專利名稱：光纖通信系統中光數據信號加解密方法
技術領域：
本發明涉及一種加解密方法，具體涉及一種光纖通信系統中光數據信號加解密方法，屬于光通信技術領域。
背景技術：
國外光纖竊聽技術日趨發展成熟，加上我國現有光纖通信系統中光信號沒有經過任何加密處理，因此當光纖鏈路遭到竊聽時，光信號所承載的信息極易被竊聽者破解。
針對我國光纖通信系統中信息失竊風險，急需一種能夠應用于現有光纖通信系統的光信號加密方案。目前的光學加密手段包括，量子密碼技術，混沌密碼技術，雙隨機相位加密技術，利用相移干涉技術的加密技術，基于菲涅爾變換的加密技術等。這些加密手段由于加密操作復雜，需要時間長的缺點，難以滿足光纖通信實時性的要求。因此，設計一種滿足光纖通信系統實時加密要求的方案，成為降低其面對竊聽時信息失竊風險的關鍵所在。發明內容
本發明提供一種光纖通信系統中光數據信號加解密方法，主要解決了現有加密技術操作復雜，耗時長，易失密，難以滿足光纖通信實時性要求的問題。
本發明的具體技術方案如下
該光纖通信系統中光數據信號加解密方法包括以下步驟
I]加密
I. I]產生單波長超高速光信號脈沖序列；
I. 2]產生超高速光密鑰脈沖序列；
I. 3]對步驟I. I產生的單波長超高速光信號脈沖序列與步驟I. 2產生的超高速光密鑰脈沖序列進行同步控制；
I. 4]步驟I. 3同步完成后即對單波長超高速光信號脈沖序列與超高速光密鑰脈沖序列進行全光異或，產生光密文脈沖序列；
2]傳輸
將步驟I. 4加密得到的光密文脈沖序列直接通過公共信道進行傳輸，將經步驟I.2所得的超高速光密鑰脈沖序列通過安全信道進行傳輸；
3]解密
3. I]接收端接收到光密文脈沖序列與光密鑰脈沖序列之后，在其中一路信號的光纖鏈路上加入光延時線，通過調節延時長度使得兩信號中的光脈沖在時間軸上同步；
3. 2]利用全光異或門解密光密文脈沖序列，獲得原光信號脈沖序列將脈沖同步的光密文脈沖序列與光密鑰脈沖序列輸入全光異或門中，兩信號通過異或運算完成解密。
上述步驟I. I產生單波長超高速光信號脈沖序列具體是
I. I. I]產生N個速率為&的低速率電信號；
I. I. 2]對N個速率為&的低速率電信號進行時分復用，產生速率為N*^的高速率電信號；
I. I. 3]將步驟I. I. 2所述的的高速率電信號作為控制信號輸入電光調制器，使其調制連續光信號的強度，電光調制器輸出的光信號即為速率為^ftl的單波長超高速光信號脈沖序列。
上述步驟I. I產生單波長超高速光信號脈沖序列也可以是
I. I. I]產生N個速率為&的低速率電信號；
I. I. 2]將步驟I. I. I所得的N個低速率電信號作為控制信號分別輸入N個電光調制器，使其調制連續光信號的強度，輸出N個速率為光信號脈沖序列；
I. I. 3]分別將這N個速率為fd光信號脈沖序列輸入色散位移光纖(DCF)進行脈沖壓縮，產生N個速率為&的脈沖寬度減小的光信號脈沖序列；
I. I. 4]將經過脈沖壓縮的N個速率為&光信號脈沖序列進行延時耦合，產生速率為N*;!^的光信號脈沖序列。
上述步驟I. 2產生超高速光密鑰脈沖序列具體是
I. 2. I]利用密鑰流發生器產生N個速率為&的偽隨機序列；
I. 2. 2]對N個速率為&的低速率偽隨機序列進行時分復用，產生速率為N*^的高速率偽隨機序列；
