CN202261299U - 一种基于强色散管理的保密光通信系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于强色散管理的保密光通信系统，涉及保密通信技术领域。包括光信号发射、光信号加密、光信号传输、光信号接收、光信号解密部分，在光信号加密部分中设置色散加密模块，在光信号解密部分中设置色散解密模块；色散加密模块一端与光信号发射机连接，另一端与光信号传输部分连接；色散解密模块一端与光信号传输部分连接，另一端与光信号接收机连接；色散加密模块与色散解密模块采用光纤布拉格光栅、光子晶体光纤或色散补偿光纤；光信号解密部分根据密钥提供的信息对传输后的光脉冲进行解密，从而使信号复原；在保密通信中，首次将色散管理技术应用于光通信系统，实现了信息的保密传输。
Description
技术领域
本实用新型涉及保密通信技术领域，尤其是一种基于强色散管理的保密光通信系统。
背景技术
光纤保密传输通信主要有三种：光码分多址(Optical Code Division Multiplexing Access)系统；量子保密通信（Quantum Private Communication），混沌保密通信（Chaotic Secure Communication）。
与上述方法不同，本申请基于强色散管理原理，利用色散加密模块，使承载信息的光脉冲发生极大程度的展宽形变和相互重叠，在进入传输线路传输前达到无法辨识的程度，从而实现在传输过程中的保密传输功能；通过传输光纤的传输后，利用密钥得到加密模块的加密信息对色散解密模块进行精确的色散管理配置，恢复光脉冲的初始波形，从而实现信息在传输线路中的保密通信。强色散管理目前应用于高速准线性系统中提高光通信系统的传输质量，未见用于保密通信中。例如：
参考文献（1） R.-J Essiambre, G. Raybon, and B. Mikkelsen, “Pseudo-Linear transmission of high-speed TDM signals: 40 and 160 Gb/s,” in Optical Fiber Telecommunications IV: B., Systems and Impairments, I. Kaminov, T. Li, Eds. New York: Academic, 2002, ch. 6, pp. 232~304；
参考文献（2）蔡炬，毛宇，吕辉等，“强色散控制准线性传输系统中的非线性效应”, 量子电子学报，2003，no.5，pp74-79。发明人利用色散效应对脉冲的极大程度的展宽，造成多个脉冲之间的重叠，导致传输过程中脉冲无法辨认，从而实现脉冲信号的加密传输。本研究首次将色散管理原理应用于保密通信，实现了信息的保密传输。
文献检索发现，与本实用新型最接近的中国专利申请号ZL201010214407.6的发明专利申请文件，相比之下，该申请是利用SBS效应即布里渊散射效应来进行保密传输的，SBS是一种非线性效应，与本实用新型的原理及其技术方案是完全不同的。
实用新型内容
本实用新型的目的是鉴于强色散管理目前仅应用于提高高速准线性光通信系统的传输质量，并未应用于光通信的保密传输；提供一种基于强色散管理的保密光通信系统，以期进一步提高保密通信的水平。
本新型的目的是这样实现的：一种基于强色散管理的保密光通信系统，包括光信号发射、光信号加密、光信号传输、光信号接收、光信号解密及五个部分构成，在光信号加密部分中增加设置色散加密模块，对发送的光脉冲进行大强度展宽变形；在光信号解密部分中增加设置色散解密模块，根据对传输后的光脉冲进行色散补偿解密，从而使信号复原；所述色散加密模块一端与光信号发射机连接，另一端与光信号传输部分连接；所述色散解密模块一端与光信号传输部分连接，另一端与光信号接收机连接。
所述色散加密模块可采用光纤布拉格光栅、光子晶体光纤、色散系数为正的光纤中的任意一种；色散解密模块可采用光纤布拉格光栅、光子晶体光纤、色散补偿光纤中的任意一种。
