CN113824499B - 基于双驱mzm的架空opgw光传输方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双驱MZM的架空OPGW光传输方法及系统，属于光通信技术领域，用于利用双驱马赫曾德尔调制器实现信号加密，包括：将明文和密钥分别输入至所述双驱马赫曾德尔调制器的上下两臂的相位调制器；按照用于实现异或门的配置调整加载在所述双驱马赫曾德尔调制器上的射频驱动电压和直流偏置电压，实现光域的异或加密，得到密文。本发明可简单、高速路、低时延的对信号加密。

Description

基于双驱MZM的架空OPGW光传输方法及系统
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种基于双驱马赫曾德尔调制器的光纤复合架空地线(Optical Fibre Composite Overhead Ground Wire，OPGW)光传输方法及系统。
背景技术
随着现代科技的发展和数据沟通的全球化，人们对通信的需求越来越高，光通信网络由于其通信容量大、传输距离长、传输速度快的优点，成为了信息传输的主流，在电力行业等各行各业中都被广泛应用。因此，信息在光通信网络中的安全性，代表着电力系统传输的可靠性。而随着电力传输技术的不断发展，电力系统对光通信的要求也越来越高。在超长距传输时，为了减少中继站的数量，主要使用新型的OPGW架空光缆作为传输链路。这种光纤是架空的，更容易受到风力、覆冰等外力的影响，一旦遭到外界的恶意攻击，信号也更容易受到损伤。因此，在超长距电力传输系统中对架空信息进行加密非常重要。
传统的加密算法主要在网络层对数据进行加密，具有高复杂度、高运算量的特征，然而随着计算机技术的不断开发和运算能力的不断提高，这种加密技术很容易遭到暴力破解，信息无法安全传输。要想从根本上解决这一问题，就需要从物理层的加密入手。相比于高层的加密方式，物理层加密技术直接作用于通信系统的传输链路，对链路的传输信号进行加密，可以有效提升通信系统的安全性能，更加有效的保障信息在传输过程的各个环节的安全性；且加密过程和解密过程都在光域进行实现，具有结构简单、高速率、低时延等特点。因此物理层加密技术成为加密技术研究的热点。该专利基于光物理层加密技术，提出了一种基于双驱马赫曾德尔调制器的物理层加密方法及装置。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种简单、高速路、低时延的信号加密方案。
为实现以上目的，一方面，采用一种基于双驱MZM的架空OPGW光传输方法，用于利用双驱马赫曾德尔调制器实现信号加密，包括：
将明文和密钥分别输入至所述双驱马赫曾德尔调制器的上下两臂的相位调制器；
按照用于实现异或门的配置调整加载在所述双驱马赫曾德尔调制器上的射频驱动电压和直流偏置电压，实现光域的异或加密，得到密文。
进一步地，所述用于实现异或门的配置为：
Figure BDA0003218457970000021
Figure BDA0003218457970000022
其中，
Figure BDA0003218457970000023
和
Figure BDA0003218457970000024
分别是由所述双驱马赫曾德尔调制器的上下两路输入的射频驱动电压所造成的相位偏移，
Figure BDA0003218457970000025
和
Figure BDA0003218457970000026
分别是由所述双驱马赫曾德尔调制器的上下两路偏置电压造成的相位偏移。
另一方面，采用一种基于双驱MZM的架空OPGW光传输系统，包括光源、双驱马赫曾德尔调制器、脉冲信号发生器、直流电源和控制器，双驱马赫曾德尔调制器布置在光源发射的光波路径上，脉冲信号发生器产生两路二进制数据分别加载在双驱马赫曾德尔调制器的上下两条波导相移臂，直流电源加载在双驱马赫曾德尔调制器上，控制器分别与脉冲信号发生器和直流电源连接，按照用于实现异或门的配置调整加载在所述双驱马赫曾德尔调制器上的射频驱动电压和直流偏置电压，对输入至所述双驱马赫曾德尔调制器的上下两条波导相移臂的明文和密钥实现光域的异或加密。
进一步地，所述用于实现异或门的配置为：
Figure BDA0003218457970000031
Figure BDA0003218457970000032
其中，
Figure BDA0003218457970000033
和
Figure BDA0003218457970000034
分别是由所述双驱马赫曾德尔调制器的上下两路输入的射频驱动电压所造成的相位偏移，
