光通信網物理層全光異或加解密技術

　　針對目前光通信保密系統中基于電信號處理的流密碼加解密技術的局限性，提出基于全光信號處理的加解密技術;對幾種典型的全光異或加密方案進行了研究，介紹了各自的工作原理、特點及研究進展;利用OptiSystem 軟件搭建了基于SOA-MZI(半導體光放大器-馬赫-曾德干涉儀)異或門的全光加解密系統仿真模型，并基于HNLF(高非線性光纖)的自相位調制效應設計了一個優化結構對系統進行優化。研究表明：全光加解密技術具有優良的特性，能使整個光通信保密系統運算速率更高，傳輸更安全。

　　引言

　　隨著通信業務的快速增長，光纖通信網正在向高速率、寬帶寬和大容量的全光通信網絡發展，傳統的基于光-電-光轉換的信號處理方式已難以適應這種趨勢，而作為一種重要的全光信號處理技術，全光邏輯異或門受到廣泛關注，且基于各種不同方案的全光異或門已多見報道。

　　現有的光通信保密系統仍采用基于電信號處理的流密碼加解密技術，由于受到電子“瓶頸”的限制，其加解密速率較低，實驗室最高速率僅為2.5 Gbit/s。發生突發事件時，現有光通信網絡的業務量將可能成幾十倍甚至上百倍的劇增，傳統的基于電信號處理的加解密技術難以適應超高速和超大容量的業務需求，也無法完全兼容下一代全光通信網絡，而基于全光信號處理的加解密技術的速率可以超過100 Gbit/s。同時，現有的光纖通信網在光域內對數據光信號沒有采取任何的安全處理，光纖信道只負責信號傳送，即將比特光碼從一個節點透明地傳送到下一個節點。另外，我國光纖通信網中的SDH(同步數字體系)和DWDM(密集波分復用)技術體制均來自于國外，其接口協議、性能參數和碼流特性等均對外公開，這對于光通信網而言是一個致命的缺陷。

　　隨著光纖通信網攻擊與竊聽技術的迅速發展，直接竊取光纖傳輸數據、光網絡管理系統信息被修改和光網絡節點設備被攻擊的可能性已經成為現實，光網絡隨時面臨安全威脅，無法保證數據信息的安全。因此，對基于全光信號處理的加解密技術的需求迫在眉睫。本文采用全光信號處理的方法，提出基于全光異或門的加解密技術，對數據信號進行全光安全處理。

　　1、全光異或加解密原理

　　異或運算具有可逆性，即AB =C ，C B =A 。全光異或加解密的基本原理就是先用光密鑰序列對光數據序列進行加密得到密文，然后再用相同的光密鑰序列對密文序列進行解密恢復出原始的明文數據序列。圖1 所示為全光異或加解密原理框圖，圖中兩個光偽隨機密鑰產生器生成完全相同的偽隨機光密鑰序列，全光異或門完成對明文數據序列的加密和解密運算，光纖信道完成對密文數據的傳輸功能，保密信道用于傳遞種子密鑰。

　　2、全光異或加密方案的實現

　　全光異或加密方案的實現主要是利用介質的非線性效應，例如HNLF(高非線性光纖)、SOA (半導體光放大器)等的非線性特性?；谶@些非線性介質的異或加密方案主要有兩種：一種是基于介質本身的非線性效應實現異或加密，另一種是基于非線性介質所輔助的干涉儀結構實現異或加密。

　　2.1 基于HNLF 克爾效應的全光異或加密方案

　　圖2 所示為基于HNLF 克爾效應的全光異或加密方案框圖[1]。在HNLF 輸入端，控制信號光A、B 和連續探測信號光C 同時注入HNLF，其中A、B 的偏振方向相互垂直，且它們分別與C 的偏振方向成45°夾角。在HNLF 輸出端設置一個方向與C 的初始偏振方向相互垂直的偏振檢偏器。若A和B 同為“0”，則C 得不到調制，其偏振方向保持不變，經過檢偏器后輸出“0”;若A 和B 一個為“1”，另一個為“0”，則光纖的克爾效應將導致“1”碼信號偏振方向與“0”碼信號偏振方向的折射率差異，這種雙折射效應使得C 的偏振方向發生旋轉，經過檢偏器后輸出“1”;若A 和B 同為“1”，則由它們所引起的雙折射效應相互抵消，C 的偏振方向保持不變，經過檢偏器后輸出“0”。指定信號A、B 分別代表數據光信號和密鑰光信號，則上述操作就實現了對數據光信號的異或加密運算。

　　由于HNLF 具有超快的響應速度(飛秒量級)和極高的非線性效應，因此該加密方案的運算速率理論上可以達到100 Gbit/s 以上。文獻[2]中采用高非線性氧化鉍玻璃光纖，通過實驗成功驗證了基于光纖FWM(四波混頻)效應的全光CDMA(碼分多址)加解密系統。然而在該加密方案中，光纖的使用導致異或門體積相對較大，結構復雜，難以集成。

　　2.2 基于SOA-XGM 的全光異或加密方案

　　圖3 所示為基于SOA-XGM(交叉增益調制)效應的異或加密方案框圖。SOA 中的XGM 來自于它的增益飽和效應，兩路波長相同的光信號A、B分別作為數據光信號和密鑰光信號，經過放大形成強泵浦光后分別從SOA1 和SOA2 的右端輸入對它們進行增益調制，使得SOA1 實現A 和B 非的與邏輯運算功能，SOA2 實現A 非和B 的與邏輯運算功能。兩路信號在1 端口耦合相加，輸出即為密鑰B 對數據A 的異或加密結果。

