CN111181650A - 基于电吸收调制激光器的光跳频系统 - Google Patents

基于电吸收调制激光器的光跳频系统 Download PDF

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Abstract

一种光跳频系统的发射机，其中：所述伪随机码生成器生成的伪随机码信号转化成调制电流，分别对两个电吸收调制激光器的增益区进行相反的调制，从而所述电吸收调制激光器输出两个强度相同、波长互补的被调制激光，分别作为光跳频载波进入到两个马赫‑曾德尔调制器中，将两个用户信息源输入的用户信息调制到所述光跳频载波上后，从所述两个马赫‑曾德尔调制器输出的光同时进入耦合器，耦合成一路光束发射出去。本发明使用集成的电吸收调制激光器作为跳频源，使得整个发射机变得小巧灵活，并且可以从两路扩展到多路光跳频系统，因而可以与现有的波分复用系统兼容。

Description

基于电吸收调制激光器的光跳频系统
技术领域
本发明涉及安全光通信领域，尤其涉及一种基于电吸收调制激光器的光跳频系统。
背景技术
在如今信息时代，每天有太多的商业、政府、军事等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，从物理层来解决光通信的安全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使用算法加密，比如AES加密算法、DES算法、IDEA算法以及国密算法SM4等，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。
因此，迫切需要开发一种低成本、小巧安全的光通信加密系统。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于电吸收调制激光器的光跳频系统，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的第一方面，提供了一种光跳频系统的发射机，包括若干组发射单元，其中每一发射单元包括两个电吸收调制激光器、一个伪随机码生成器、两个马赫-曾德尔调制器、两个用户信息源和一个耦合器，其中：
所述伪随机码生成器生成的伪随机码信号转化成调制电流，分别对两个电吸收调制激光器的增益区进行相反的调制，从而所述电吸收调制激光器输出两个强度相同、波长互补的被调制激光，分别作为光跳频载波进入到两个马赫-曾德尔调制器中，将两个用户信息源输入的用户信息调制到所述光跳频载波上后，从所述两个马赫-曾德尔调制器输出的光同时进入耦合器，耦合成一路光束发射出去；
所述若干组发射单元之间采用级联的方式连接。
其中，所述电吸收调制激光器包括增益区和调制区；
作为优选，所述电吸收调制激光器的调制区的偏置电压与增益区上的偏置电流和调制电流相关；
作为优选，所述增益区根据不同的通信距离、传输速度和频率间隔的要求选择合适偏置电流和调制电流；
作为优选，所述电吸收调制激光器采用集成的电吸收调制激光器芯片或采用单个激光器芯片与外部调制器的组合来实现。
其中，所述马赫-曾德尔调制器选用以下一种：定向耦合式调制器、法布里-珀罗调制器、硅基光调制器或电吸收调制器。
其中，所述发射单元包括两个电吸收调制激光器或多个电吸收调制激光器。
作为本发明的第二方面，提供了一种光跳频系统的接收机，包括若干组接收单元，其中每一组接收单元包括一个解复用器、第一分束器和第二分束器、四个马赫-曾德尔调制器、两个伪随机码生成器、两个耦合器和两个光电探测器，其中：
所述解复用器将接收的光载波分成两路单波长的光分别输出到第一分束器和第二分束器中，最终将光分成四路；将四个马赫-曾德尔调制器两两分成两组，两个伪随机码生成器产生与发射机中的伪随机码生成器相同的伪随机码，由于解码用的伪随机码与发射机中用于加密的伪随机码相同，因此可以实现用户信息的解密；之后分成两路，一路用于驱动其中一个马赫-曾德尔调制器，一路通过非门后用于驱动另一个马赫-曾德尔调制器；第一分束器的一路光载波与来自第二分束器的一路光载波经过第一组的两个马赫-曾德尔调制器后汇聚于一个耦合器，随后经过耦合的光载波进入一个光电探测器；第一分束器的另一路光载波与来自第二分束器的另一路光载波经过第二组的两个马赫-曾德尔调制器后汇聚于另一个耦合器，随后经过耦合的光载波进入另一个光电探测器；
