CN113676256A - 一种基于超结构光纤布拉格光栅的安全光传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于超结构光纤布拉格光栅的安全光传输方法，属于光纤通信领域。该方法包括：S1：对多个用户的数据比特流信号进行IM强度调制；S2：将调制后的光脉冲分别送入SSFBG编码器，使用Walsh码作为编解码地址码，产生扩频序列；S3：多路用户信号送入SMF传输信道传输到接收端；S4：接收端利用色散补偿光纤对信号进行色散补偿；S5：处理完的信号分别送入对应用户的SSFBG解码器得到一个中间高两边低的脉冲信号，此脉冲信号经放大器放大后通过光电检测器转换为电信号；S6：滤除带宽外的噪声，进行误码率估计和采样量化；S7：恢复原始信号序列。本发明减少了多用户干扰，提高了系统质量和性能。

Description

一种基于超结构光纤布拉格光栅的安全光传输方法
技术领域
本发明属于光纤通信领域，涉及一种使用Walsh码的基于超结构光纤布拉格光栅的点对多点安全光传输技术。
背景技术
OCDMA技术是基于电CDMA技术升级产生的，故电CDMA的技术原理影响着OCDMA技术，然而它们又有着不一样的地方。这两种技术都是为网络系统中的每个用户分配一个唯一的地址码，以此来特征化代表这个用户的身份，每个用户所拥有的不相同的地址码之间关系是相互正交或准正交的。OCDMA技术把码分多址技术运用在光纤信道，对用户信号采用全光处理手段，打破了传统网络中的光电和电光转换的瓶颈制约。
OCDMA-PON是OCDMA技术和PON(Passive Optical Network，无源光网络)技术的结合。OCDMA-PON系统为了让多个用户能够共享传输介质，分配不同的地址码给每个ONU(Optical Network Unit，光网络单元)。非相干的OCDMA-PON系统中，光网络终端(OpticalNetwork Termination,ONT)对上行用户信息数据根据指定的地址码进行调制，通过光远端节点(Optical Remote Node,ORN)发送到光线路终端(Optical Line Termination,OLT)，OLT对数据的解调选取了相同的地址码。各ONU之间不需要同步，它们将信息借助于唯一并且相互准正交的地址码编码后，经由环形器进入OLT，而编码后的信息同样可以随时接入上行信道并且不必对介质进行接入控制。
反射镜在光学系统中占有极其重要的地位，光纤光栅如同一个可精确控制反射率的反射镜或窄带滤光器。光纤布拉格光栅是在SMF单模光纤的纤芯内部形成空间相位周期性分布的光栅，是一种全光纤器件，它相当于以窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜方式存在于纤芯中。FBG作为一种常见的光纤光栅，广泛应用于光纤传感、光通信、光信号处理等领域。FBG由于其独特的滤波特性在对光发送、光放大、光纤色散补偿等多个层面上都有重要意义，在光通信领域中产生了深远影响。
当光栅调制周期小于1μm，即为光纤布拉格光栅(反射光栅)，其传输方向相反的模式之间发生耦合，基本特性就是反射式的带通光学滤波器；长周期光纤光栅周期一般是几百微米，同向传输的纤芯基模和包层模之间的耦合，没有后向反射，其基本特性为透射型的带阻滤波器。
超结构光纤布拉格光栅是一种折射率调制函数随长度缓慢变化的光纤布拉格光栅。SSFBG具有的优点包括但不限于全光纤结构、结构紧凑、变址便利、易于制作以及能够产生超长光学码。超结构光纤布拉格光栅编解码器相当于若干个FBG编解码器级联，即是在一根光纤上将不同反射波长的FBG串联在一起。携带“0”、“1”信息的非相干光谱信号通过环形器进入级联的FBG编码器，将入射光谱分解成一系列的谱片对入射的宽谱光源进行选择性波长反射。用户地址码中的码元“1”的位置决定反射谱片的中心波长，环形器最后输出的频谱序列与用户地址码序列相对应。由OCDMA编解码器关系可以知道，其传递函数是线性复共轭的。级联结构的FBG编解码器要求不能含有中心波长相同的编码脉冲。
