專利名稱：一種基于動態強色散管理的保密光通信系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及保密通信技術領域，尤其是一種基于動態強色散管理的保密光通信系統。
背景技術：
光纖保密傳輸通信方式目前主要有三種光碼分多址(Optical Code Division Multiplexing Access)系統；量子 1 密ilf言(Ouantum Private Communication), ^^￠1 ; Mflf(Chaotic Secure Communication)。與上述方法不同，本發明基于色散效應原理，采用動態強色散管理方案。強色散管理目前應用于高速準線性系統中提高光通信系統的傳輸質量，未見用于保密通信中。例如
參考文獻(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(2)蔡炬，毛宇，呂輝等，“強色散控制準線性傳輸系統中的非線性效應”， 量子電子學報，2003，no. 5，pp74_79。發明人利用色散效應對脈沖的極大程度的展寬形變， 造成多個脈沖之間的重疊，導致傳輸過程中脈沖無法辨認，從而實現脈沖信號的加密傳輸。本研究首次將色散效應和色散管理原理應用于保密通信，并首次提出了動態的色散管理方法，實現了信息的保密傳輸。文獻檢索發現，與本發明最接近的中國專利申請號 201010214407.6的發明專利申請文件，相比之下，該申請是利用SBS效應即布里淵散射效應的原理來進行保密傳輸的，SBS是一種非線性效應，與本發明的原理及其技術方案是完全不同的。

發明內容
本發明的目的是鑒于強色散管理目前僅應用于高速準線性系統中提高光通信系統的傳輸質量，并未應用于光通信的保密傳輸；提供一種基于強色散管理的保密光通信系統，并運用動態色散管理的方式，以期進一步提高保密通信的水平。實現本發明目的之技術解決方案如下一種基于動態強色散管理的保密光通信系統，包括光信號發射部分、光信號加密部分、光信號傳輸部分、光信號解密部分、光信號接收部分構成，在光信號加密部分中設置固定色散模塊和可調色散模塊，對發送的光脈沖進行動態的、大強度的展寬變形；在光信號解密部分中設置固定色散補償模塊和可調色散補償模塊；可調色散補償模塊根據密鑰信息對傳輸后的光脈沖進行同步、精確的色散補償，從而使信號復原；所述固定色散模塊和可調色散模塊通過級聯方式連接在一起，所述固定色散補償模塊和可調色散補償模塊也通過級聯方式連接在一起；光信號加密部分端口與光信號發射部分端口連接，其另一端口與光信號傳輸部分端口連接；所述光信號解密部分端口與光信號傳輸部分端口連接，另一端口與光信號接收部分端口連接。所述固定色散模塊和可調色散模塊與固定色散補償模塊和可調色散補償模塊采用光纖布拉格光柵、G-T標準具、MEMS、PLC環形共振腔等中的任意一種構成。所述光信號加密部分采用固定色散模塊和可調色散模塊級聯構成。所述光信號解密部分采用固定色散補償模塊和可調色散補償模塊級聯構成。所述光信號傳輸部分的放大器采用的是IPSAD1301半導體光放大器。所述光信號發射部分的光發射器采用的是300pin transponder RTXM298-304.所述光信號接收部分的光接收器采用的是300pin transponder RTXM298-304o解密模塊是根據密鑰提供的色散加密部分的動態、準確的累積色散量信息對光脈沖進行同步補償，使進入模塊的經歷大幅度展寬后的光脈沖恢復原始波形，從而得到解密。本發明的原理是這樣的色散效應使光脈沖發生形變，二階正色散效應會使光脈沖展寬形變。