所述若干组接收单元之间采用级联连接。
其中，所述马赫-曾德尔调制器选用以下一种：定向耦合式调制器、法布里-珀罗调制器、硅基光调制器或电吸收调制器。
其中，所述接收机中的两个伪随机码生成器能够使用一个伪随机码生成器代替，之后分成两路信号。
作为本发明的第三方面，提供了一种光跳频系统，包括如上所述的发射机和/或如上所述的接收机。
其中，所述发射单元与接收单元之间通过光纤连接。
作为本发明的第四方面，提供了一种光通信设备，其中采用如上所述的光跳频系统。
基于上述技术方案可知，本发明的光跳频系统相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：
1、本发明提供一种基于电吸收调制激光器的光跳频系统，通过应用光跳频理论，把用户信息分割成多个片段，然后调制到多个光载波上，这样每个波长的光载波只携带一部分信息，从而大大提高通信的安全性。
2、使用集成的电吸收调制激光器作为跳频源，使得整个发射机变得小巧灵活，并且可以从两路扩展到多路光跳频系统，因而可以与现有的波分复用系统兼容。
3、此系统可以根据不同用户的应用需求，通过改变激光器增益区的偏置电流和调制电流来调整调制速率、跳频速率和光载波的频率间隔。
附图说明
图1是本发明基于电吸收调制激光器的光跳频系统的两路光跳频系统的结构示意图；
图2是本发明基于电吸收调制激光器的光跳频系统的两路发射机的结构示意图；
图3是本发明基于电吸收调制激光器的光跳频系统的接收机的结构示意图。
具体实施方式
中科院半导体所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，将用户数据分割成信息段，然后通过多个不同波长的光载波传输。在这个过程中，不同用户的信息将相互加密，从而大大提高了用户信息的安全性。
具体地，本发明公开了一种光跳频系统的发射机，包括若干组发射单元，其中每一发射单元包括两个电吸收调制激光器、一个伪随机码生成器、两个马赫-曾德尔调制器、两个用户信息源和一个耦合器，其中：
所述伪随机码生成器生成的伪随机码信号转化成调制电流，分别对两个电吸收调制激光器的增益区进行相反的调制，从而所述电吸收调制激光器输出两个强度相同、波长互补的被调制激光，分别作为光跳频载波进入到两个马赫-曾德尔调制器中，将两个用户信息源输入的用户信息调制到所述光跳频载波上后，从所述两个马赫-曾德尔调制器输出的光同时进入耦合器，耦合成一路光束发射出去；
所述若干组发射单元之间采用级联的方式连接。
其中，所述电吸收调制激光器包括增益区和调制区；
作为优选，所述电吸收调制激光器的调制区的偏置电压与增益区上的偏置电流和调制电流相关；
作为优选，所述增益区根据不同的通信距离、传输速度和频率间隔的要求选择合适偏置电流和调制电流；
作为优选，所述电吸收调制激光器采用集成的电吸收调制激光器芯片或采用单个激光器芯片与外部调制器的组合来实现。
其中，所述马赫-曾德尔调制器选用以下一种：定向耦合式调制器、法布里-珀罗调制器、硅基光调制器或电吸收调制器。
其中，所述发射单元包括两个电吸收调制激光器或多个电吸收调制激光器。
本发明也公开了一种光跳频系统的接收机，包括若干组接收单元，其中每一组接收单元包括一个解复用器、第一分束器和第二分束器、四个马赫-曾德尔调制器、两个伪随机码生成器、两个耦合器和两个光电探测器，其中：
所述解复用器将接收的光载波分成两路单波长的光分别输出到第一分束器和第二分束器中，最终将光分成四路；将四个马赫-曾德尔调制器两两分成两组，两个伪随机码生成器产生与发射机中的伪随机码生成器相同的伪随机码，由于解码用的伪随机码与发射机中用于加密的伪随机码相同，因此可以实现用户信息的解密；之后分成两路，一路用于驱动其中一个马赫-曾德尔调制器，一路通过非门后用于驱动另一个马赫-曾德尔调制器；第一分束器的一路光载波与来自第二分束器的一路光载波经过第一组的两个马赫-曾德尔调制器后汇聚于一个耦合器，随后经过耦合的光载波进入一个光电探测器；第一分束器的另一路光载波与来自第二分束器的另一路光载波经过第二组的两个马赫-曾德尔调制器后汇聚于另一个耦合器，随后经过耦合的光载波进入另一个光电探测器；