I. 2. 3]將此高速率偽隨機序列作為控制信號輸入電光調制器，使其調制連續光信號的強度，電光調制器輸出的光信號即為速率為^ftl的超高速光偽隨機脈沖序列。
上述步驟I. 2產生超高速光密鑰脈沖序列也可以是
I. 2. I]利用密鑰流發生器產生N個速率為&的偽隨機序列；
I. 2. 2]將這N個低速率偽隨機序列作為控制信號分別輸入N個電光調制器，使其調制連續光信號的強度，輸出N個速率為&光偽隨機脈沖序列；
I. 2. 3]分別將這N個速率為的光偽隨機脈沖序列輸入色散位移光纖(DCF)進行脈沖壓縮，產生N個速率為&的脈沖寬度減小的光偽隨機脈沖序列；
I. 2. 4]將經過脈沖壓縮的N個速率為&光偽隨機脈沖序列進行延時耦合，產生速率為的光偽隨機脈沖序列，此序列即為超高速光密鑰脈沖序列。
上述步驟I. I中，光信號脈沖序列來源于光纖通信系統中的單個波長，OOK調制的光信號。
上述步驟I. 4中，在進行全光異或前需要對光信號脈沖序列與光密鑰脈沖序列進行同步控制，所述同步控制具體是在其中一路光信號的光纖鏈路中放置光延遲線，通過調整光延時長度使得兩信號同步。
上述步驟I. 4中的全光異或具體是通過利用全光異或門，對光信號脈沖序列和光密鑰脈沖序列序列進行逐位異或，異或運算結果即為對光信號脈沖序列的加密結果。
上述加密速率與光通信中單個波長信號傳輸速率相一致。
本發明的優點如下
本發明基于流密碼體制，利用全光異或門對光信號脈沖序列進行加密，因為全光異或門不需要進行光電轉換，完全在光域內完成光信號的異或運算，所以其避免了電子瓶頸的限制，可以達到極高的響應速率，因此其能夠實現光纖通信實時加解密。另外，本發明與現有光纖波分復用系統技術體制兼容，能夠在不改變現有光纖波分復用系統的前提下直5接應用，這也大大降低了本發明的推廣難度。
I為分發明系統原理示意圖；2為本發明加密部分的原理示意圖；3為產生高速率密鑰脈沖序列方案一原理示意圖；4為產生高速率密鑰脈沖序列方案二原理示意圖；5為基于交叉增益調制效應全光異或門原理示意圖； 6為同波長信號基于馬赫增德爾干涉儀全光異或門原理示意圖； 7為光密鑰與光密文傳輸過程原理示意圖；8為本發明解密部分原理示意圖；9為不同波長信號基于馬赫增德爾干涉儀全光異或門原理示意圖 10為基于太赫茲光解復用器全光異或門原理不意圖；11為基于光克爾效應全光異或門原理示意圖。
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圖具體實施方式
圖I所示為本發明的原理示意圖，本發明基于流密碼體制，采用全光異或加密方法，對光信號脈沖序列和光密鑰脈沖序列進行逐位異或運算，異或運算結果為光信號脈沖序列的加密結果。
參見圖2，本發明的技術實質是在已獲得原始光信號脈沖序列的基礎上，利用密鑰流發生器產生低速率密鑰脈沖序列。
為了實現密鑰脈沖序列的速率與光信號脈沖序列的速率相一致，需要將速率密鑰序列轉變為高速率密鑰脈沖序列，在這里通過將多個密鑰脈沖序列時分復用成為高速率密鑰脈沖序列之后在進行電光調制；或者將多個低速率密鑰脈沖序列直接電光調制，并將這些低速率光密鑰脈沖序列通過脈沖寬度壓縮，延遲耦合的方法都可以產生于光信號脈沖序列速率相一致的高速率密鑰脈沖序列。
為了使光信號脈沖序列與光密鑰脈沖序列的各比特位數據能夠同步的進入全光異或門，需要對兩信號進行嚴格的同步控制，這部分利用可調光延遲線來調整其中一路信號的延時，進而控制兩路信號的同步傳輸。
