光载波上。
接收机，接收加密的光载波信号并通过跳频编码进行解密；
进一步的，该接收机包括：
波长分束器，接收上述加密的光载波并根据光载波中波长的不同进行分束，得到多束具有单一波长的光载波；
多个偏振控制器，每个偏振控制器对应一束该单一波长的光载波，各个偏振控制器对各束单一波长的光载波进行偏振调制；
多个马赫增德尔强度调制器，每个马赫增德尔强度调制器对应一个偏振控制器，各个马赫增德尔强度调制器结合一具有跳频编码的伪随机码发生器对各束单一波长的光载波进行解码调制；
以及光探测器，实现解码调制后的光载波信号的数据恢复。
更进一步的，发送机的伪随机码发生器中的跳频编码与接收机的伪随机码发生器中的跳频编码相同，该跳频编码是m序列或gold码。
以及光纤，实现发送机和接收机间的载波通信。
另有，上述发送机和/或接收机中，具体包括：
激光器为法布里-珀罗激光器、分布反馈式激光器、分布式布拉格反射激光器和/或垂直外腔面发射激光器；
相位调制器是马赫-曾德尔调制器或声光调制器；
偏振控制器是拨片型偏振控制器、光纤环型偏振控制器、电光型偏振控制器或压光型偏振控制器；
光环形器是透射式光环形器或者反射式光环形器。
该基于光环形器的光跳频发送机，包括：
多个激光器，各个激光器连续发射不同波长的光载波；
多个偏振控制器，每个偏振控制器对应一个上述激光器，各个偏振控制器实现其对应的激光器产生的光载波的偏振调制；
环形调制单元，该环形调制单元包括多个光环行器、光耦合器、相位调制器以及伪随机码发生器，其中，各个光环行器的第一端口接收不同的光载波，各个光环行器的第二端口连接一光耦合器，该光耦合器连接相位调制器并结合伪随机码发生器中跳频编码实现光载波信号的编码调制，各个光环行器的第三端口分别输出编码调制后的光载波信号；
以及多个马赫增德尔强度调制器，每个马赫增德尔强度调制器对应环形调制单元中的一个光环行器，各个马赫增德尔强度调制器将数据调制到各个光环行器输出的编码调制后的光载波上，实现光载波信号发送。
从上述方案中可以看出，本发明提供的基于光环形器的光跳频系统及发送机优点在于：
1、把每一个用户的信息调制在不同的光波长上，从而实现用户数据的加密传输；
2、由于光通信的性质，实现了信息的高速可靠传输；
3、通过光环形器、光耦合器和相位调制器即可产生与调频编码相对应的波长互补的光载波组，选用器件少，系统构成简单。
附图说明
为了进一步说明本发明的内容，下面结合实施例及附图对本发明作详细说明如下：
图1是本发明实施例两路光跳频系统结构图；
图2是图1系统的光跳频原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明一实施例提供了一种基于光环形器的光跳频系统及发送机，请参照图1，图1是本实施例基于光环形器的光跳频系统结构示意图，首先需要说明的是，图1中展示的仅是两路光跳频系统，但此系统不局限于两路而是可以扩展到任意数量。参照图1，本发明提供的该光跳频系统包括：
环形调制单元，该环形调制单元包括多个光环行器、光耦合器、相位调制器以及伪随机码发生器，其中，各个光环行器的第一端口接收不同的光载波，各个光环行器的第二端口连接一光耦合器，该光耦合器连接相位调制器并结合伪随机码发生器中跳频编码实现光载波信号的编码调制，各个光环行器的第三端口分别输出编码调制后的光载波信号。
内置有该环形调制单元的发送机，发送通过该环形调制单元加密的光载波信号。
一些实施例中，该发送机包括：
多个激光器，各个激光器连续发射不同波长的光载波；
本实施例中，连续激光器(LD1和LD2)用于产生不同波长的光载波λ1和λ2。
多个偏振控制器，每个偏振控制器对应一个上述激光器，各个偏振控制器实现其对应的激光器产生的光载波的偏振调制；
本实施例中，偏振控制器(PC1和PC2)用于调节光载波的偏振。
上述环形调制单元，该环形调制单元中每个光环行器对应一个偏振控制器，该环形调制单元接收偏振调制后的光载波并分别输出编码调制后的光载波信号；
本实施例中，光环形器(OC1和OC2)、光耦合器和相位调制器(PM)共同构成该环形调制单元，用于产生被跳频编码混淆过的光载波。