所述若干组接收单元之间采用级联连接。
其中，所述马赫-曾德尔调制器选用以下一种：定向耦合式调制器、法布里-珀罗调制器、硅基光调制器或电吸收调制器。
其中，所述接收机中的两个伪随机码生成器能够使用一个伪随机码生成器代替，之后分成两路信号。
本发明还公开了一种光跳频系统，包括如上所述的发射机和/或如上所述的接收机。
其中，所述发射单元与接收单元之间通过光纤连接。
本发明公开了一种光通信设备，其中采用如上所述的光跳频系统。
在一个优选实施方式中，本发明公开了一种基于电吸收调制激光器的光跳频系统，如图1所示，所述系统包括：一发射机和一接收机以及之间的连接光纤；其中发射机包括两个电吸收调制激光器、一个伪随机码生成器、两个马赫-曾德尔调制器、两个用户信息源和一个耦合器；接收机包括一解复用器、两个分束器、四个马赫-曾德尔调制器、两个伪随机码生成器、两个耦合器和两个光电探测器。在本发明中，用户信息被分裂成信息段在不同波长的光载波上传输，从而实现信息加密，提高通信系统的安全性。而且我们提出的光发射机具有小巧灵活的优点，并且易于扩展到多路光跳频，因此整个光跳频系统可以很好地与现有波分复用系统兼容。
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。
请参照图1，本发明提供的一种双通道光跳频系统包括：
一发射机，如图2所示，包括两个电吸收调制激光器芯片(EML1和EML2)、一个伪随机码生成器(7)、两个马赫-曾德尔调制器(3和6)、两个用户信息源(8和9)和一个耦合器(10)；其中的每个电吸收调制激光器芯片(EML1和EML2)都包括一个增益区(1和4)和一个电吸收调制区(2和5)，其中增益区(1和4)被一个固定的偏置电流驱动，把产生于伪随机码生成器(7)的伪随机码转化成相应的调制电流，然后对增益区进行调制，这时候由于伪随机码信号的高电平和低电平对应的电流不同，也就是说激光器芯片的增益区(1和4)的工作电流(偏置电流+调制电流)会跟随伪随机码信号的变化而变化，由于激光器增益区在不同工作电流下的输出波长不同，当选择合适的调制电流时，就可以保证高电平和低电平信号所对应的输出光波长的频率差满足通信要求。由于增益区(1)和增益区(4)被两个相反的信号进行调制，也就是说当增益区(1)加载的是高电平对应的电流，这时增益区(4)就是加载的低电平对应的电流，因此在同一时间两个增益区输出的激光的波长是不同的，但由于高电平和低电平对应电流产生的波长是确定的，因此增益区(1)和增益区(4)输出的是两个相同波长的光。其中的增益区(1和4)的偏置电流和调制电流可以根据不同的通信距离、传输速度和频率间隔的要求选择合适的偏置电流和调制电流以适应不同的应用场景。
当从增益区(1和4)输出的激光注入到电吸收调制区(2和5)后，首先需要根据增益区(1和4)的驱动电流和调制电流给调制区选择合适的驱动电压，之后使用伪随机码生成器(7)产生的伪随机码驱动。需要注意的是在这一过程中驱动增益区(1)和(4)的伪随机码是相反的，驱动增益区(如1)和其相对应的调制区(如2)的伪随机码也是相反的。由于增益区中产生的激光是在两种电流下产生的，因此这两个波长的光强度是不同的，这时候需要调制区对这一光强差异进行补偿，因此使用与增益区的驱动码相反的伪随机码驱动调制区，使最终从EML1和EML2输出的激光在光强度上是相同的，在波长上是互补的。
之后，从EML1和EML2输出的光跳频载波被分别注入到马赫-曾德尔调制器(3和6)，两个用户信息源(8和9)通过马赫-曾德尔调制器(3和6)把用户信息调制到光跳频载波上，然后这两路被调制后的光载波通过耦合器(10)耦合进入光纤(11)然后进入光接收机。
一光接收机，如图3所示，包括一解复用器(12)、两个分束器(13、14)、四个马赫-曾德尔调制器(15、16、17、18)、两个伪随机码生成器(19和20)、两个耦合器(21和22)和两个光电探测器(23和24)。
上述所述的光接收机中的解复用器(12)用于把从光纤(11)输入的光载波分开成两路单波长的光，用于之后的解码。从解复用器(12)输出的两路光载波又经过分束器(13和14)，从而分成四路，把来自于分束器(13)和分束器(14)各一路光载波分别注入到马赫-曾德尔调制器(15)和(16)中，其余两路分别注入到马赫-曾德尔调制器(17)和(18)中。
