專利名稱：一種基于強(qiáng)色散管理的保密光通信系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及保密通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于強(qiáng)色散管理的保密光通信系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光纖保密傳輸通信主要有三種光碼分多址(Optical Code Division Multiplexing Access)系統(tǒng)；量子 1 密ilf言(Quantum Private Communication), ^^￠1 ; Mflf(Chaotic Secure Communication)。與上述方法不同，本申請基于強(qiáng)色散管理原理，利用色散加密模塊，使承載信息的光脈沖發(fā)生極大程度的展寬形變和相互重疊，在進(jìn)入傳輸線路傳輸前達(dá)到無法辨識(shí)的程度，從而實(shí)現(xiàn)在傳輸過程中的保密傳輸功能；通過傳輸光纖的傳輸后，利用密鑰得到加密模塊的加密信息對色散解密模塊進(jìn)行精確的色散管理配置，恢復(fù)光脈沖的初始波形，從而實(shí)現(xiàn)信息在傳輸線路中的保密通信。強(qiáng)色散管理目前應(yīng)用于高速準(zhǔn)線性系統(tǒng)中提高光通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，未見用于保密通信中。例如參考文 K(I) 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 ；參考文獻(xiàn)(2)蔡炬，毛宇，呂輝等，“強(qiáng)色散控制準(zhǔn)線性傳輸系統(tǒng)中的非線性效應(yīng)”， 量子電子學(xué)報(bào)，2003，no. 5，pp74_79。發(fā)明人利用色散效應(yīng)對脈沖的極大程度的展寬，造成多個(gè)脈沖之間的重疊，導(dǎo)致傳輸過程中脈沖無法辨認(rèn)，從而實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的加密傳輸。本研究首次將色散管理原理應(yīng)用于保密通信，實(shí)現(xiàn)了信息的保密傳輸。文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，與本實(shí)用新型最接近的中國專利申請?zhí)朲L201010214407. 6的發(fā)明專利申請文件，相比之下，該申請是利用SBS效應(yīng)即布里淵散射效應(yīng)來進(jìn)行保密傳輸?shù)模?SBS是一種非線性效應(yīng)，與本實(shí)用新型的原理及其技術(shù)方案是完全不同的。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是鑒于強(qiáng)色散管理目前僅應(yīng)用于提高高速準(zhǔn)線性光通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，并未應(yīng)用于光通信的保密傳輸；提供一種基于強(qiáng)色散管理的保密光通信系統(tǒng)， 以期進(jìn)一步提高保密通信的水平。本新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種基于強(qiáng)色散管理的保密光通信系統(tǒng)，包括光信號(hào)發(fā)射、光信號(hào)加密、光信號(hào)傳輸、光信號(hào)接收、光信號(hào)解密及五個(gè)部分構(gòu)成，在光信號(hào)加密部分中增加設(shè)置色散加密模塊，對發(fā)送的光脈沖進(jìn)行大強(qiáng)度展寬變形；在光信號(hào)解密部分中增加設(shè)置色散解密模塊，根據(jù)對傳輸后的光脈沖進(jìn)行色散補(bǔ)償解密，從而使信號(hào)復(fù)原；所述色散加密模塊一端與光信號(hào)發(fā)射機(jī)連接，另一端與光信號(hào)傳輸部分連接；所述色散解密模塊一端與光信號(hào)傳輸部分連接，另一端與光信號(hào)接收機(jī)連接。
3[0009]所述色散加密模塊可采用光纖布拉格光柵、光子晶體光纖、色散系數(shù)為正的光纖中的任意一種；色散解密模塊可采用光纖布拉格光柵、光子晶體光纖、色散補(bǔ)償光纖中的任