隨著色散的不斷積累，脈沖會被展寬到多個比特時隙中，光脈沖大范圍的展寬形變和相互重疊使脈沖波形在得到精確色散補償前不再能被辨識。利用這一原理，在光信號加密部分加入若干色散模塊，色散模塊分為固定色散模塊和可調色散模塊兩部分，固定色散模塊用于實現將光脈沖展寬至100個比特時隙寬度的目的，以確保脈沖寬度在動態變化過程中的最低展寬程度。經過固定色散模塊的作用，光信號已經徹底無法進行辨識?？烧{色散模塊用于對累積色散量進行動態調諧，使光脈沖的展寬程度在100-400比特時隙寬度范圍內動態變化，調諧頻率可根據實際條件和保密需要改變。對累積色散量的動態調諧信息形成密鑰，通過密鑰通道傳遞給光信號解密部分。然后，再將展寬后的光脈沖送入光纖進行傳輸，由于傳輸光纖的色散系數為正，光信號脈沖在傳輸過程中將會進一步展寬變形。 此時即使信號在中途被截取，在不知道密鑰信息的前提下，竊聽者也無法對展寬程度動態變化、脈沖間相互嚴重重疊的光脈沖進行準確的色散補償，從而也無法破解比特信息。在信號到達目的地后，光解密部分根據由密鑰提供的動態累積色散量信息，利用色散補償模塊對光信號在色散加密模塊和傳輸光纖中所累積的色散量進行精確的色散補償，復原初始信號，達到解密目的，實現所傳輸信息的保密通信。本發明要解決的技術問題有兩個。一是設計發射端的光信號加密部分；二是通過計算光信號加密部分及傳輸線路上的累積色散，得到需要補償的動態色散量，設計光信號解密部分，對接收到的光信號進行同步、精確的色散補償。本系統收、發兩端的光信號加密部分和光信號解密部分是本發明的核心，保密通信的實現需要精心設計這兩個部分。本發明設計的系統完全達到了上述技術要求。與現有技術比較，本發明具有突出的優點與有益效果
1、強色散管理目前僅應用于高速準線性系統中提高光通信系統的傳輸質量，未見用于保密通信中。本發明首次將色散管理原理應用于保密通信，實現了信息的保密傳輸。2、在底層對脈沖直接進行處理，利用色散效應造成脈沖大范圍的展寬形變和相互重疊，隨機改變各比特時隙內光波的波形及其峰值功率，使竊聽者難以對信號進行復原。3、首次引入動態變化的色散管理方案，使竊聽者無法通過簡單的色散補償達到竊聽的企圖。4、此保密通信系統支持40(ib/S以上的高速信號，并且速率越高、脈寬越小，效果越好。5、與現有強度調制高速光纖通信系統完全兼容，可直接應用于現有強度調制高速光纖通信系統中。


圖1是本發明所述保密光通信系統結構框圖示意圖。圖2是本發明的實施例，單脈沖被展寬到大于100個比特以上示意圖。圖3是本發明的實施例，單脈沖各個階段脈寬的變化情況示意圖。圖4是本發明所述光脈沖序列中的部分初始波形示意圖。圖5是本發明的實施例，累積色散量為3526pS/nm時的波形示意圖。圖6是本發明的實施例，累積色散量為7052pS/nm時的波形示意圖。圖7是本發明的實施例，累積色散量為14104pS/nm時的波形示意圖。圖8是本發明的實施例，進行-14139pS/nm的精確色散補償后得到的波形示意圖。圖9是本發明的實施例，進行-14100pS/nm的不精確色散補償后的波形示意圖。圖10是本發明所述保密光通信系統應用實施例示意圖。
具體實施例方式參見圖1、圖2、圖3可知，本保密光通信系統由光信號發射部分1、光信號加密部分 2、光信號傳輸部分3、光信號解密部分4及光信號接收部分5構成。其中光發射部分1、光信號傳輸部分3、光接收部分5這三個部分與通常的光通信系統基本一致，不同點在于，增加了光信號加密部分；加密部分對發送的光脈沖進行動態大強度展寬形變；增加了光信號解密部分，解密部分根據從密鑰通道傳遞過來的密鑰信息對傳輸后的光脈沖進行精確的同步動態色散補償，從而使信號復原。光信號加密部分2由固定色散模塊2. 1和可調色散模塊2. 