光信號脈沖序列與光密鑰脈沖序列的每一個比特位數據同步進入全光異或門，經全光異或門處理，產生兩信號的異或邏輯光輸出。
以下提出兩種不同情況下的實施例
實施例I :當光信號脈沖序列波長與光密鑰脈沖序列波長相同時
一、加密部分
如圖2所示,為加密部分的原理示意圖
I、產生單波長超高速光信號脈沖序列，記為光信號I。
方案I
(I)產生N個速率為&的低速率電信號；
(2)對N個速率為&的低速率電信號進行時分復用，產生速率為N*^的高速率電信號;
(3)將此高速率電信號作為控制信號輸入電光調制器，使其調制連續光信號的強度，電光調制器輸出的光信號即為速率為N*;!^的單波長超高速光信號脈沖序列。
方案2
(I)產生N個速率為的低速率電信號；
( 2 )將這N個低速率電信號作為控制信號分別輸入N個電光調制器，使其調制連續光信號的強度，輸出N個速率為&光信號脈沖序列；
(3)分別將這N個速率為&光信號脈沖序列輸入色散位移光纖(DCF)進行脈沖壓縮，產生N個速率為&的脈沖寬度減小的光信號脈沖序列；
(4)將經過脈沖壓縮的N個速率為&光信號脈沖序列進行延時耦合，產生速率為 N*f0的光信號脈沖序列。
2、產生超高速光密鑰脈沖序列，記為光密鑰I。
方案I (如圖3所示)
(I)利用密鑰流發生器產生N個速率為&的偽隨機序列；
(2)對N個速率為&的低速率偽隨機序列進行時分復用，產生速率為N*^的高速率偽隨機序列；
(3)將此高速率偽隨機序列作為控制信號輸入電光調制器，使其調制連續光信號的強度，電光調制器輸出的光信號即為速率為^ftl的超高速光偽隨機脈沖序列；
方案2 (如圖4所示)
(I)利用密鑰流發生器產生N個速率為&的偽隨機序列。
(2)將這N個低速率偽隨機序列作為控制信號分別輸入N個電光調制器，使其調制連續光信號的強度，輸出N個速率為&的光偽隨機脈沖序列。
(3)分別將這N個速率為&光偽隨機脈沖序列輸入色散位移光纖進行脈沖壓縮， 產生N個速率為&的脈沖寬度減小的光偽隨機脈沖序列。
(4)將經過脈沖壓縮的N個速率為&光偽隨機脈沖序列進行延時耦合，產生速率為的光偽隨機脈沖序列，此序列即為超高速光密鑰脈沖序列。
此處產生的光信號脈沖序列與光密鑰脈沖序列的脈沖峰值功率和碼型相同。
3、對光信號脈沖序列與光密鑰脈沖序列進行同步控制
為了使光信號脈沖序列與光密鑰脈沖序列同步進入全光異或門，需要預先對兩信號進行同步控制，實現方法如下
在傳輸光信號或者光密鑰脈沖序列的一路光纖中放置可調光延遲線，通過調節光延遲線長度，使得兩信號脈沖在時間軸上對準。
4、對光信號I與光密鑰I進行全光異或，產生光密文脈沖序列，記為光密文I。
方案I :基于SOA交叉增益調制效應(如圖5所示)
(I)將光信號I利用光纖分束器分為兩束信號，其中一束功率較大，另一束功率較小。對光密鑰I同上操作。
(2)將光信號I功率較小的一束正向輸入SOAl (半導體光放大器)中，將光密鑰I 功率較大的一束反向輸入S0A1，利用SOA交叉增益調制效應，使功率較大B信號消耗SOAl 中載流子，進而控制SOAl對正向輸入的光信號脈沖序列的增益。從而實現邏輯運算結果光信號輸出。