所述色散加密模块采用2～8个可调谐色散补偿器级联构成。
所述色散解密模块采用2～8个可调谐色散补偿器级联构成。
所述功率放大器采用的是IPSAD1301半导体光放大器。
所述前置放大器采用的是MAX3495限幅放大器。
所述解密模块是根据密钥提供的加密模块的色散累积值，使进入模块的经历大幅度展宽后的光脉冲恢复原始波形，从而得到解密。
本实用新型的原理是这样的：色散效应使光脉冲发生形变，二阶正色散效应会使光脉冲展宽，高阶色散会使光脉冲畸变。随着色散的不断积累，脉冲会被展宽到多个比特时隙中，光脉冲大范围的展宽、畸变和脉冲之间的相互重叠使脉冲波形在进行色散补偿前不再能被辨识。利用这一原理，在光发射机部分加入色散加密模块，色散加密模块所需累积的色散值以光脉冲在进入传输光纤前被展宽至100个比特时隙以上为准，也可根据需要增加。这时，光信号已经彻底无法进行辨识。然后，再将其送入具有正色散系数的传输光纤进行传输，光信号脉冲在传输过程中将会进一步展宽、畸变，此时即使信号在中途被截取，也无从知道确切的比特信息。在信号到达目的地后，根据密钥所携带的色散加密模块的即时色散值信息。利用色散解密模块进行精确的色散补偿，将光信号在色散加密模块和传输光纤中累积的色散进行完全的补偿，复原初始信号，达到解密目的，实现信息的保密通信。
与现有技术比较，本实用新型具有突出的优点与有益效果：
1、强色散管理目前仅应用于高速准线性系统中提高光通信系统的传输质量，未见用于保密通信中。本发明首次将色散管理原理应用于保密通信，实现了信息的保密传输。
2、在底层对脉冲直接进行处理，利用色散效应造成脉冲大范围的展宽畸变和重叠，随机改变各比特时隙内光波的波形及其峰值功率，使窃听者难以对信号进行复原。
3、波形的支持40Gb/s以上的高速信号，并且速率越高、脉宽越小，效果越好。
4、与现有强度调制高速光纤通信系统完全兼容，可直接应用于现有高速光纤通信系统中。
附图说明
图1是所述保密光通信系统结构框图示意图。
图2是本新型的实施例，单脉冲被展宽到大于100个比特以上示意图。
图3是本新型的实施例，各个阶段脉宽的变化情况示意图。
图4是本新型的实施例，进行精确色散补偿后得到的波形示意图。
图5是本新型的实施例，进行不精确色散补偿时的波形示意图。
图6是本新型所述的保密光通信系统应用实施例示意图。
具体实施方式
参见图1、图2、图3、图4可知，本保密光通信系统由光信号发射、光信号加密、光信号传输、光信号解密及光信号接收五个部分组成。其中光发射机、光信号传输、光接收机这三个部分与通常的光通信系统基本一致，不同点在于，增加了光信号加密部分，加密模块对发送的光脉冲进行大强度展宽畸变；增加了光信号解密部分，解密模块根据密钥信息对传输后的光脉冲进行色散解密，从而使信号复原。色散加密模块一端与光信号发射机连接，另一端与光信号传输部分连接；色散解密模块一端与光信号传输部分连接，另一端与光信号接收机连接。
色散加密模块与色散解密模块可采用光纤布拉格光栅、光子晶体光纤、色散系数为正的光纤中的任意一种；色散加密模块采用2～8个可调色散补偿器级联构成；色散解密模块采用2～8个可调色散补偿器级联构成；功率放大器采用是IPSAD1301半导体光放大器；前置放大器采用的是MAX3495限幅放大器；解密模块是根据密钥提供的加密模块的色散累积值，使进入模块的经历大幅度展宽后的光脉冲恢复原始波形，从而得到解密。
图2显示了在基于强色散管理的保密光通信系统中，单脉冲被展宽到大于100个比特以上的波形。
图3显示了在基于强色散管理的保密光通信系统中，各个阶段脉宽的变化情况。
本实施方式以强度调制直接检测方式、工作波长1550nm、工作速率为40Gbit/s、脉宽为5ps、比特时隙宽度为25ps、占空比为0.2的系统为例。首先是色散加密模块的设计：加密模块的作用是使进入模块的光脉冲受到加密模块中大色散的作用而得到大范围的展宽。理论上，脉冲展宽畸变程度越大，保密性能越好；综合考虑由加密模块带来的插损造成的性能劣化以及成本增加等因素，此处设计为使脉冲展宽到比特时隙宽度的100倍～400倍。根据参考文献1的信息可以得出脉冲宽度和累积色散值的关系为：脉冲宽度≈0.709×累积色散值+0.1。因此，要将脉宽为5ps的脉冲展宽到比特时隙宽度的100～400倍，即2500ps～10000ps，需要引入3526 ps/nm～14104 ps/nm的色散。