2兩部分組成，它們之間通過級聯的方式連接在一起；光信號解密部分4由固定色散補償模塊4. 1和可調色散補償模塊4. 2兩部分組成，它們之間通過級聯的方式連接在一起。光信號加密部分2端口與光信號發射部分1端口連接，另一端口與光信號傳輸部分3端口連接；所述光信號解密部分 4端口與光信號傳輸部分3端口連接，另一端口與光信號接收部分5端口連接。具體地是指色散模塊一端與光信號發射機連接，另一端與光信號傳輸部分3連接；光信號解密部分4 一端與光信號傳輸部分3連接，另一端與光信號接收機連接；所述色散模塊與色散補償模塊采用光纖布拉格光柵；所述色散模塊采用3個固定色散模塊ClearSpectrum-TDCX和8個可調色散模塊ClearSpectrum-TDCMX級聯構成；所述色散補償模塊采用3個固定色散補償模塊ClearSpectrum-TDCX和8個可調色散補償模塊ClearSpectrum-TDCMX級聯構成；所述光信號傳輸部分3的放大器采用IPSAD1301半導體光放大器；所述光信號發射部分1的光發射機采用的是300pin transponder RTXM298-304 ；所述光接收部分5的光接收機采用的是 300pin transponder RTXM298-304.光信號解密部分是根據密鑰提供的加密部分的累積色散量，使進入解密部分的光脈沖恢復原始波形，從而得到解密。圖2顯示了在基于強色散管理的保密光通信系統中，單脈沖被展寬到大于100個比特以上的波形。
圖3顯示了在基于強色散管理的保密光通信系統中，各個階段脈寬的變化情況。本實施方式以強度調制直接檢測(IM-DD)方式、工作波長1310nm、工作速率為 40(ibit/S、比特時隙寬度為25ps、傳輸距離為IOkm的系統為例。首先是光信號加密部分2的設計色散模塊的作用是使進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，此處設計為使脈沖展寬到比特時隙寬度的100倍、00倍。根據參考文獻1的信息可以得出脈沖寬度τ 和累積色散量DL的關系為
τ ^ 0. 709XDL+0. 1
因此，要將脈寬為5ps的脈沖展寬到比特時隙寬度的100 400倍，即2500ps lOOOOps，需要引入3526 ps/nm 14104 ps/nm的累積色散量。為使脈沖在光信號傳輸部分中傳輸時的最低展寬寬度為比特時隙寬度的 100倍以上，本實施例中固定色散模塊2. 1采用3個TeraXion公司的色散補償模塊 ClearSpectrum-TDCX級聯而成，實現35^pS/nm的累積色散量，可保證脈沖展寬100倍目標的實現。為使脈沖的展寬程度在100-400倍之間動態變化，本實施例中的可調色散模塊采用8個TeraXion公司的可調色散補償模塊ClearSpectrum-TDCMX級聯而成，實現0 10578pS/nm的累積色散量，與級聯的固定色散模塊一起，可保證脈沖在100-400倍展寬范圍內動態變化。引入的插損由傳輸線路上的功率放大器補償。所述光信號傳輸部分3的放大器采用是hWienix公司的1310nm半導體光放大器IPSAD1301。光放大器的作用是對信號進行放大，從而補償由于色散模塊、光纖、色散補償模塊等造成的損耗。光纖采用標準單模光纖(G. 652)，其在1310nm處的色散系數為3. 5 ps/nm. km,衰減系數為0. 4dB/km,光傳輸長度設為10km，則引入的累積色散量為35pS/nm，衰減為4dB?？刹捎每祵幑镜腟MF18e+光纖。光信號解密部分4的作用是根據密鑰信息，使進入光信號解密部分的經歷大幅度展寬后的光脈沖得到同步的動態、準確的色散補償，恢復原始波形，從而得到解密。