因此，亟需一种利用超结构光纤布拉格光栅的光传输方法，用于提高通信传输系统的质量。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于光纤布拉格光栅的安全光传输方法，减少多用户干扰，提高系统质量和性能。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于超结构光纤布拉格光栅的安全光传输方法，具体包括以下步骤：
S1：对多个用户的数据比特流信号进行IM强度调制；
S2：将多个用户调制后的光脉冲分别送入OCDMA编码器，产生载有用户信息特征的扩频序列；
S3：多路用户信号一起送入单模光纤SMF传输信道传输到接收端；
S4：接收端利用色散补偿光纤对信号进行色散补偿；
S5：步骤S4处理完的信号分别送入对应用户的OCDMA解码器，OCDMA解码器与OCDMA编码器相匹配，得到一个中间高两边低的脉冲信号，此脉冲信号经放大器放大后通过光电检测器转换为电信号；
S6：多个用户分别采用低通滤波器滤除带宽外的噪声，然后进行误码率估计和采样量化；
S7：恢复原始信号序列。
进一步，所述OCDMA编/解码器均采用超结构光纤布拉格光栅作为编解码器，即SSFBG编/解码器。
进一步，所述OCDMA编/解码器均采用Walsh码作为地址码，减少多用户干扰，提高系统质量和性能。
进一步，所述超结构光纤布拉格光栅是存在周期为Λ＝λ/2neff的周期结构，其中λ为波长，neff为光栅有效折射率；所述超结构光纤布拉格光栅只需要求出光栅函数f(x/2neff)的傅里叶变换，即能求得折射率分布函数f(x)的光纤光栅的反射谱F(1/λ)。
进一步，所述超结构光纤布拉格光栅在弱光栅条件下即峰值反射率<20％，SSFBG的波矢响应F(k)由其空间超结构折射率调制分布函数A(x)的傅里叶变换给出：
Figure BDA0003224808280000031
折射率调制分布函数为：
Figure BDA0003224808280000032
其中，Δn为折射率调制深度，rect(x/L)为切趾函数；L＝N·Lc为光栅长度，N为码片数，Lc为码片长度；Λ为光栅周期，C为所采用的地址码，Pi(c)为与地址码相关的函数，它影响控制着折射率调制的相移，其值为非负值域的0，1。
本发明的有益效果在于：相比于传统的电加密手段，本发明的光加密不受限于传统电子计算的响应速度，具有大吞吐量和低处理时延的优势，处理速度更快，能满足实时性加密的要求。本发明采取SSFBG作为系统的编解码器，其功能由波长选择开关控制决定，它能够完成波长的选择和光幅度的调整。本发明对编解码的地址码选择上使用Walsh码，通过优化码字的设计，减少了多用户干扰，提高了系统质量和性能。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明基于超结构光纤布拉格光栅的点对多点安全光传输系统结构示意图；
图2为用户1发送序列和接收端恢复序列的对比；
图3为用户2发送序列和接收端恢复序列的对比；
图4为用户3发送序列和接收端恢复序列的对比；
图5为发送用户1经SSFBG编码器编码后的信号；
图6为发送用户2经SSFBG编码器编码后的信号；
图7为发送用户3经SSFBG编码器编码后的信号；
图8为用户1经SSFBG解码器解码后的信号；
图9为用户2经SSFBG解码器解码后的信号；
图10为用户3经SSFBG解码器解码后的信号；
图11为OOK三个用户的阈值大小；
图12为OOK三个用户的误码率曲线图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1～图12，本实施例使用Walsh码的基于超结构光纤布拉格光栅的点对多点安全光传输系统，如图1所示，本实施例中采用VPI作为仿真软件，实现本发明的安全光传输，并对其进行验证。