(3)將光密鑰I功率較小的一束正向輸入S0A2中，將光信號I功率較大的一束反向輸入S0A2，在S0A2中發生與SOAl相同的交叉增益調制效應，從而實現邏輯運算結果光信號輸出。
(4)將步驟4. 2，4. 3中輸出的邏輯運算結果與耦合，耦合輸出光信號即為A與B信號的異或邏輯結果。
方案2基于馬赫曾德爾干涉儀結構(如圖6所示)
(I)將一個光源發出的連續光信號利用光纖分束器分為功率相同的兩束光信號
(2)兩束連續光信號分別正向注入SOAl與S0A2中。
(3)將光信號I反向注入SOAl中，光密鑰I反向注入S0A2中。
(4)在SOAl中連續光信號會受到光信號I的交叉增益與交叉相位調制，從而發生相位與脈沖幅值改變，同理在S0A2中連續光信號也會受到信號B的交叉增益與交叉相位調制，發生相位與脈沖幅值改變。
(5)通過調整兩SOA注入電流，連續光功率，光密鑰I與光信號I光功率等參數使得經過交叉相位調制與交叉相位調制后兩連續光信號耦和發生干涉，干涉輸出光信號即為光密鑰I與光信號I的異或邏輯運算結果。
二、傳輸部分
如圖7所示為傳輸部分原理示意圖
加密得到的光密文I經公共信道傳輸，光密鑰I經安全信道傳輸以保證其在傳輸過程中不被竊聽。
三、解密部分
如圖8所示為解密部分原理示意圖
I、同步控制
在接收端接收到光密文I與光密鑰I之后，在其中一路信號的光纖鏈路上加入光延時線，通過調節延時長度使得兩信號脈沖在時間軸上對準。
2、利用全光異或門解密光密文脈沖序列，獲得原光信號脈沖序列
將脈沖同步的光密文脈沖序列與光密鑰脈沖序列輸入全光異或門中，異或的具體原理可見加密部分第4步。兩信號的異或即完成解密。
實施例2 :當光信號脈沖序列與光密鑰脈沖序列的波長不同
一、加密部分
步驟1-3的光信號脈沖序列的產生、光密鑰脈沖序列的產生、同步控制方法與實施例I中相同，在此省略。
4、對光信號I與光密鑰I進行全光異或，產生光密文脈沖序列，記為光密文I。
方案2基于馬赫曾德爾干涉儀結構I (如圖9所示)
這種情況是，光密鑰1，光信號I，連續光波長互不相同。
(I)將一個光源發出的連續光信號利用光纖分束器分為功率相同的兩束光信號
(2)光信號I與其中一束連續光信號耦合正向輸入SOAl中，光密鑰I與另一束連續光信號耦合正向輸入S0A2中。
(3)在SOAl中連續光信號會受到光信號I的交叉增益與交叉相位調制，從而發生相位與脈沖幅值改變，同理在S0A2中連續光信號也會受到信號B的交叉增益與交叉相位調制，發生相位與脈沖幅值改變。
(4)通過調整兩SOA注入電流，連續光功率，光密鑰I與光信號I光功率等參數使得經過交叉相位調制與交叉相位調制后兩連續光信號耦和發生干涉，在光耦合器后加入光濾波器過濾出連續光信號波長，此光信號即為光密鑰I與光信號I的異或邏輯運算結果。
方案2基于馬赫曾德爾干涉儀結構2
與實施例I中第4步，方案二相同。
方案3基于太赫茲光解復用器結構(如圖10所示)
這種情況是，光密鑰1，光信號I，連續光波長互不相同。
(I)將光密鑰I與光信號I與連續探測光同時由太赫茲光解復用器的三個輸入端口輸入。
(2)通過調整太赫茲光解復用器中非線性元件的相關參數來控制信號光對連續光的交叉相位調制與交叉增益調制。
(3)兩束分別經光密鑰I與光信號I調制的連續光信號，經過干涉輸出之后利用光濾波器過濾出連續光所在波長，此光信號便是光密鑰I與光信號I的異或邏輯運算結果。
方案4基于高非線性光纖克爾效應(如圖11所示)