由前可知，由光信號加密部分引入的色散累積值為35 ps/nm 14104 ps/nm，由傳輸光纖導致的色散累積值為35 ps/nm，因此光信號解密部分所需補償的累積色散量應為-3561 ps/nm 14139 ps/nm，可由iTeraXion公司的3個色散補償模塊ClearSpectrum-TDCX和8個可調色散補償模塊ClearSpectrum-TDCMX級聯完成累積色散量的精確、動態同步補償，完成信號的解密任務。參見圖4、圖5、圖6、圖7、圖8，可以看出本發明的有益技術效果。圖4顯示光脈沖序列中的一部分(111010)的初始波形；圖5顯示累積色散量為3526pS/nm時的波形， 脈沖的展寬、畸變和相互重疊已使其類似于噪聲，無法進行判決。圖6顯示累積色散量為 7052ps/nm時的波形，脈沖的展寬、畸變和相互重疊已使其類似于噪聲，無法進行判決。圖 7顯示累積色散量為14104pS/nm時的波形，脈沖的展寬、畸變和相互重疊已使其類似于噪聲，無法進行判決。圖8顯示根據密鑰信息，進行色散補償量為-14139ps/nm的精確色散補償后得到的波形，顯示很好地恢復了初始波形，雖有一定的定時抖動和幅度抖動，但不影響正常的判決。圖9顯示未得到密鑰信息，進行不精確色散補償，即色散補償值為-14100ps/ nm時的波形，顯示仍然類似噪聲，無法進行判決。
圖10是本發明所述保密光通信系統應用的實施例。圖中，Al為光信號發射機； A2為光信號加密部分的色散模塊，采用3個固定色散模塊ClearSpectrum-TDCX和8個可調色散模塊ClearSpectrum-TDCMX級聯構成；A3為光信號傳輸光纖；A31為功率放大器；A32為前置放大器，放大器均采用IPSAD1301半導體光放大器；A4為光信號解密部分的色散補償模塊，3個色散補償模塊ClearSpectrum-TDCX和8個可調色散補償模塊 ClearSpectrum-TDCMX級聯構成；A5為光信號接收機。本發明工作流程方式如下
1、電信號在光發射部分進行光電轉換，變為強度調制的光脈沖信號。2、光脈沖信號進入光信號加密部分后，首先在固定色散模塊中得到極大程度地展寬，其目的是，避免在加密部分因為可調色散模塊提供的瞬時色散累積值較低時，光脈沖總的色散展寬程度不足而導致泄密的情況發生，確保光脈沖始終都能被展寬至無法辨識的程度。然后光脈沖進入可調色散模塊中被進一步展寬。通過對可調色散模塊進行控制，可以實時、動態地改變可調色散模塊提供的色散累積值，使脈沖的展寬程度動態、大范圍地發生改變，從而使竊聽者試圖通過進行色散補償來竊聽的目的難以得逞。對可調色散模塊進行調節的具體信息，即此保密通信系統的密鑰，通過密鑰通道傳遞給光信號解密部分進行解密。 色散模塊引入的插損可由光信號傳輸部分的功率放大器予以補償。3、被展寬變形后的光脈沖進入光信號傳輸部分進行傳輸，由于通常的傳輸用光纖例如G. 652光纖，其色散系數為正，因此光脈沖得到進一步展寬。線路放大器的數量視傳輸距離的長短來進行設定。前置放大器一方面對光纖的損耗進行補償，一方面對光信號解密部分色散補償模塊引入的插損進行補償。4、在光信號解密部分，固定補償模塊對光信號加密部分中的固定色散模塊和光信號傳輸部分中光纖等引入的色散累積值進行固定補償，此部分色散累積值固定不變，因此固定補償模塊的色散累積值也可固定不變?？烧{色散補償模塊則根據密鑰提供的信息，對光脈沖進行實時、同步的動態色散補償，以達到恢復脈沖初始波形，還原承載信息的目的。5、還原后的光脈沖信號在光信號接收部分被轉換為相應的電信號，從而完成整個光信號保密傳輸的過程。盡管上面對本發明的具體實施方式
進行了描述，但本發明不限于具體實施方式
