CN109981176A - 基于偏振调制的光跳频系统及发送机、接收机 - Google Patents

基于偏振调制的光跳频系统及发送机、接收机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于偏振调制的光跳频系统及发送机、接收机，包括：两个结构相同的偏振调制单元，接收光载波信号，各个偏振调制单元包括顺序连接的多个第一偏振控制器、一相位调制器、一第二偏振控制器和一偏振分束器，其中相位调制器连接一伪随机码发生器，该伪随机码发生器中跳频编码结合该相位调制器实现对光载波的编码或解码调制；内置一个该偏振调制单元的发送机，实现光载波信号的加密及发送；内置另一个该偏振调制单元的接收机，实现光载波信号的接收及解密；以及光纤，实现发送机和接收机的载波通信。本发明可以实现高速光跳频编码，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

基于偏振调制的光跳频系统及发送机、接收机
技术领域
本发明涉及光通信安全领域，尤其涉及一种基于偏振调制的光跳频系统及发送机、接收机。
背景技术
在如今信息时代，每天有太多的商业、政府、军事等机密信息以及个人隐私信息通过光纤网络传输。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偏振调制的光跳频系统及发送机、接收机，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偏振调制的光跳频系统及发送机、接收机，其中：
该基于偏振调制的光跳频系统包括：
第一偏振调制单元，接收光载波信号，该第一偏振调制单元包括顺序连接的多个第一偏振控制器、一第一相位调制器、一第二偏振控制器和一第一偏振分束器，其中第一相位调制器连接一第一伪随机码发生器，该第一伪随机码发生器中跳频编码结合该第一相位调制器实现对光载波的编码调制。
内置有上述第一偏振调制单元的发送机，发送通过该第一偏振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；
上述第一偏振调制单元，该第一偏振调制单元中每个第一偏振控制器对应一个该激光器，各个第一偏振控制器接收其对应的激光器的光载波，该第一偏振调制单元实现光载波的编码调制及输出；
多个第三相位调制器，每个第三相位调制器对应一束该第一偏振调制单元中第一偏振分束器分束后的光载波，各个第三相位调制器接收一束该光载波进行相位调制；
多个脉冲模式发生器，每个脉冲模式发生器对应一个该第三相位调制器，各个脉冲模式发生器作为驱动控制其对应的第三相位调制器的光载波实现数据加载；
以及耦合器，接收加载数据后的光载波进行耦合。
第二偏振调制单元，包括顺序连接的多个第三偏振控制器、一第二相位调制器、一第四偏振控制器和一第二偏振分束器，其中第二相位调制器连接第二伪随机码发生器，该第二伪随机码发生器中跳频编码结合该第二相位调制器实现对光载波的解码调制；
内置有上述第二偏振调制单元的接收机，接收该加密的光载波信号并通过该第二偏振调制单元进行解密输出；
进一步的，该接收机包括：
波长分束器，接收加密的光载波并根据该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；
上述第二偏振调制单元，该第二偏振调制单元中每个第三偏振控制器对应接收一束单一波长的光载波，该第二偏振调制单元对该多束具有单一波长的光载波进行解码调制并输出；
多个光探测器，每个光探测器对应一束该第二偏振调制单元中第二偏振分束器分束后的光载波，各个光探测器接收一束该光载波得到原始载波信号的输出。
更进一步的，发送机的第一伪随机码发生器中的跳频编码与接收机的第二伪随机码发生器中的跳频编码相同。
另有，上述基于偏振调制的光跳频系统中，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垂直外腔面发射激光器；
第一相位调制器、第一相位调制器和第三相位调制器是马赫-曾德尔调制器或声光调制器；
第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器和第四偏振控制器是拨片型偏振控制器、光纤环型偏振控制器、电光型偏振控制器和/或压光型偏振控制器。
该基于偏振调制的光跳频发送机，包括：
多个激光器，各个激光器连续发射不同波长的光载波；
第一偏振调制单元，该第一偏振调制单元包括顺序连接的多个第一偏振控制器、一第一相位调制器、一第二偏振控制器和一第一偏振分束器，该第一偏振调制单元中每个第一偏振控制器对应一个该激光器，各个第一偏振控制器接收其对应的激光器的光载波，该第一偏振调制单元中的第一相位调制器连接一第一伪随机码发生器，该第一伪随机码发生器中跳频编码结合该第一相位调制器实现对光载波的编码调制；