VPI中各类参数设置如下表1所示：
表1 VPI参数设置
Figure BDA0003224808280000041
首先在发送端设置激光器发射光载波，对三个用户输入的一个OOK(开关键控调制方式)用户数据比特流信号(三个用户原始数据如图2～图4所示)进行IM强度调制。
然后将调制后的光脉冲送入超结构光纤布拉格光栅产生载有用户信息特征的扩频序列，采用光纤布拉格光栅作为编解码器，传输的信号通过编码器发射端继续在系统中传输(与之对应的，透射方向的信号接地。已经编码后的信号在时域上展宽，从而也达到了对信号进行隐写的目的)，本方案采用Walsh码作为编解码器的地址码，减少多用户干扰，提高系统质量和性能，得到三个用户的编码结果如图5～图7所示。
紧接着将三个用户的编码信号送入单模光纤SMF传输信道传输到接收端，在接收端利用色散补偿光纤对信号进行处理。
处理完的信号分别送入三个用户的OCDMA解码器(即超结构光纤布拉格光栅)，OCDMA解码器与OCDMA编码器相匹配，得到一个中间高两边低的脉冲。此脉冲信号经放大器放大后通过光电检测器转换为电信号，再用低通滤波器滤除带宽外的噪声，在此处进行误码率估计和采样量化，采样量化是为了恢复发送端用户的OOK原始驱动序列，通过生成的波形对比原序列看是否恢复成功。
光栅函数f(x)的傅里叶变换式：
f(x)＝∫F(f)exp(j2πfx)df
F(f)＝∫f(x)exp(-j2πfx)dx
其中，f＝1/λ为空间频率，即单位长度上的周期数。
波长为λ的光能否被反射，取决于光栅中是否存在周期为Λ＝λ/2neff的周期结构。若上述此种结构存在，就只需要求出函数f(x/2neff)的傅里叶变换，即可求得折射率分布函数f(x)的光纤光栅的反射谱F(1/λ)。
在弱光栅条件(峰值反射率<20％)限制下，SSFBG的波矢响应F(k)可以简单地由其空间超结构折射率调制分布函数A(x)的傅里叶变换给出：
Figure BDA0003224808280000051
折射率调制分布函数为：
Figure BDA0003224808280000053
式中，Δn为折射率调制深度，rect(x/L)为切趾函数，L＝N·Lc为光栅长度，N为码片数，Lc为码片长度；Λ为光栅周期；C为所采用的地址码；Pi(c)为与地址码相关的函数，它影响控制着折射率调制的相移，其值为非负值域的0，1。
光栅的冲激响应h(t)可以由H(ω)的傅里叶反变换表示：
Figure BDA0003224808280000052
波矢量k与光角频率ω成正比，由此可以知道，SSFBG光栅折射率幅度调制的空间分布形状直接决定了弱光栅冲激响应的时域分布，从空间域z到时间域t的转换因子t＝2neffz/c，其中，neff为光栅有效折射率，c为光在真空中的传播速率。
当被调制后的光脉冲进入相移SSFBG编码器后，同时将会有一连串的相干光脉冲生成，相移的大小和位置直接决定着这些脉冲的形状、分布情况，而光脉冲的相位又反映了编码后的比特极性。
如图8～图10所示是三个传输信号通过SSFBG解码器解码后的光信号波形。横轴每个刻度代表时间为0.5ns，纵轴每个刻度代表光功率分别是20μW、50μW、50μW。各个SSFBG解码器与其系统内编码器相匹配，均得到了一系列中间高两边低的脉冲。
本系统中解码效果的理想，得益于所选用的编码器和解码器在时域和频域上都不错的匹配。编解码器所用超结构光纤布拉格光栅的性能和连接SSFBG的光纤延时线长度的一致性在某些情况下逐渐劣化时，解码后信号的自相关强度会降低。