意一種。所述色散加密模塊采用2 8個(gè)可調(diào)諧色散補(bǔ)償器級聯(lián)構(gòu)成。所述色散解密模塊采用2 8個(gè)可調(diào)諧色散補(bǔ)償器級聯(lián)構(gòu)成。所述功率放大器采用的是IPSAD1301半導(dǎo)體光放大器。所述前置放大器采用的是MAX3495限幅放大器。所述解密模塊是根據(jù)密鑰提供的加密模塊的色散累積值，使進(jìn)入模塊的經(jīng)歷大幅度展寬后的光脈沖恢復(fù)原始波形，從而得到解密。本實(shí)用新型的原理是這樣的色散效應(yīng)使光脈沖發(fā)生形變，二階正色散效應(yīng)會(huì)使光脈沖展寬，高階色散會(huì)使光脈沖畸變。隨著色散的不斷積累，脈沖會(huì)被展寬到多個(gè)比特時(shí)隙中，光脈沖大范圍的展寬、畸變和脈沖之間的相互重疊使脈沖波形在進(jìn)行色散補(bǔ)償前不再能被辨識(shí)。利用這一原理，在光發(fā)射機(jī)部分加入色散加密模塊，色散加密模塊所需累積的色散值以光脈沖在進(jìn)入傳輸光纖前被展寬至100個(gè)比特時(shí)隙以上為準(zhǔn)，也可根據(jù)需要增力口。這時(shí)，光信號(hào)已經(jīng)徹底無法進(jìn)行辨識(shí)。然后，再將其送入具有正色散系數(shù)的傳輸光纖進(jìn)行傳輸，光信號(hào)脈沖在傳輸過程中將會(huì)進(jìn)一步展寬、畸變，此時(shí)即使信號(hào)在中途被截取，也無從知道確切的比特信息。在信號(hào)到達(dá)目的地后，根據(jù)密鑰所攜帶的色散加密模塊的即時(shí)色散值信息。利用色散解密模塊進(jìn)行精確的色散補(bǔ)償，將光信號(hào)在色散加密模塊和傳輸光纖中累積的色散進(jìn)行完全的補(bǔ)償，復(fù)原初始信號(hào)，達(dá)到解密目的，實(shí)現(xiàn)信息的保密通信。與現(xiàn)有技術(shù)比較，本實(shí)用新型具有突出的優(yōu)點(diǎn)與有益效果1、強(qiáng)色散管理目前僅應(yīng)用于高速準(zhǔn)線性系統(tǒng)中提高光通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，未見用于保密通信中。本發(fā)明首次將色散管理原理應(yīng)用于保密通信，實(shí)現(xiàn)了信息的保密傳輸。2、在底層對脈沖直接進(jìn)行處理，利用色散效應(yīng)造成脈沖大范圍的展寬畸變和重疊，隨機(jī)改變各比特時(shí)隙內(nèi)光波的波形及其峰值功率，使竊聽者難以對信號(hào)進(jìn)行復(fù)原。3、波形的支持40(ib/S以上的高速信號(hào)，并且速率越高、脈寬越小，效果越好。4、與現(xiàn)有強(qiáng)度調(diào)制高速光纖通信系統(tǒng)完全兼容，可直接應(yīng)用于現(xiàn)有高速光纖通信系統(tǒng)中。

圖1是所述保密光通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖示意圖。圖2是本新型的實(shí)施例，單脈沖被展寬到大于100個(gè)比特以上示意圖。圖3是本新型的實(shí)施例，各個(gè)階段脈寬的變化情況示意圖。圖4是本新型的實(shí)施例，進(jìn)行精確色散補(bǔ)償后得到的波形示意圖。圖5是本新型的實(shí)施例，進(jìn)行不精確色散補(bǔ)償時(shí)的波形示意圖。圖6是本新型所述的保密光通信系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)施例示意圖。
具體實(shí)施方式
參見圖1、圖2、圖3、圖4可知，本保密光通信系統(tǒng)由光信號(hào)發(fā)射、光信號(hào)加密、光信號(hào)傳輸、光信號(hào)解密及光信號(hào)接收五個(gè)部分組成。其中光發(fā)射機(jī)、光信號(hào)傳輸、光接收機(jī)這三個(gè)部分與通常的光通信系統(tǒng)基本一致，不同點(diǎn)在于，增加了光信號(hào)加密部分，加密模塊對發(fā)送的光脈沖進(jìn)行大強(qiáng)度展寬畸變；增加了光信號(hào)解密部分，解密模塊根據(jù)密鑰信息對傳輸后的光脈沖進(jìn)行色散解密，從而使信號(hào)復(fù)原。色散加密模塊一端與光信號(hào)發(fā)射機(jī)連接，另一端與光信號(hào)傳輸部分連接；色散解密模塊一端與光信號(hào)傳輸部分連接，另一端與光信號(hào)接收機(jī)連接。色散加密模塊與色散解密模塊可采用光纖布拉格光柵、光子晶體光纖、色散系數(shù)為正的光纖中的任意一種；色散加密模塊采用2 8個(gè)可調(diào)色散補(bǔ)償器級聯(lián)構(gòu)成；色散解密模塊采用2 8個(gè)可調(diào)色散補(bǔ)償器級聯(lián)構(gòu)成；功率放大器采用是IPSAD1301半導(dǎo)體光放大器；前置放大器采用的是MAX3495限幅放大器；解密模塊是根據(jù)密鑰提供的加密模塊的色散累積值，使進(jìn)入模塊的經(jīng)歷大幅度展寬后的光脈沖恢復(fù)原始波形，從而得到解密。