這種情況是，光密鑰1，光信號I，連續光波長互不相同。
(I)利用偏振控制器(PC)使光密鑰I與光信號I偏振方向垂直，再選擇一束連續光，使其偏振方向沿光密鑰I與光信號I偏振方向的角平分線，與光密鑰I與光信號I的偏振方向互呈45度。
(2)同時將光密鑰1，光信號I，連續光輸入高非線性光纖中，在高非線性光纖的輸出端放置一個起偏器(polarizer),起偏器的偏振方向與輸入連續光的偏振方向垂直。
(3)光密鑰I列或光信號I在各個周期上光脈沖的有無會影響連續光光通過高非線性光纖后的偏振方向，在起偏器之后放置光濾波器濾除連續光所在波長，此光信號即為兩信號異或邏輯運算結果。
二、傳輸部分
如圖7所示為傳輸部分原理示意圖
加密得到的光密文I經公共信道傳輸，光密鑰I經安全信道傳輸以保證其在傳輸過程中不被竊聽。
三、解密部分
I、同步控制
在接收端接收到光密文I與光密鑰I之后，在其中一路信號的光纖鏈路上加入光延時線，通過調節延時長度使得兩信號脈沖在時間軸上對準。
2、利用全光異或門解密光密文脈沖序列，獲得原光信號脈沖序列
將脈沖同步的光密文脈沖序列與光密鑰脈沖序列輸入全光異或門中，異或的具體原理可見加密部分第4步。兩信號的異或即完成解密。
權利要求
1. 一種光纖通信系統中光數據信號加解密方法，其特征在于，包括以下步驟1]加密1.1]產生單波長超高速光信號脈沖序列；I. 2]產生超高速光密鑰脈沖序列；I. 3]對步驟I. I產生的單波長超高速光信號脈沖序列與步驟I. 2產生的超高速光密鑰脈沖序列進行同步控制；1.4]步驟I. 3同步完成后即對單波長超高速光信號脈沖序列與超高速光密鑰脈沖序列進行全光異或，產生光密文脈沖序列；2]傳輸將步驟I. 4加密得到的光密文脈沖序列直接通過公共信道進行傳輸，將經步驟I. 2所得的超高速光密鑰脈沖序列通過安全信道進行傳輸；3]解密3.I]接收端接收到光密文脈沖序列與光密鑰脈沖序列之后，在其中一路信號的光纖鏈路上加入光延時線，通過調節延時長度使得兩信號中的光脈沖在時間軸上同步；3.2]利用全光異或門解密光密文脈沖序列，獲得原光信號脈沖序列將脈沖同步的光密文脈沖序列與光密鑰脈沖序列輸入全光異或門中，兩信號通過異或運算完成解密。
2.根據權利要求I所述的光纖通信系統中光數據信號加解密方法，其特征在于，所述步驟I. I產生單波長超高速光信號脈沖序列具體是I. I. I]產生N個速率為&的低速率電信號；I. I. 2]對N個速率為A的低速率電信號進行時分復用，產生速率為^ftl的高速率電信號;I. I. 3]將步驟I. I. 2所述的的高速率電信號作為控制信號輸入電光調制器，使其調制連續光信號的強度，電光調制器輸出的光信號即為速率為^ftl的單波長超高速光信號脈沖序列。
3.根據權利要求I所述的光纖通信系統中光數據信號加解密方法，其特征在于，所述步驟I. I產生單波長超高速光信號脈沖序列具體是I. I. I]產生N個速率為&的低速率電信號；I. I. 2]將步驟I. I. I所得的N個低速率電信號作為控制信號分別輸入N個電光調制器，使其調制連續光信號的強度，輸出N個速率為&光信號脈沖序列；I. I. 3]分別將這N個速率為L光信號脈沖序列輸入色散位移光纖(DCF)進行脈沖壓縮，產生N個速率為&的脈沖寬度減小的光信號脈沖序列；I. 1.4]將經過脈沖壓縮的N個速率為&光信號脈沖序列進行延時耦合，產生速率為N*f0的光信號脈沖序列。