多个第三相位调制器，每个第三相位调制器对应一束该第一偏振调制单元中第一偏振分束器分束后的光载波，各个第三相位调制器接收一束该光载波进行相位调制；
多个脉冲模式发生器，每个脉冲模式发生器对应一个第三该相位调制器，各个脉冲模式发生器作为驱动控制其对应的第三相位调制器的光载波实现数据加载；
以及耦合器，接收该加载数据后的光载波进行耦合。
该基于偏振调制的光跳频接收机，包括：
波长分束器，接收加密的具有不同波长的光载波，并根据该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；
第二偏振调制单元，该第二偏振调制单元包括顺序连接的多个第三偏振控制器、一第二相位调制器、一第四偏振控制器和一第二偏振分束器，该第二偏振调制单元中各个第三偏振控制器对应接收一束该单一波长的光载波，该第二偏振调制单元中的第二相位调制器连接一第二伪随机码发生器，该第二伪随机码发生器中跳频编码结合该第二相位调制器实现对光载波的解码调制；
多个光探测器，每个光探测器对应一束该第二偏振调制单元中第二偏振分束器分束后的光载波，各个光探测器接收一束该光载波得到原始载波信号的输出。
从上述方案中可以看出，本发明提供的基于偏振调制的光跳频系统及发送机、接收机优点在于；
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、实现高速的加密调制，使用户数据以1Gb/s到几十Gb/s的速度在不同波长之间跳转；
3、由于发送机和接收机具有相同的基本单元，便于生产和扩展到多个通道，从而与波分复用系统兼容。
附图说明
为了进一步说明本发明的内容，下面结合实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偏振调制的光跳频系统及发送机、接收机，请参照图1，是本实施例基于偏振调制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：
第一偏振调制单元，接收光载波信号，该第一偏振调制单元包括顺序连接的多个第一偏振控制器、一第一相位调制器、一第二偏振控制器和一第一偏振分束器，其中第一相位调制器连接一第一伪随机码发生器，该第一伪随机码发生器中跳频编码结合该第一相位调制器实现对光载波的编码调制。
本实施例中，第一偏振调制单元作为实现该系统的发送机的基本单元(图中显示为单元1)。具体描述为，发送机中第一偏振调制单元，即单元1包括两个前处理偏振控制器，即第一偏振控制器(PC1和PC2)，一后处理偏振控制器，即第二偏振控制器(PC3)，一第一相位调制器(PM1)和第一伪随机码发生器(HS1)和一第一偏振分束器(PBS1)。
内置有上述第一偏振调制单元的发送机，发送通过该第一偏振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；
上述第一偏振调制单元，该第一偏振调制单元中每个第一偏振控制器对应一个该激光器，各个第一偏振控制器接收其对应的激光器的光载波，该第一偏振调制单元实现光载波的编码调制及输出；
多个第三相位调制器，每个第三相位调制器对应一束该第一偏振调制单元中第一偏振分束器分束后的光载波，各个第三相位调制器接收一束该光载波进行相位调制；
多个脉冲模式发生器，每个脉冲模式发生器对应一个该第三相位调制器，各个脉冲模式发生器作为驱动控制其对应的第三相位调制器的光载波实现数据加载；
以及耦合器，接收加载数据后的光载波进行耦合，并耦合入光纤；
本实施例中，除单元1外，发送机还包括连续激光器(LD1和LD2)、光强度调制器(MZ1和MZ2)和相应的驱动(DATA1和DATA2)。
第二偏振调制单元，包括顺序连接的多个第三偏振控制器、一第二相位调制器、一第四偏振控制器和一第二偏振分束器，其中第二相位调制器连接第二伪随机码发生器，该第二伪随机码发生器中跳频编码结合该第二相位调制器实现对光载波的解码调制；
本实施例中，第二偏振调制单元作为实现该系统的接收机的基本单元(图中显示为单元2)。具体描述为，接收机中第二偏振调制单元，即单元2包括两个前处理偏振控制器，即第三偏振控制器(PC4和PC5)，一后处理偏振控制器，即第四偏振控制器(PC6)，一第二相位调制器(PM2)和第二伪随机码发生器(HS2)和一第二偏振分束器(PBS2)。
内置有上述第二偏振调制单元的接收机，接收该加密的光载波信号并通过该第二偏振调制单元进行解密输出；
一些实施例中，该接收机包括：
波长分束器，接收加密的光载波并根据该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；
上述第二偏振调制单元，该第二偏振调制单元中每个第三偏振控制器对应接收一束单一波长的光载波，该第二偏振调制单元对该多束具有单一波长的光载波进行解码调制并输出；
多个光探测器，每个光探测器对应一束该第二偏振调制单元中第二偏振分束器分束后的光载波，各个光探测器接收一束该光载波得到原始载波信号的输出。