多个马赫增德尔强度调制器，该每个马赫增德尔强度调制器对应环形调制单元中的一个光环行器，各个马赫增德尔强度调制器将数据调制到各个光环行器输出的编码调制后的光载波上；
本实施例中，马赫增德尔强度调制器(MZ1和MZ2)用于将数据调制到光载波上。
接收机，接收加密的光载波信号并通过跳频编码进行解密。
一些实施例中，该接收机包括：
波长分束器，接收上述加密的光载波并根据光载波中波长的不同进行分束，得到多束具有单一波长的光载波；
多个偏振控制器，每个偏振控制器对应一束该单一波长的光载波，各个偏振控制器对各束单一波长的光载波进行偏振调制；
多个马赫增德尔强度调制器，每个马赫增德尔强度调制器对应一个偏振控制器，各个马赫增德尔强度调制器结合一具有跳频编码的伪随机码发生器对各束单一波长的光载波进行解码调制；
本实施例中，波长分束器(Demux1和Demux2)、偏振控制器(PC3、PC4、PC5和PC6)、马赫增德尔强度调制器(MZ3、MZ4、MZ5和MZ6)用于解调频。
以及光探测器，实现解码调制后的光载波信号的数据恢复；
本实施例中，光探测器(PD1和PD2)用于解调制恢复数据。
以及光纤，实现发送机和接收机间的载波通信；
一些实施例中，该光纤为单模光纤；
本实施例中，发送机和接收机之间使用普通单模光纤连接。
一些实施例中，上述发送机的伪随机码发生器中的跳频编码与接收机的伪随机码发生器中的跳频编码相同，该跳频编码可以是m序列、或gold码等伪随机码等保密性足够高的序列。
更有，上述使用到的激光器为法布里-珀罗激光器FP、分布反馈式激光器DFB、分布式布拉格反射激光器DBR和/或垂直外腔面发射激光器VECSEL等激光器，并且使用的数量可以是两个也可以是多个，该数量与系统的通道数有关；
相位调制器可以是马赫-曾德尔调制器MZ、或声光调制器等光强度调制器，或可以是市面上的任意相位调制器，可根据跳频速率选择合适的相位调制器。
偏振控制器可以是拨片型偏振控制器、光纤环型偏振控制器、电光型偏振控制器或压光型偏振控制器等所有可调整光偏振状态的器件；
光环形器可以是透射式光环形器或者反射式光环形器等所有可以实现类似于光环行器功能的器件。
基于以上实施例，请参照图2，图2是上述实施例提供的光跳频系统的原理图，数据未加密前一个波长上面携带的是单一用户的数据，数据加密后，一个波长的光载波上随时间变化携带有不同用户的数据，即同一用户数据在随着时间不同被分别加载到不同波长上，其中信息在何时加载至哪一波长由充当密钥的跳频序列决定。只窃听一个波长的攻击者无法得到完整的加密数据，窃听全部波长的攻击者也会因为无法得知跳频序列也无法得到原始数据。接收端通过与发送端相同的跳频序列解密出原始数据，完成加密传输。
具体地，由跳频序列处理光波长的方式如下：原始的单一波长光λ1经过光环形器(OC1)与另外一束不同波长λ2经过另一光环形器(OC2)的光接入光耦合器，光耦合器另一端接相位调制器(PM)，将跳频序列(HS)加至相位调制器(PM)上可以将原来两束单一波长的光λ1和λ2变化为波长变化的两束混合光(λ1+λ2)，这两束混合光一束与跳频序列变化规律相同，另一束则正好相反，即同一时刻两束光的波长总是不同，这两束光再通过光环形器(OC1和OC2)传递给调制器(MZ1和MZ2)，加载信号。
基于以上实施例，本发明还提供了一种基于光环形器的光跳频发送机，包括：
多个激光器，所述各个激光器连续发射不同波长的光载波；
多个偏振控制器，所述每个偏振控制器对应一个所述激光器，所述各个偏振控制器实现其对应的激光器产生的光载波的偏振调制；
环形调制单元，所述环形调制单元包括多个光环行器、光耦合器、相位调制器以及伪随机码发生器，所述各个光环行器的第一端口接收不同的光载波，所述各个光环行器的第二端口连接一光耦合器，所述光耦合器连接所述相位调制器并结合所述伪随机码发生器中跳频编码实现所述光载波信号的编码调制，所述各个光环行器的第三端口分别输出所述编码调制后的光载波信号；
以及多个马赫增德尔强度调制器，所述每个马赫增德尔强度调制器对应所述环形调制单元中的一个所述光环行器，所述各个马赫增德尔强度调制器将数据调制到所述各个光环行器输出的所述编码调制后的光载波上，实现光载波信号发送。