的范圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發明的精神和范圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發明構思的發明創造均屬本發明范圍保護之列。
權利要求
1.一種基于動態強色散管理的保密光通信系統，包括光信號發射部分(1)、光信號加密部分(2)、光信號傳輸部分(3)、光信號解密部分(4)、光信號接收部分(5)構成，其特征在于，在光信號加密部分(2)中設置固定色散模塊(2. 1)和可調色散模塊(2. 2)，對發送的光脈沖進行動態的、大強度的展寬變形；在光信號解密部分(4)中設置固定色散補償模塊 (4. 1)和可調色散補償模塊(4. 2);可調色散補償模塊(4. 2)根據密鑰信息對傳輸后的光脈沖進行同步、精確的色散補償，從而使信號復原；所述固定色散模塊(2. 1)和可調色散模塊 (2.2)通過級聯方式連接在一起，所述固定色散補償模塊(4.1)和可調色散補償模塊(4.2) 也通過級聯方式連接在一起；光信號加密部分(2 )端口與光信號發射部分(1)端口連接，另一端口與光信號傳輸部分(3)端口連接；所述光信號解密部分(4)端口與光信號傳輸部分 (3 )端口連接，另一端口與光信號接收部分(5 )端口連接。
2.根據權利要求1所述的一種基于動態強色散管理的保密光通信系統，其特征在于， 所述固定色散模塊(2. 1)和可調色散模塊(2. 2)與固定色散補償模塊(4. 1)和可調色散補償模塊(4. 2)可采用光纖布拉格光柵、G-T標準具、MEMS、PLC環形共振腔等中的任意一種構成。
3.根據權利要求1或2所述的一種基于動態強色散管理的保密光通信系統，其特征在于，所述光信號加密部分(2 )由固定色散模塊和可調色散模塊級聯構成。
4.根據權利要求1或2所述的一種基于動態強色散管理的保密光通信系統，其特征在于，所述光信號解密部分(4 )由固定色散補償模塊和可調色散補償模塊級聯構成。
5.根據權利要求1所述的一種基于動態強色散管理的保密光通信系統，其特征在于， 所述光信號傳輸部分(3)的放大器采用的是IPSAD1301半導體光放大器。
6.根據權利要求1所述的一種基于動態強色散管理的保密光通信系統，其特征在于， 所述光信號發射部分(1)的光發射器采用的是300pin transponder RTXM298-304.
7.根據權利要求1所述的一種基于動態強色散管理的保密光通信系統，其特征在于， 所述光信號接收部分(5)的光接收器采用的是300pin transponder RTXM298-304o
全文摘要
一種基于動態強色散管理的保密光通信系統，屬保密通信技術領域。包括光信號發射、光信號加密、光信號傳輸、光信號接收、光信號解密部分，在光信號加密中設置固定和可調色散模塊，在光信號解密中中設置固定和可調色散補償模塊，色散模塊與色散補償模塊采用光纖布拉格光柵、G-T標準具、MEMS、PLC環形共振腔等中的任意一種構成；光信號加密部分一端與光信號發射機連接，另一端與光信號傳輸部分連接，密鑰通過密鑰通道傳遞給光信號解密部分；光信號解密部分一端與光信號傳輸部分連接，另一端與光信號接收機連接；光信號解密部分根據密鑰提供的信息對傳輸后的光脈沖進行實時、同步的精確補償，使信號復原。在保密通信中，首次將動態色散管理技術應用于光通信系統，實現了信息的保密傳輸。
文檔編號H04B10/18GK102347800SQ201110343360
公開日2012年2月8日 申請日期2011年11月3日 優先權日2011年11月3日
發明者蔡炬, 趙建, 陳旭, 馬文英 申請人:成都信息工程學院