Figure BDA0003218457970000035
和
Figure BDA0003218457970000036
分别是由所述双驱马赫曾德尔调制器的上下两路偏置电压造成的相位偏移。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：本发明基于双驱马赫曾德尔调制器(Dual-Drive Mach-Zehnder Modulator,DD-MZM)实现异或门，采用异或加密的思想，对输入的明文和密钥实现光域异或后输出密文。
附图说明
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：
图1是一种基于双驱MZM的架空OPGW光传输方法的流程图；
图2是基于DD-MZM的异或逻辑门实现方案原理框图；
图3是实现光异或门的一种配置对应星座图；
图4是基于双驱MZM的物理层加密装置结构图；
图5是传输性能曲线示意图。
具体实施方式
为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。
如图1所示，本实施例公开了一种基于双驱MZM的架空OPGW光传输方法，用于利用双驱马赫曾德尔调制器实现信号加密，包括如下步骤S1至S2：
S1、将明文和密钥分别输入至所述双驱马赫曾德尔调制器的上下两臂的相位调制器；
S2、按照用于实现异或门的配置调整加载在所述双驱马赫曾德尔调制器上的射频驱动电压和直流偏置电压，实现光域的异或加密，得到密文。
需要说明的是，对于两输入一输出异或逻辑门，输入状态有四种，输出状态两种。其中(0，0)，(1，1)对应于输出状态0；(0，1)，(1，0)对应于输出状态1。本实施例采用一个DD-MZM应用干涉原理在光域实现异或逻辑门。DD-MZM由两个平行相位调制器组成，由单独的直流偏置和加载在电极上的射频信号驱动。这种DD-MZM的配置是基于电光效应通过两对直流偏置电压和射频信号电压分别控制上下两臂的光学相位。上、下相位调制器的输出可表示为：
Figure BDA0003218457970000041
Figure BDA0003218457970000042
其中，Ein(t)是连续波激光器发射光的输入电场，VRF1(t)和VRF2(t)表示两路输入信号，Vbias1和Vbias2表示两路偏置电压。从上式可以看出，通过改变偏置电压和射频信号电压值就可以改变输入光的相位。
作为进一步优选的技术方案，所述用于实现异或门的配置为：
Figure BDA0003218457970000051
Figure BDA0003218457970000052
其中，
Figure BDA0003218457970000053
和
Figure BDA0003218457970000054
分别是由所述双驱马赫曾德尔调制器的上下两路输入的射频驱动电压所造成的相位偏移，
Figure BDA0003218457970000055
和
Figure BDA0003218457970000056
分别是由所述双驱马赫曾德尔调制器的上下两路偏置电压造成的相位偏移。
如图2所示，本实施例公开了一种基于双驱MZM的架空OPGW光传输系统，包括光源、双驱马赫曾德尔调制器、脉冲信号发生器、直流电源和控制器，双驱马赫曾德尔调制器布置在光源发射的光波路径上，脉冲信号发生器产生两路二进制数据分别加载在双驱马赫曾德尔调制器的上下两条波导相移臂，直流电源加载在双驱马赫曾德尔调制器上，控制器分别与脉冲信号发生器和直流电源连接，按照用于实现异或门的配置调整加载在所述双驱马赫曾德尔调制器上的射频驱动电压和直流偏置电压，对输入至所述双驱马赫曾德尔调制器的上下两条波导相移臂的明文和密钥实现光域的异或加密。
假设在DD-MZM的两臂上生成的相位满足以下关系：
Figure BDA0003218457970000057
Figure BDA0003218457970000061
其中，
Figure BDA0003218457970000062
和
Figure BDA0003218457970000063
分别是由上下两路输入的信号电压所造成的相位偏移，
Figure BDA0003218457970000064
和
Figure BDA0003218457970000065
分别是由两路偏置电压造成的相位偏移。结合图2，可以画出相对应的星座图，如图3所示。