本实施例中，除单元2外，接收机还包括波长分束器(DEMUX)和光探测器(PD1和PD2)。
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，发送机的第一伪随机码发生器中的跳频编码与接收机的第一伪随机码发生器中的跳频编码相同。
更有，上述基于偏振调制的光跳频系统中，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；
所有第一相位调制器、第一相位调制器和第三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。
所有第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器和第四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。
基于以上实施例，其具体工作过程，请参阅图1和图2所示：
在发送机中，两个激光器(LD1和LD2)产生连续激光λ1和λ2，两束光的偏振状态被第一偏振控制器(PC1和PC2)调整到正交状态，并且与第一相位调制器(PM1)的竖直轴成±45°，如图2所示。之后两种偏振状态的光进入第一相位调制器(PM1)，并在第一伪随机码发生器(HS1)产生的跳频编码的作用下，实现两种波长在两种偏振状态的随时间的变换，也就是实现载波信号的加密。经过上述第一相位调制器(PM1)的处理产生两路偏振状态正交，并且波长互补的频移键控信号(FSK)，之后两路信号再经过第二偏振控制器(PC3)使两种偏振状态旋转到水平和竖直状态，然后通过第一偏振分束器(PBS1)分成两路波长互补的信号。这两路信号分别进入两个马赫-曾德尔光强度调制器(MZ1和MZ2)，实现用户数据的加载，最后通过耦合器进入单模光纤中。
在接收机前端通过波长分束器(DEMUX)把从单模光纤传输过来的信号重新分成λ1和λ2，之后经过第三偏振控制器(PC4和PC5)后，再次恢复成正交，且与第二相位调制器(PM2)成±45°的两个偏振状态。之后，光信号在第二伪随机码发生器(HS2)中产生与发送机中第一伪随机码发生器(HS1)相同的跳频信号，在该跳频信号调制下，并经过之后的第四偏振控制器(PC6)和第二偏振分束器(PBS2)的处理恢复成载波信号，这一载波信号与发送机中第一偏振分束器(PBS1)输出的载波相同，因此经过光探测器(PD1和PD2)的探测，得到解码后的用户数据。
基于以上实施例，本发明还提供了一种基于偏振调制的光跳频发送机，包括：
多个激光器，各个激光器连续发射不同波长的光载波；
第一偏振调制单元，该第一偏振调制单元包括顺序连接的多个第一偏振控制器、一第一相位调制器、一第二偏振控制器和一第一偏振分束器，该第一偏振调制单元中每个第一偏振控制器对应一个该激光器，各个第一偏振控制器接收其对应的激光器的光载波，该第一偏振调制单元中的第一相位调制器连接一第一伪随机码发生器，该第一伪随机码发生器中跳频编码结合该第一相位调制器实现对光载波的编码调制；
多个第三相位调制器，每个第三相位调制器对应一束该第一偏振调制单元中第一偏振分束器分束后的光载波，各个第三相位调制器接收一束该光载波进行相位调制；
多个脉冲模式发生器，每个脉冲模式发生器对应一个该第三相位调制器，各个脉冲模式发生器作为驱动控制其对应的第三相位调制器的光载波实现数据加载；
以及耦合器，接收该加载数据后的光载波进行耦合，并耦合入光纤。
基于上述光跳频系统，本发明更提供了一种基于偏振调制的光跳频接收机，包括：
波长分束器，接收加密的具有不同波长的光载波，并根据该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；
第二偏振调制单元，该第二偏振调制单元包括顺序连接的多个第三偏振控制器、一第二相位调制器、一第四偏振控制器和一第二偏振分束器，该第二偏振调制单元中各个第三偏振控制器对应接收一束该单一波长的光载波，该第二偏振调制单元中的第二相位调制器连接一第二伪随机码发生器，该第二伪随机码发生器中跳频编码结合该第二相位调制器实现对光载波的解码调制；
多个光探测器，每个光探测器对应一束该第二偏振调制单元中第二偏振分束器分束后的光载波，各个光探测器接收一束该光载波得到原始载波信号的输出。
对该基于偏振调制的光跳频发送机和接收机的实施示例，在上述描述中已有介绍，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 (9)

1.一种基于偏振调制的光跳频系统，其特征在于，包括：
第一偏振调制单元，接收光载波信号，所述第一偏振调制单元包括顺序连接的多个第一偏振控制器、一第一相位调制器、一第二偏振控制器和一第一偏振分束器，所述第一相位调制器连接第一伪随机码发生器，所述第一伪随机码发生器中跳频编码结合所述第一相位调制器实现对光载波的编码调制；