　　該加密方案無需輸入額外的光束，且對偏振不敏感，但由于XGM 效應引起的啁啾特性，該方案難以獲得高消光比的加密運算結果。文獻[3]中提出并驗證了基于SOA-XGM 的異或門全光加解密系統，對10 Gbit/s 的數據信號進行了全光加解密運算，加解密輸出消光比分別為7 和5.5 dB。

　　2.3 基于SOA-MZI 的全光異或加密方案

　　圖4 所示為基于SOA-MZI(馬赫-曾德干涉儀)的全光異或加密方案結構示意圖。

　　波長同為λS 的數據信號光A 和密鑰信號光B分別輸入到MZI 的端口1 和端口2，波長為λCW 的連續探測光C 輸入到端口3(X 型耦合器)。數據A和密鑰B 分別調制上下兩個SOA 的載流子濃度引起折射率的變化，這將導致連續探測光C 通過上下兩個SOA 時產生相位調制。當A 和B 一路為“0”，另一路為“1”時，不同的相位調制產生π的相位差，連續光在端口4 發生相長干涉，輸出為“1”;當A 和B 都為“0”或者都為“1”時，相位差為0，連續光發生相消干涉，端口4 輸出為“0”，從而實現了密鑰B 對數據A 的異或加密功能[4]。

　　該加密方案是目前結構最緊湊、性能最穩定的方案之一，已有多篇文獻報道了這種全光異或加密方案。文獻[5]中采用該加密方案對10 Gbit/s 的數據光信號進行了全光加解密運算，解密輸出信號消光比約為11 dB。然而在該加密方案中，SOA 的載流子恢復時間較長(約100 ps)，限制了信號處理速度，且難以獲得較高的輸出消光比。

　　3、全光異或加解密仿真實驗

　　全光異或加解密原理如圖1 所示。本文采用光通信系統設計軟件OptiSystem 搭建了基于SOAMZI全光異或門的加解密系統仿真模型，對速率為20 Gbit/s 的RZ(歸零)碼數據光信號進行了全光異或加解密仿真實驗。實驗中所用到的密鑰序列和明文數據序列都是由連續波激光器經過馬赫-曾德電光調制器得到的RZ 碼光脈沖序列，當驅動電光調制器的電信號分別是速率為20 Gbit/s 的RZ 電脈沖密鑰序列和數據序列時，經調制就產生了20 Gbit/s的RZ 碼光密鑰序列和光數據序列。

　　實驗過程中發現，加密所得密文信號在正確的波形旁邊總會出現多余的小峰，輸出消光比較低，不利于光解密單元對信號的判決檢測，導致解密效果下降甚至無法解密。因此，本文基于HNLF 的SPM(自相位調制)效應設計了一個優化結構置于光加密單元之后對加密結果進行優化，主要利用了HNLF 的高非線性特性，它取決于光纖的非線性參量γ 值[6]：γ= 2πn 2/(λA eff)，式中，n 2 為光纖的非線性折射率系數，λ 為光波波長，A eff 為光纖某個模式的有效模場面積。通過減小有效模場面積或者增大非線性折射率系數，可使光纖的非線性參量值γ 增大，從而實現高非線性特性。圖5 所示為基于HNLF的優化結構原理框圖。常規的密文信號經過端口1 被分成功率相等的兩路，一路經過一個π相位偏移器，另一路經過一段HNLF，合理設置鏈路參數，使得此路密文信號在HNLF中發生SPM效應。

　　兩路密文信號在端口2 處發生干涉，將高功率的“1”碼信號進一步增強，將低功率的“0”碼信號抑制，從而實現優化功能[7]。

　　設數據序列為“011010111011011101011011”，偽隨機密鑰序列為“010010000001010101000001……”，加密所得密文數據信號波形如圖6 所示，其二進制序列為“001000111010001000011010……”，仿真結果與理論結果完全相同，加密成功，但是消光比較低，僅為10 dB 左右。設定優化方案中的HNLF長度為50 m，非線性折射率為6.0×10-20 m2/W，有效模場面積為1 μm2 。圖7 所示為優化后的密文信號波形圖，消光比達28 dB。

　　為了更好地比較優化前后的系統性能，在仿真鏈路中設置了眼圖儀。圖8 所示為優化前的密文數據信號眼圖，圖9所示為優化后的密文數據信號眼圖?？梢娊涍^優化，密文信號的眼圖質量變得更好了，去除了多余的小峰，提高了加密輸出消光比。

　　4、結束語

　　本文論述了幾種典型的全光加密方案，介紹了它們各自的工作原理、特點及研究進展，通過Opti-System 軟件對20 Gbit/s 的RZ 碼數據光信號進行了全光加解密仿真運算，發現所得密文信號在正確的波形旁邊總會出現多余的小峰，輸出消光比較低，導致解密效果下降甚至無法解密。因此，基于光纖SPM 效應設計了一個優化結構對輸出密文信號進行再次處理，很好地克服了上述問題，去除了多余的小峰，提高了輸出消光比，優化了加解密性能。目前，基于全光信號處理的加解密技術尚處于理論研究和仿真實驗階段，還沒用實用化。隨著光通信業務量的劇增和光纖傳輸網攻擊與竊聽技術的迅速發展，全光加解密技術必將成為光纖傳輸網的一種可靠保障，使整個光通信保密系統的運算速率更高，傳輸更安全。