圖2顯示了在基于強(qiáng)色散管理的保密光通信系統(tǒng)中，單脈沖被展寬到大于100個(gè)比特以上的波形。圖3顯示了在基于強(qiáng)色散管理的保密光通信系統(tǒng)中，各個(gè)階段脈寬的變化情況。本實(shí)施方式以強(qiáng)度調(diào)制直接檢測方式、工作波長1550nm、工作速率為40(ibit/S、 脈寬為5ps、比特時(shí)隙寬度為25ps、占空比為0. 2的系統(tǒng)為例。首先是色散加密模塊的設(shè)計(jì) 加密模塊的作用是使進(jìn)入模塊的光脈沖受到加密模塊中大色散的作用而得到大范圍的展寬。理論上，脈沖展寬畸變程度越大，保密性能越好；綜合考慮由加密模塊帶來的插損造成的性能劣化以及成本增加等因素，此處設(shè)計(jì)為使脈沖展寬到比特時(shí)隙寬度的100倍 400 倍。根據(jù)參考文獻(xiàn)1的信息可以得出脈沖寬度和累積色散值的關(guān)系為脈沖寬度 0. 709X 累積色散值+0. 1。因此，要將脈寬為5ps的脈沖展寬到比特時(shí)隙寬度的100 400倍，即 2500ps lOOOOps,需要引入 3526 ps/nm 14104 ps/nm 的色散。能實(shí)現(xiàn)此功能的方案有多種，可選用光纖布拉格光柵、光子晶體光纖、色散系數(shù)為正的光纖中任意一種。本實(shí)施例可由2 8個(gè)iTeraXion公司的ClearSpectrum - LDC可調(diào)色散模塊級聯(lián)而成，實(shí)現(xiàn)35 ps/nm 14104 ps/nm的色散累積值，可保證脈沖展寬100 400倍目標(biāo)的的實(shí)現(xiàn)。為保證傳輸信息的安全，具體的色散累積值可根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)節(jié)，準(zhǔn)確的色散累積值通過密鑰傳送給解密模塊進(jìn)行解密。采用2個(gè)ClearSpectrum - LDC可調(diào)色散模塊級聯(lián)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)3526 ps/nm的色散累積值，可保證脈沖展寬到比特時(shí)隙寬度的100倍；采用5個(gè)ClearSpectrum - LDC可調(diào)色散模塊級聯(lián)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)8815 ps/nm的色散累積值，可保證脈沖展寬到比特時(shí)隙寬度的250 倍；采用8個(gè)ClearSpectrum - LDC可調(diào)色散模塊級聯(lián)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最大14104 ps/nm的色散累積值，可保證脈沖展寬到比特時(shí)隙寬度的400倍。實(shí)施例一設(shè)速率為40(ibit/S的光通信系統(tǒng)，其比特時(shí)隙寬度為25ps，脈沖寬度為5ps，激光器-20dB譜線寬度為lnm。色散加密模塊采用康寧公司的G. 652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖來實(shí)現(xiàn)，這種光纖在1550nm處的色散系數(shù)為16. 9ps/nm. km，衰減系數(shù)為0. 23 dB/km。我們將脈沖在進(jìn)入傳輸線路之前受到的累積色散定為1000 ps/nm。在這種情況下，入射到傳輸光纖中的光脈沖已經(jīng)展寬到初始脈寬的200倍，從而能確保達(dá)到保密傳輸?shù)哪康摹Ｃ}沖寬度和累積色散值的關(guān)系為脈沖寬度 0. 709X累積色散值+0. 1。因此，要將脈寬為5ps的脈沖展寬到比特時(shí)隙寬度的100倍，即2500ps，需要引入不小于3530 ps/nm的色散。實(shí)施例二 本發(fā)明所述色散加密模塊由5個(gè)TeraXion公司的Clear Spectrum -