本实施例中，发送机基于上述的光跳频原理及跳频序列处理完成光载波信号的加密及发送，对其描述在上述实施例中已有体现，在此不做赘述。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光环形器的光跳频系统，其特征在于，包括：
环形调制单元，所述环形调制单元包括多个光环行器、光耦合器、相位调制器以及伪随机码发生器，各个所述光环行器的第一端口接收不同的光载波信号，各个所述光环行器的第二端口连接一光耦合器，所述光耦合器连接所述相位调制器并结合所述伪随机码发生器中跳频编码实现所述光载波信号的编码调制，各个所述光环行器的第三端口分别输出所述编码调制后的光载波信号；
内置有所述环形调制单元的发送机，发送通过所述环形调制单元加密的光载波信号；
接收机，接收所述加密的光载波信号并通过跳频编码进行解密；
以及光纤，实现所述发送机和接收机间的载波通信；
其中，所述发送机包括：
多个激光器，各个所述激光器连续发射不同波长的光载波信号；
多个偏振控制器，每个所述偏振控制器对应一个所述激光器，各个所述偏振控制器实现其对应的激光器产生的光载波信号的偏振调制；
多个马赫增德尔强度调制器，每个所述马赫增德尔强度调制器对应所述环形调制单元中的一个所述光环行器，各个所述马赫增德尔强度调制器将数据调制到各个所述光环行器输出的所述编码调制后的光载波信号上。
2.根据权利要求1所述的基于光环形器的光跳频系统，其特征在于，所述环形调制单元中每个所述光环行器对应一个所述偏振控制器，所述环形调制单元接收所述偏振调制后的光载波信号并分别输出所述编码调制后的光载波信号。
3.根据权利要求1所述的基于光环形器的光跳频系统，其特征在于，所述接收机包括：
波长分束器，接收所述加密的光载波信号并根据所述光载波信号中波长的不同进行分束，得到多束具有单一波长的光载波信号；
多个偏振控制器，每个所述偏振控制器对应一束所述单一波长的光载波信号，各个所述偏振控制器对各束所述单一波长的光载波信号进行偏振调制；
多个马赫增德尔强度调制器，每个所述马赫增德尔强度调制器对应一个所述偏振控制器，各个所述马赫增德尔强度调制器结合一具有跳频编码的伪随机码发生器对各束所述单一波长的光载波信号进行解码调制；
以及光探测器，实现所述解码调制后的光载波信号的数据恢复。
4.根据权利要求1所述的基于光环形器的光跳频系统，其特征在于，所述发送机的伪随机码发生器中的跳频编码与所述接收机的伪随机码发生器中的跳频编码相同。
5.根据权利要求2所述的基于光环形器的光跳频系统，其特征在于，所述多个激光器为法布里-珀罗激光器、分布反馈式激光器、分布式布拉格反射激光器和垂直外腔面发射激光器中的至少两者。
6.根据权利要求1所述的基于光环形器的光跳频系统，其特征在于，所述相位调制器是马赫-曾德尔调制器或声光调制器。
7.根据权利要求2或3所述的基于光环形器的光跳频系统，其特征在于，所述偏振控制器是拨片型偏振控制器、光纤环型偏振控制器、电光型偏振控制器或压光型偏振控制器。
8.根据权利要求1或2所述的基于光环形器的光跳频系统，其特征在于，所述光环形器是透射式光环形器或者反射式光环形器。
9.根据权利要求1或3所述的基于光环形器的光跳频系统，其特征在于，所述跳频编码是m序列或gold码。
10.一种基于光环形器的光跳频发送机，其特征在于，包括：
多个激光器，各个所述激光器连续发射不同波长的光载波信号；
多个偏振控制器，每个所述偏振控制器对应一个所述激光器，各个所述偏振控制器实现其对应的激光器产生的光载波信号的偏振调制；
环形调制单元，所述环形调制单元包括多个光环行器、光耦合器、相位调制器以及伪随机码发生器，各个所述光环行器的第一端口接收不同的光载波信号，各个所述光环行器的第二端口连接一光耦合器，所述光耦合器连接所述相位调制器并结合所述伪随机码发生器中跳频编码实现所述光载波信号的编码调制，各个所述光环行器的第三端口分别输出所述编码调制后的光载波信号；
以及多个马赫增德尔强度调制器，每个所述马赫增德尔强度调制器对应所述环形调制单元中的一个所述光环行器，各个所述马赫增德尔强度调制器将数据调制到各个所述光环行器输出的所述编码调制后的光载波信号上，实现光载波信号发送。
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