能实现此功能的方案有多种，可选用光纤布拉格光栅、光子晶体光纤、色散系数为正的光纤中任意一种。本实施例可由2～8个TeraXion公司的ClearSpectrum–LDC可调色散模块级联而成，实现3526 ps/nm～14104 ps/nm的色散累积值，可保证脉冲展宽100～400倍目标的的实现。为保证传输信息的安全，具体的色散累积值可根据需要随时调节，准确的色散累积值通过密钥传送给解密模块进行解密。
采用2个ClearSpectrum–LDC可调色散模块级联时，可实现3526 ps/nm的色散累积值，可保证脉冲展宽到比特时隙宽度的100倍；采用5个ClearSpectrum–LDC可调色散模块级联时，可实现8815 ps/nm的色散累积值，可保证脉冲展宽到比特时隙宽度的250倍；采用8个ClearSpectrum–LDC可调色散模块级联时，可实现最大14104 ps/nm的色散累积值，可保证脉冲展宽到比特时隙宽度的400倍。
实施例一：设速率为40Gbit/s的光通信系统，其比特时隙宽度为25ps，脉冲宽度为5ps，激光器-20dB谱线宽度为1nm。色散加密模块采用康宁公司的G.652标准单模光纤来实现，这种光纤在1550nm处的色散系数为16.9ps/nm.km，衰减系数为0.23 dB/km。我们将脉冲在进入传输线路之前受到的累积色散定为1000 ps/nm。在这种情况下，入射到传输光纤中的光脉冲已经展宽到初始脉宽的200倍，从而能确保达到保密传输的目的。脉冲宽度和累积色散值的关系为：脉冲宽度≈0.709×累积色散值+0.1。因此，要将脉宽为5ps的脉冲展宽到比特时隙宽度的100倍，即2500ps，需要引入不小于3530 ps/nm的色散。
实施例二：本发明所述色散加密模块由5个TeraXion公司的Clear Spectrum–LDC可调谐模块级联而成，即基于光纤布拉格光栅技术研制的ClearSpectrum可调色散补偿器。实现8815 ps/nm的色散累积值，可保证脉冲展宽250倍目标的的实现。引入的插损由传输线路上的功率放大器补偿。所述的功率放大器采用是InPhenix公司的1310nm半导体光放大器 IPSAD1301。光放大器的作用是对信号进行放大，从而补偿由于加密模块、光纤、解密模块等造成的损耗。此处设计功率放大器一个，线路放大器两个，前置放大器一个。
实施例三：本发明所述色散加密模块由8个TeraXion公司的Clear Spectrum–LDC可调谐模块级联而成，即基于光纤布拉格光栅技术研制的ClearSpectrum可调色散补偿器。实现14104 ps/nm的色散累积值，可保证脉冲展宽400倍目标的的实现。引入的插损由传输线路上的功率放大器补偿。所述的功率放大器采用是InPhenix公司的1310nm半导体光放大器 IPSAD1301。光放大器的作用是对信号进行放大，从而补偿由于加密模块、光纤、解密模块等造成的损耗。此处设计功率放大器一个，线路放大器两个，前置放大器一个。
解密模块的作用是根据密钥提供的加密模块的色散累积值信息，使进入模块的经历大幅度展宽后的光脉冲恢复原始波形，从而得到解密。由前可知，由加密模块和传输光纤导致的色散累积值为3561（3526+35）ps/nm ～14139 (14104+35)ps/nm，可由2～8个TeraXion公司的ClearSpectrum–LDC可调色散模块级联而成。
采用2个ClearSpectrum–LDC可调色散模块级联时，可实现-3561 ps/nm的色散累积值，可保证脉冲得到精确的色散补偿，从而恢复原始形状；采用5个ClearSpectrum–LDC可调色散模块级联时，可实现-8850 ps/nm的色散累积值，可保证脉冲得到精确的色散补偿，从而恢复原始形状；；采用8个ClearSpectrum–LDC可调色散模块级联时，可实现-14139 ps/nm的色散累积值，可保证脉冲得到精确的色散补偿，从而恢复原始形状。