由图11中VPI仿真软件生成的表格可知，被SSFBG解码器解码后的三个用户信号经光电检测器转换为电信号，再到电阈值器阈值件判决的大小大约分别是1.0608×e-5、1.1938×e-5、9.6017×e-6。在这些阈值判决条件下的误码率由图12所示的VPI生成的曲线图可以看出，其中“user1”、“user2”、“user3”分别代表3个发送端用户，横坐标代表接收光功率大小，单位为毫瓦分贝，纵坐标表示误码率数值大小。由图可以清楚地了解到，随着接收光功率的增大，系统的3个用户误码率都逐渐减小，在接收光功率为-20dbm及更高时，系统误码率皆停留在0，表明系统在此时达到完全准确无误恢复原始发送信号的标准。至此，能清晰地得出所搭建实现的点对多点OCDMA系统的可靠性较高的结论。
如图2～图4所示分别为三个接收端用户恢复接收到的序列与三个发送端用户发送的原始序列的对比图。每张图中的“input1”皆为发送端用户发送的原始数据序列，“input2”都是接收端用户接收到的恢复序列，由这几张分别展示接收端恢复的序列和发送端发送的原始序列的坐标图对比容易看出，各用户解码后恢复信号与各用户原始数据信号波形一致，证明该OCDMA-PON系统在多用户随机接入的前提下实现了正确解码，拥有较高的数据接收信息准确性，并且再一次充分体现了图12中误码率的可信度。
值得提出来讲的是，每一个接收端恢复序列和发送端原始序列都成功地实现了正确解码，并没有多址干扰。本仿真的3个用户地址码采用的是相同的时延不同的波长，这样其互相关为零，避免了多用户干扰，因为只有当2个码字在波长和时间的位置产生重叠时，才会发生碰撞产生干扰。此处也从另外一个方面证实了通过使用Walsh码，可以减少多用户干扰，提高系统质量和性能。
综合上述结果分析可知，本发明计点对多点的安全光网络传输系统安全性和可靠性都比较好。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于超结构光纤布拉格光栅的安全光传输方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
S1：对多个用户的数据比特流信号进行IM强度调制；
S2：将多个用户调制后的光脉冲分别送入OCDMA编码器，产生载有用户信息特征的扩频序列；
S3：多路用户信号一起送入单模光纤SMF传输信道传输到接收端；
S4：接收端利用色散补偿光纤对信号进行色散补偿；
S5：步骤S4处理完的信号分别送入对应用户的OCDMA解码器，OCDMA解码器与OCDMA编码器相匹配，得到一个中间高两边低的脉冲信号，此脉冲信号经放大器放大后通过光电检测器转换为电信号；
S6：多个用户分别采用低通滤波器滤除带宽外的噪声，然后进行误码率估计和采样量化；
S7：恢复原始信号序列。
2.根据权利要求1所述的安全光传输方法，其特征在于，所述OCDMA编/解码器均采用超结构光纤布拉格光栅作为编解码器，即SSFBG编/解码器。
3.根据权利要求1所述的安全光传输方法，其特征在于，所述OCDMA编/解码器均采用Walsh码作为地址码。
4.根据权利要求2所述的安全光传输方法，其特征在于，所述超结构光纤布拉格光栅是存在周期为Λ＝λ/2neff的周期结构，其中λ为波长，neff为光栅有效折射率；所述超结构光纤布拉格光栅只需要求出光栅函数f(x/2neff)的傅里叶变换，即能求得折射率分布函数f(x)的光纤光栅的反射谱F(1/λ)。
5.根据权利要求4所述的安全光传输方法，其特征在于，所述超结构光纤布拉格光栅在弱光栅条件下即峰值反射率<20％，SSFBG的波矢响应F(k)由其空间超结构折射率调制分布函数A(x)的傅里叶变换给出：
Figure FDA0003224808270000011
折射率调制分布函数为：
Figure FDA0003224808270000012
其中，Δn为折射率调制深度，rect(x/L)为切趾函数；L＝N·Lc为光栅长度，N为码片数，Lc为码片长度；Λ为光栅周期，C为所采用的地址码，Pi(c)为与地址码相关的函数。
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