光通信網(wǎng)物理層全光異或加解密技術(shù)

　　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(shù)的局限性，提出基于全光信號處理的加解密技術(shù);對幾種典型的全光異或加密方案進(jìn)行了研究，介紹了各自的工作原理、特點(diǎn)及研究進(jìn)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(mén)的全光加解密系統仿真模型，并基于HNLF(高非線(xiàn)性光纖)的自相位調制效應設計了一個(gè)優(yōu)化結構對系統進(jìn)行優(yōu)化。研究表明：全光加解密技術(shù)具有優(yōu)良的特性，能使整個(gè)光通信保密系統運算速率更高，傳輸更安全。

　　引言

　　隨著(zhù)通信業(yè)務(wù)的快速增長(cháng)，光纖通信網(wǎng)正在向高速率、寬帶寬和大容量的全光通信網(wǎng)絡(luò )發(fā)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(shù)，全光邏輯異或門(mén)受到廣泛關(guān)注，且基于各種不同方案的全光異或門(mén)已多見(jiàn)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(shù)，由于受到電子“瓶頸”的限制，其加解密速率較低，實(shí)驗室最高速率僅為2.5 Gbit/s。發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，現有光通信網(wǎng)絡(luò )的業(yè)務(wù)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(shù)難以適應超高速和超大容量的業(yè)務(wù)需求，也無(wú)法完全兼容下一代全光通信網(wǎng)絡(luò )，而基于全光信號處理的加解密技術(shù)的速率可以超過(guò)100 Gbit/s。同時(shí)，現有的光纖通信網(wǎng)在光域內對數據光信號沒(méi)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(gè)節點(diǎn)透明地傳送到下一個(gè)節點(diǎn)。另外，我國光纖通信網(wǎng)中的SDH(同步數字體系)和DWDM(密集波分復用)技術(shù)體制均來(lái)自于國外，其接口協(xié)議、性能參數和碼流特性等均對外公開(kāi)，這對于光通信網(wǎng)而言是一個(gè)致命的缺陷。

　　隨著(zhù)光纖通信網(wǎng)攻擊與竊聽(tīng)技術(shù)的迅速發(fā)展，直接竊取光纖傳輸數據、光網(wǎng)絡(luò )管理系統信息被修改和光網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設備被攻擊的可能性已經(jīng)成為現實(shí)，光網(wǎng)絡(luò )隨時(shí)面臨安全威脅，無(wú)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(shù)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(mén)的加解密技術(shù)，對數據信號進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(gè)光偽隨機密鑰產(chǎn)生器生成完全相同的偽隨機光密鑰序列，全光異或門(mén)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(shí)現

　　全光異或加密方案的實(shí)現主要是利用介質(zhì)的非線(xiàn)性效應，例如HNLF(高非線(xiàn)性光纖)、SOA (半導體光放大器)等的非線(xiàn)性特性?；谶@些非線(xiàn)性介質(zhì)的異或加密方案主要有兩種：一種是基于介質(zhì)本身的非線(xiàn)性效應實(shí)現異或加密，另一種是基于非線(xiàn)性介質(zhì)所輔助的干涉儀結構實(shí)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(shí)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(gè)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(jīng)過(guò)檢偏器后輸出“0”;若A 和B 一個(gè)為“1”，另一個(gè)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(fā)生旋轉，經(jīng)過(guò)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(jīng)過(guò)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(shí)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(xiàn)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(xiàn)性氧化鉍玻璃光纖，通過(guò)實(shí)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(mén)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(lái)自于它的增益飽和效應，兩路波長(cháng)相同的光信號A、B分別作為數據光信號和密鑰光信號，經(jīng)過(guò)放大形成強泵浦光后分別從SOA1 和SOA2 的右端輸入對它們進(jìn)行增益調制，使得SOA1 實(shí)現A 和B 非的與邏輯運算功能，SOA2 實(shí)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(wú)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(mén)全光加解密系統，對10 Gbit/s 的數據信號進(jìn)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(cháng)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(cháng)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(gè)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(guò)上下兩個(gè)SOA 時(shí)產(chǎn)生相位調制。當A 和B 一路為“0”，另一路為“1”時(shí)，不同的相位調制產(chǎn)生π的相位差，連續光在端口4 發(fā)生相長(cháng)干涉，輸出為“1”;當A 和B 都為“0”或者都為“1”時(shí)，相位差為0，連續光發(fā)生相消干涉，端口4 輸出為“0”，從而實(shí)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(jìn)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(shí)間較長(cháng)(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(shí)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(mén)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(jìn)行了全光異或加解密仿真實(shí)驗。實(shí)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(jīng)過(guò)馬赫-曾德電光調制器得到的RZ 碼光脈沖序列，當驅動(dòng)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(shí)，經(jīng)調制就產(chǎn)生了20 Gbit/s的RZ 碼光密鑰序列和光數據序列。