5LDC可調(diào)諧模塊級聯(lián)而成，即基于光纖布拉格光柵技術(shù)研制的ClearSpectrum可調(diào)色散補(bǔ)償器。實(shí)現(xiàn)8815 ps/nm的色散累積值，可保證脈沖展寬250倍目標(biāo)的的實(shí)現(xiàn)。引入的插損由傳輸線路上的功率放大器補(bǔ)償。所述的功率放大器采用是MWienix公司的1310nm半導(dǎo)體光放大器IPSAD1301。光放大器的作用是對信號(hào)進(jìn)行放大，從而補(bǔ)償由于加密模塊、光纖、解密模塊等造成的損耗。此處設(shè)計(jì)功率放大器一個(gè)，線路放大器兩個(gè)，前置放大器一個(gè)。實(shí)施例三本發(fā)明所述色散加密模塊由8個(gè)TeraXion公司的Clear Spectrum -LDC可調(diào)諧模塊級聯(lián)而成，即基于光纖布拉格光柵技術(shù)研制的ClearSpectrum可調(diào)色散補(bǔ)償器。實(shí)現(xiàn)14104 ps/nm的色散累積值，可保證脈沖展寬400倍目標(biāo)的的實(shí)現(xiàn)。引入的插損由傳輸線路上的功率放大器補(bǔ)償。所述的功率放大器采用是MWienix公司的1310nm半導(dǎo)體光放大器IPSAD1301。光放大器的作用是對信號(hào)進(jìn)行放大，從而補(bǔ)償由于加密模塊、光纖、解密模塊等造成的損耗。此處設(shè)計(jì)功率放大器一個(gè)，線路放大器兩個(gè)，前置放大器一個(gè)。解密模塊的作用是根據(jù)密鑰提供的加密模塊的色散累積值信息，使進(jìn)入模塊的經(jīng)歷大幅度展寬后的光脈沖恢復(fù)原始波形，從而得到解密。由前可知，由加密模塊和傳輸光纖導(dǎo)致的色散累積值為；3561 (3526+35) ps/nm 14139 (14104+ ) ps/nm，可由2 8個(gè) TeraXion公司的ClearSpectrum - LDC可調(diào)色散模塊級聯(lián)而成。采用2個(gè)ClearSpectrum - LDC可調(diào)色散模塊級聯(lián)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)-3561 ps/nm的色散累積值，可保證脈沖得到精確的色散補(bǔ)償，從而恢復(fù)原始形狀；采用5個(gè)ClearSpectrum -LDC可調(diào)色散模塊級聯(lián)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)-8850 ps/nm的色散累積值，可保證脈沖得到精確的色散補(bǔ)償，從而恢復(fù)原始形狀；；采用8個(gè)ClearSpectrum - LDC可調(diào)色散模塊級聯(lián)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)-14139 ps/nm的色散累積值，可保證脈沖得到精確的色散補(bǔ)償，從而恢復(fù)原始形狀。光纖采用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(G. 652)，其在1310 nm處的色散系數(shù)為3. 5 ps/nm. km，衰減系數(shù)為0.4dB/km，光傳輸長度設(shè)為10 km，則引入的累積色散值為35 ps/nm，衰減為4dB。 可采用康寧公司的SMF18e+光纖。光信號(hào)傳輸部分的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的長度為300 km。因此，傳輸部分累積的色散為 5070 ps/nm，總的累積色散為6070 ps/nm。色散補(bǔ)償光纖的色散系數(shù)為-lOOps/nm. km，衰減系數(shù)為0. 5dB/km。通過計(jì)算可得，需要的色散補(bǔ)償光纖的長度應(yīng)為6. 07km。光脈沖在經(jīng)過此段色散補(bǔ)償光纖后，會(huì)有3. 035dB的衰減，因此，需要在色散補(bǔ)償光纖后加一個(gè)3. 035dB 的放大器。光放大器的作用是對信號(hào)進(jìn)行放大，從而補(bǔ)償由于加密模塊、光纖、解密模塊等造成的損耗。放大器可采用hWienix公司的1310nm半導(dǎo)體光放大器IPSAD1301。所述的前置放大器采用的是MAX3495限幅放大器。光發(fā)射機(jī)由激光器驅(qū)動(dòng)芯片、 激光器組件組成?？蛇x用WTD公司的300pin transponder RTXM298-304。所述光接收機(jī)由光接收組件、限幅放大器芯片等組成?？蛇x用WTD公司的300pin transponder RTXM298-304。參見圖4、圖5、圖6可以看出有益技術(shù)效果。圖4顯示根據(jù)密鑰信息，進(jìn)行精確色散補(bǔ)償，色散補(bǔ)償值為-1835pS/nm后得到的波形，顯示很好地恢復(fù)了初始波形，雖有一定的定時(shí)抖動(dòng)和幅度抖動(dòng)，但不影響正常的判決。