光纤采用标准单模光纤(G.652)，其在1310 nm处的色散系数为3.5 ps/nm.km，衰减系数为0.4dB/km，光传输长度设为10 km，则引入的累积色散值为35 ps/nm，衰减为4dB。可采用康宁公司的SMF-28e+光纤。
光信号传输部分的标准单模光纤的长度为300 km。因此，传输部分累积的色散为5070 ps/nm，总的累积色散为6070 ps/nm。色散补偿光纤的色散系数为-100ps/nm.km，衰减系数为0.5dB/km。通过计算可得，需要的色散补偿光纤的长度应为6.07km。光脉冲在经过此段色散补偿光纤后，会有3.035dB的衰减，因此，需要在色散补偿光纤后加一个3.035dB的放大器。
光放大器的作用是对信号进行放大，从而补偿由于加密模块、光纤、解密模块等造成的损耗。放大器可采用InPhenix公司的1310nm半导体光放大器 IPSAD1301。
所述的前置放大器采用的是MAX3495限幅放大器。光发射机由激光器驱动芯片、激光器组件组成。可选用WTD公司的300pin transponder RTXM298-304。
所述光接收机由光接收组件、限幅放大器芯片等组成。可选用WTD公司的300pin transponder RTXM298-304。
参见图4、图5、图6可以看出有益技术效果。图4显示根据密钥信息，进行精确色散补偿，色散补偿值为-1835ps/nm后得到的波形，显示很好地恢复了初始波形，虽有一定的定时抖动和幅度抖动，但不影响正常的判决。图5显示未得到密钥信息，进行不精确色散补偿，即色散补偿值为-1800ps/nm时的波形，显示仍然类似噪声，无法进行判决。
参见图6是本实用新型所述的保密光通信系统应用的实施例。图中，1为光信号发射机及色散加密模块，其中色散加密模块采用5个Clear Spectrum–LDC可调谐色散补偿器级联构成；1.1为功率放大器，功率放大器采用是IPSAD1301半导体光放大器；2为光信号接收机及色散解密模块，色散解密模块采用5个Clear Spectrum–LDC可调谐色散补偿器级联构成；2.1为前置放大器，前置放大器采用的是MAX3495限幅放大器；3为光信号传输光纤，3.1、3.2均为线路放大器。
Claims (5)
1.一种基于强色散管理的保密光通信系统，包括光信号发射、光信号加密、光信号传输、光信号解密、光信号接收五个部分构成，其特征在于，在光信号加密部分中增加设置色散加密模块，对发送的光脉冲进行大强度展宽变形；在光信号解密部分中增加设置色散解密模块，根据密钥对传输后的光脉冲进行色散补偿解密，从而使信号复原；所述色散加密模块一端与光信号发射机连接，另一端与光信号传输部分连接；所述色散解密模块一端与光信号传输部分连接，另一端与光信号接收机连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于强色散管理的保密光通信系统，其特征在于，所述色散加密模块可采用光纤布拉格光栅、光子晶体光纤、色散系数为正的光纤中的任意一种；色散解密模块可采用光纤布拉格光栅、光子晶体光纤、色散补偿光纤中的任意一种。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于强色散管理的保密光通信系统，其特征在于，所述色散加密模块采用2～8个可调谐色散补偿器级联构成。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于强色散管理的保密光通信系统，其特征在于，所述色散解密模块采用2～8个可调谐色散补偿器级联构成。
5.根据权利要求1所述的一种基于强色散管理的保密光通信系统，其特征在于，所述放大器采用是IPSAD1301半导体光放大器。
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