　　實(shí)驗過(guò)程中發(fā)現，加密所得密文信號在正確的波形旁邊總會(huì )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(wú)法解密。因此，本文基于HNLF 的SPM(自相位調制)效應設計了一個(gè)優(yōu)化結構置于光加密單元之后對加密結果進(jìn)行優(yōu)化，主要利用了HNLF 的高非線(xiàn)性特性，它取決于光纖的非線(xiàn)性參量γ 值[6]：γ= 2πn 2/(λA eff)，式中，n 2 為光纖的非線(xiàn)性折射率系數，λ 為光波波長(cháng)，A eff 為光纖某個(gè)模式的有效模場(chǎng)面積。通過(guò)減小有效模場(chǎng)面積或者增大非線(xiàn)性折射率系數，可使光纖的非線(xiàn)性參量值γ 增大，從而實(shí)現高非線(xiàn)性特性。圖5 所示為基于HNLF的優(yōu)化結構原理框圖。常規的密文信號經(jīng)過(guò)端口1 被分成功率相等的兩路，一路經(jīng)過(guò)一個(gè)π相位偏移器，另一路經(jīng)過(guò)一段HNLF，合理設置鏈路參數，使得此路密文信號在HNLF中發(fā)生SPM效應。

　　兩路密文信號在端口2 處發(fā)生干涉，將高功率的“1”碼信號進(jìn)一步增強，將低功率的“0”碼信號抑制，從而實(shí)現優(yōu)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(jìn)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(yōu)化方案中的HNLF長(cháng)度為50 m，非線(xiàn)性折射率為6.0×10-20 m2/W，有效模場(chǎng)面積為1 μm2 。圖7 所示為優(yōu)化后的密文信號波形圖，消光比達28 dB。

　　為了更好地比較優(yōu)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(yōu)化前的密文數據信號眼圖，圖9所示為優(yōu)化后的密文數據信號眼圖?？梢?jiàn)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，密文信號的眼圖質(zhì)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(yǔ)

　　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(diǎn)及研究進(jìn)展，通過(guò)Opti-System 軟件對20 Gbit/s 的RZ 碼數據光信號進(jìn)行了全光加解密仿真運算，發(fā)現所得密文信號在正確的波形旁邊總會(huì )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(wú)法解密。因此，基于光纖SPM 效應設計了一個(gè)優(yōu)化結構對輸出密文信號進(jìn)行再次處理，很好地克服了上述問(wèn)題，去除了多余的小峰，提高了輸出消光比，優(yōu)化了加解密性能。目前，基于全光信號處理的加解密技術(shù)尚處于理論研究和仿真實(shí)驗階段，還沒(méi)用實(shí)用化。隨著(zhù)光通信業(yè)務(wù)量的劇增和光纖傳輸網(wǎng)攻擊與竊聽(tīng)技術(shù)的迅速發(fā)展，全光加解密技術(shù)必將成為光纖傳輸網(wǎng)的一種可靠保障，使整個(gè)光通信保密系統的運算速率更高，傳輸更安全。