圖5顯示未得到密鑰信息，進(jìn)行不精確色散補(bǔ)償，即色散補(bǔ)償值為-ISOOps/nm時(shí)的波形，顯示仍然類似噪聲，無法進(jìn)行判決。參見圖6是本實(shí)用新型所述的保密光通信系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)施例。圖中，1為光信號(hào)發(fā)射機(jī)及色散加密模塊，其中色散加密模塊采用5個(gè)Clear Spectrum - LDC可調(diào)諧色散補(bǔ)償器級聯(lián)構(gòu)成；1. 1為功率放大器，功率放大器采用是IPSAD1301半導(dǎo)體光放大器；2為光信號(hào)接收機(jī)及色散解密模塊，色散解密模塊采用5個(gè)Clear Spectrum - LDC可調(diào)諧色散補(bǔ)償器級聯(lián)構(gòu)成；2. 1為前置放大器，前置放大器采用的是MAX3495限幅放大器；3為光信號(hào)傳輸光纖，3. 1、3. 2均為線路放大器。
權(quán)利要求1.一種基于強(qiáng)色散管理的保密光通信系統(tǒng)，包括光信號(hào)發(fā)射、光信號(hào)加密、光信號(hào)傳輸、光信號(hào)解密、光信號(hào)接收五個(gè)部分構(gòu)成，其特征在于，在光信號(hào)加密部分中增加設(shè)置色散加密模塊，對發(fā)送的光脈沖進(jìn)行大強(qiáng)度展寬變形；在光信號(hào)解密部分中增加設(shè)置色散解密模塊，根據(jù)密鑰對傳輸后的光脈沖進(jìn)行色散補(bǔ)償解密，從而使信號(hào)復(fù)原；所述色散加密模塊一端與光信號(hào)發(fā)射機(jī)連接，另一端與光信號(hào)傳輸部分連接；所述色散解密模塊一端與光信號(hào)傳輸部分連接，另一端與光信號(hào)接收機(jī)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于強(qiáng)色散管理的保密光通信系統(tǒng)，其特征在于，所述色散加密模塊可采用光纖布拉格光柵、光子晶體光纖、色散系數(shù)為正的光纖中的任意一種； 色散解密模塊可采用光纖布拉格光柵、光子晶體光纖、色散補(bǔ)償光纖中的任意一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于強(qiáng)色散管理的保密光通信系統(tǒng)，其特征在于，所述色散加密模塊采用2 8個(gè)可調(diào)諧色散補(bǔ)償器級聯(lián)構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于強(qiáng)色散管理的保密光通信系統(tǒng)，其特征在于，所述色散解密模塊采用2 8個(gè)可調(diào)諧色散補(bǔ)償器級聯(lián)構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于強(qiáng)色散管理的保密光通信系統(tǒng)，其特征在于，所述放大器采用是IPSAD1301半導(dǎo)體光放大器。
專利摘要一種基于強(qiáng)色散管理的保密光通信系統(tǒng)，涉及保密通信技術(shù)領(lǐng)域。包括光信號(hào)發(fā)射、光信號(hào)加密、光信號(hào)傳輸、光信號(hào)接收、光信號(hào)解密部分，在光信號(hào)加密部分中設(shè)置色散加密模塊，在光信號(hào)解密部分中設(shè)置色散解密模塊；色散加密模塊一端與光信號(hào)發(fā)射機(jī)連接，另一端與光信號(hào)傳輸部分連接；色散解密模塊一端與光信號(hào)傳輸部分連接，另一端與光信號(hào)接收機(jī)連接；色散加密模塊與色散解密模塊采用光纖布拉格光柵、光子晶體光纖或色散補(bǔ)償光纖；光信號(hào)解密部分根據(jù)密鑰提供的信息對傳輸后的光脈沖進(jìn)行解密，從而使信號(hào)復(fù)原；在保密通信中，首次將色散管理技術(shù)應(yīng)用于光通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了信息的保密傳輸。
文檔編號(hào)H04K1/00GK202261299SQ20112043069
公開日2012年5月30日 申請日期2011年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月3日
發(fā)明者蔡炬, 趙建, 陳旭, 馬文英 申請人:成都信息工程學(xué)院