内置有所述第一偏振调制单元的发送机，发送通过所述第一偏振调制单元加密的光载波信号；
第二偏振调制单元，包括顺序连接的多个第三偏振控制器、一第二相位调制器、一第四偏振控制器和一第二偏振分束器，所述第二相位调制器连接第二伪随机码发生器，所述第二伪随机码发生器中跳频编码结合所述第二相位调制器实现对光载波的解码调制；
内置有所述第二偏振调制单元的接收机，接收所述加密的光载波信号并通过所述第二偏振调制单元进行解密输出。
2.根据权利要求1所述的基于偏振调制的光跳频系统，其特征在于，所述发送机包括：
多个激光器，所述各个激光器连续发射不同波长的光载波；
所述第一偏振调制单元，所述第一偏振调制单元中每个所述第一偏振控制器对应一个所述激光器，各个所述第一偏振控制器接收所述对应的激光器的光载波，所述第一偏振调制单元实现所述光载波的编码调制及输出；
多个第三相位调制器，所述每个第三相位调制器对应一束所述第一偏振调制单元中第一偏振分束器分束后的光载波，所述各个第三相位调制器接收一束所述光载波进行相位调制；
多个脉冲模式发生器，所述每个脉冲模式发生器对应一个所述第三相位调制器，各个所述脉冲模式发生器作为驱动控制所述对应的第三相位调制器的光载波实现数据加载；以及
耦合器，接收所述加载数据后的光载波进行耦合。
3.根据权利要求1所述的基于偏振调制的光跳频系统，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并根据所述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；
所述第二偏振调制单元，所述第二偏振调制单元中每个所述第三偏振控制器对应接收一束所述单一波长的光载波，所述第二偏振调制单元对所述多束具有单一波长的光载波进行解码调制并输出；
多个光探测器，所述每个光探测器对应一束所述第二偏振调制单元中第二偏振分束器分束后的光载波，各个所述光探测器接收一束所述光载波得到原始载波信号的输出。
4.根据权利要求1所述的基于偏振调制的光跳频系统，其特征在于，所述发送机的第一伪随机码发生器中的跳频编码与所述接收机的第二伪随机码发生器中的跳频编码相同。
5.根据权利要求2所述的基于偏振调制的光跳频系统，其特征在于，所述激光器为法布里-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。
6.根据权利要求2所述的基于偏振调制的光跳频系统，其特征在于，所述第一相位调制器、第一相位调制器和第三相位调制器是马赫-曾德尔调制器或声光调制器。
7.根据权利要求1至3中任一所述的基于偏振调制的光跳频系统，其特征在于，所述第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器和第四偏振控制器是拨片型偏振控制器、光纤环型偏振控制器、电光型偏振控制器和/或压光型偏振控制器。
8.一种基于偏振调制的光跳频发送机，其特征在于，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；
第一偏振调制单元，所述第一偏振调制单元包括顺序连接的多个第一偏振控制器、一第一相位调制器、一第二偏振控制器和一第一偏振分束器，所述第一偏振调制单元中每个所述第一偏振控制器对应一个所述激光器，所述各个第一偏振控制器接收所述对应的激光器的光载波，所述第一偏振调制单元中的第一相位调制器连接一第一伪随机码发生器，所述第一伪随机码发生器中跳频编码结合所述第一相位调制器实现对所述光载波的编码调制；
多个第三相位调制器，所述每个第三相位调制器对应一束所述第一偏振调制单元中第一偏振分束器分束后的光载波，所述各个第三相位调制器接收一束所述光载波进行相位调制；
多个脉冲模式发生器，所述每个脉冲模式发生器对应一个所述第三相位调制器，所述各个脉冲模式发生器作为驱动控制所述对应的第三相位调制器的光载波实现数据加载；
以及耦合器，接收所述加载数据后的光载波进行耦合。
9.一种基于偏振调制的光跳频接收机，其特征在于，包括：
波长分束器，接收加密的具有不同波长的光载波，并根据所述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；
第二偏振调制单元，所述第二偏振调制单元包括顺序连接的多个第三偏振控制器、一第二相位调制器、一第四偏振控制器和一第二偏振分束器，所述第二偏振调制单元中各个所述第三偏振控制器对应接收一束所述单一波长的光载波，所述第二偏振调制单元中的第二相位调制器连接一第二伪随机码发生器，所述第二伪随机码发生器中跳频编码结合所述第二相位调制器实现对光载波的解码调制；
多个光探测器，所述每个光探测器对应一束所述第二偏振调制单元中第二偏振分束器分束后的光载波，所述各个光探测器接收一束所述光载波得到原始载波信号的输出。
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