4.根據權利要求I至3任一所述的光纖通信系統中光數據信號加解密方法，其特征在于，所述步驟I. 2產生超高速光密鑰脈沖序列具體是I. 2. I]利用密鑰流發生器產生N個速率為&的偽隨機序列；I.2. 2]對N個速率為A的低速率偽隨機序列進行時分復用，產生速率為N*^的高速率偽隨機序列；I.2. 3]將此高速率偽隨機序列作為控制信號輸入電光調制器，使其調制連續光信號的強度，電光調制器輸出的光信號即為速率為^fcl的超高速光偽隨機脈沖序列。
5.根據權利要求I至3任一所述的光纖通信系統中光數據信號加解密方法，其特征在于，所述步驟I. 2產生超高速光密鑰脈沖序列具體是 I. 2. I]利用密鑰流發生器產生N個速率為&的偽隨機序列； I. 2. 2]將這N個低速率偽隨機序列作為控制信號分別輸入N個電光調制器，使其調制連續光信號的強度，輸出N個速率為&光偽隨機脈沖序列； I.2. 3]分別將這N個速率為&的光偽隨機脈沖序列輸入色散位移光纖(DCF)進行脈沖壓縮，產生N個速率為&的脈沖寬度減小的光偽隨機脈沖序列； I.2. 4]將經過脈沖壓縮的N個速率為&光偽隨機脈沖序列進行延時耦合，產生速率為^ftl的光偽隨機脈沖序列，此序列即為超高速光密鑰脈沖序列。
6.根據權利要求I所述的光纖通信系統中光數據信號加解密方法，其特征在于所述步驟1.1中，光信號脈沖序列來源于光纖通信系統中的單個波長，OOK調制的光信號。
7.根據權利要求I所述的光纖通信系統中光數據信號加解密方法，其特征在于所述步驟I. 4中，在進行全光異或前需要對光信號脈沖序列與光密鑰脈沖序列進行同步控制，所述同步控制具體是在其中一路光信號的光纖鏈路中放置光延遲線，通過調整光延時長度使得兩信號同步。
8.根據權利要求I所述的光纖通信系統中光數據信號加解密方法，其特征在于所述步驟I. 4中的全光異或具體是通過利用全光異或門，對光信號脈沖序列和光密鑰脈沖序列序列進行逐位異或，異或運算結果即為對光信號脈沖序列的加密結果。
9.根據權利要求I所述的光纖通信系統中光數據信號加解密方法，其特征在于所述加密速率與光通信中單個波長信號傳輸速率相一致。
全文摘要
本發明提供一種光纖通信系統中光數據信號加解密方法，主要解決了現有加密技術操作復雜，耗時長，易失密，難以滿足光纖通信實時性要求的問題。該加解密方法基于流密碼體制，利用全光異或門對光信號脈沖序列進行加密，因為全光異或門不需要進行光電轉換，完全在光域內完成光信號的異或運算，所以其避免了電子瓶頸的限制，可以達到極高的響應速率，因此其能夠實現光纖通信實時加解密。另外，本發明與現有光纖波分復用系統技術體制兼容，能夠在不改變現有光纖波分復用系統的前提下直接應用，這也大大降低了本發明的推廣難度。
文檔編號H04B10/524GK102932142SQ20121037801
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月8日 優先權日2012年10月8日
發明者謝小平, 段杰, 趙衛, 段弢, 錢鳳臣, 胡輝, 汪偉, 馮歡 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所, 中國人民解放軍西安通信學院