图3中，(a-c)表示上分支的直流偏置、二进制信号和组合信号的相量图，(d-f)表示下分支的直流偏置、二进制信号和组合信号的相量图，(g)表示调制器输出端口处的星座图。从(g)中可以看出，当输入为(0，1)，(1，0)时，它们分布在同一个半径比较大的圆上，说明它们有相同的强度；当输入为(0，0)，(1，1)时，它们分布在同一个半径小的圆上，光强度大小关系满足异或运算法则。(0，1)，(1，0)对应输出光信号的光强较大，则逻辑运算结果为1；(0，0)，(1，1)对应输出光信号的光强较小，则逻辑运算结果为0，进而实现了光的逻辑异或运算。
通过运用该方案即可实现光域的异或加密，将明文和密钥分别输入DD-MZM的上下两路，即可在光域完成异或加密，输出密文。
如图4所示，本实施例设计基于双驱MZM的物理层加密传输实验装置验证方案有效性，采用了可调谐外腔激光器(external cavity laser，ECL)作为光源，外腔激光器的线宽小于100kHz,激光器的功率设置为9dBm,采用带宽为25GHz的DD-MZM作为异或逻辑门实现设备，DD-MZM通过波形发生器产生的两路速率为32Gbit/s的二进制数字信号进行驱动，经过调制器出来的光信号即为加密以后的光信号，然后将加密信号通过色散平坦光纤进行传输，最后利用宽带示波器(OSC)对经过光纤传输的加密信号进行接收。
测量了在相同条件下，经过不同传输距离原始信号和加密信号的消光比，如图5所示。OOK表示原始二进制信号，XOR表示经过加密后的信号，从图5中可以看出，在0-50km传输距离内，加密后的信号有较大的消光比，并且大于原始信号的消光比。
需要说明的是，本方案是基于双驱MZM的光逻辑门的基础上，提出基于双驱MZM的物理层加密传输方案，结构简单。利用光逻辑门的异或运算提出基于调制器的物理层加密系统发射机和接收机的方案，结合基于双驱MZM调制器的逻辑门原理设计保密通信系统，并且通过一步步优化方案，最终设计出结构简单、调节方便的保密通信系统，进一步丰富了光逻辑门的应用场景。
同时，该方案能够一次实现加密和调制两个功能。明文与密钥都是以电信号的形式输入，通过对两路信号实现光域上的异或逻辑，完成加密，以光信号的形式输出密文，从而实现调制与加密一体化。实现电网络与光网络的有效连接，避免不必要的光-电-光转换。这种电入光出的方案结构简单，打破了传统的“电子瓶颈”限制。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (2)

1.一种基于双驱MZM的架空OPGW光传输方法，其特征在于，用于利用双驱马赫曾德尔调制器实现信号加密，包括：
将明文和密钥分别输入至所述双驱马赫曾德尔调制器的上下两臂的相位调制器；
按照用于实现异或门的配置调整加载在所述双驱马赫曾德尔调制器上的射频驱动电压和直流偏置电压，实现光域的异或加密，得到密文；
所述用于实现异或门的配置为：
Figure FDA0003884149500000011
Figure FDA0003884149500000012
其中，
Figure FDA0003884149500000013
和
Figure FDA0003884149500000014
分别是由所述双驱马赫曾德尔调制器的上下两路输入的射频驱动电压所造成的相位偏移，
Figure FDA0003884149500000015
和
Figure FDA0003884149500000016
分别是由所述双驱马赫曾德尔调制器的上下两路偏置电压造成的相位偏移。
2.一种基于双驱MZM的架空OPGW光传输系统，其特征在于，包括光源、双驱马赫曾德尔调制器、脉冲信号发生器、直流电源和控制器，双驱马赫曾德尔调制器布置在光源发射的光波路径上，脉冲信号发生器产生两路二进制数据分别加载在双驱马赫曾德尔调制器的上下两条波导相移臂，直流电源加载在双驱马赫曾德尔调制器上，控制器分别与脉冲信号发生器和直流电源连接，按照用于实现异或门的配置调整加载在所述双驱马赫曾德尔调制器上的射频驱动电压和直流偏置电压，对输入至所述双驱马赫曾德尔调制器的上下两条波导相移臂的明文和密钥实现光域的异或加密；
所述用于实现异或门的配置为：
Figure FDA0003884149500000021
Figure FDA0003884149500000022
其中，
Figure FDA0003884149500000023
和
Figure FDA0003884149500000024
分别是由所述双驱马赫曾德尔调制器的上下两路输入的射频驱动电压所造成的相位偏移，
Figure FDA0003884149500000025
和
Figure FDA0003884149500000026
分别是由所述双驱马赫曾德尔调制器的上下两路偏置电压造成的相位偏移。
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