以注入到马赫-曾德尔调制器(15)和(16)的两路光载波为例，说明一路用户信息的解码过程。一伪随机码生成器(19)产生与发射机中的伪随机码生成器(7)相同的伪随机码，之后分成两路，一路用于驱动马赫-曾德尔调制器(16)，一路通过非门后用于驱动马赫-曾德尔调制器(15)，这时由于解码用的伪随机码与发射机中用于加密的伪随机码相同，因此可以实现用户信息的解密，之后把解码后的光载波通过耦合器(21)耦合进入光探测器(23)中，最终实现用户信息的恢复。另一路用户信息在马赫-曾德尔调制器(17)和(18)中的解码过程与上面所述相同，因此两路用户信息就被恢复出来了。
上述所述为两路光跳频系统的加密和解密过程，在实际应用中可以通过级联多个光发射机和光接收机，实现多通道光跳频。
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)

1.一种光跳频系统的发射机，其特征在于，包括若干组发射单元，其中每一发射单元包括两个电吸收调制激光器、一个伪随机码生成器、两个马赫-曾德尔调制器、两个用户信息源和一个耦合器，其中：
所述伪随机码生成器生成的伪随机码信号转化成调制电流，分别对两个电吸收调制激光器的增益区进行相反的调制，从而所述电吸收调制激光器输出两个强度相同、波长互补的被调制激光，分别作为光跳频载波进入到两个马赫-曾德尔调制器中，将两个用户信息源输入的用户信息调制到所述光跳频载波上后，从所述两个马赫-曾德尔调制器输出的光同时进入耦合器，耦合成一路光束发射出去；
所述若干组发射单元之间采用级联的方式连接。
2.根据权利要求1所述的发射机，其特征在于，所述电吸收调制激光器包括增益区和调制区；
作为优选，所述电吸收调制激光器的调制区的偏置电压与增益区上的偏置电流和调制电流相关；
作为优选，所述增益区根据不同的通信距离、传输速度和频率间隔的要求选择合适偏置电流和调制电流；
作为优选，所述电吸收调制激光器采用集成的电吸收调制激光器芯片或采用单个激光器芯片与外部调制器的组合来实现。
3.根据权利要求1所述的发射机，其特征在于，所述马赫-曾德尔调制器选用以下一种：定向耦合式调制器、法布里-珀罗调制器、硅基光调制器或电吸收调制器。
4.根据权利要求1所述的发射机，其特征在于，所述发射单元包括两个电吸收调制激光器或多个电吸收调制激光器。
5.一种光跳频系统的接收机，其特征在于，包括若干组接收单元，其中每一组接收单元包括一个解复用器、第一分束器和第二分束器、四个马赫-曾德尔调制器、两个伪随机码生成器、两个耦合器和两个光电探测器，其中：
所述解复用器将接收的光载波分成两路单波长的光分别输出到第一分束器和第二分束器中，最终将光分成四路；将四个马赫-曾德尔调制器两两分成两组，两个伪随机码生成器产生与发射机中的伪随机码生成器相同的伪随机码，由于解码用的伪随机码与发射机中用于加密的伪随机码相同，因此可以实现用户信息的解密；之后分成两路，一路用于驱动其中一个马赫-曾德尔调制器，一路通过非门后用于驱动另一个马赫-曾德尔调制器；第一分束器的一路光载波与来自第二分束器的一路光载波经过第一组的两个马赫-曾德尔调制器后汇聚于一个耦合器，随后经过耦合的光载波进入一个光电探测器；第一分束器的另一路光载波与来自第二分束器的另一路光载波经过第二组的两个马赫-曾德尔调制器后汇聚于另一个耦合器，随后经过耦合的光载波进入另一个光电探测器；
所述若干组接收单元之间采用级联连接。
6.根据权利要求5所述的接收机，其特征在于，所述马赫-曾德尔调制器选用以下一种：定向耦合式调制器、法布里-珀罗调制器、硅基光调制器或电吸收调制器。
7.根据权利要求5所述的接收机，其特征在于，所述接收机中的两个伪随机码生成器能够使用一个伪随机码生成器代替，之后分成两路信号。
8.一种光跳频系统，其特征在于，包括如权利要求1～4任一项所述的发射机和/或如权利要求5-7任一项所述的接收机。
9.根据权利要求8所述的光跳频系统，其特征在于，所述发射单元与接收单元之间通过光纤连接。
10.一种光通信设备，其特征在于，其中采用如权利要求8或9所述的光跳频系统。
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