光通信網(wǎng)物理層全光異及加解密技術(shù)

符安文

（成都?？松瓲柨萍加邢薰?，四川 成都 610041）

光纖通信網(wǎng)正朝著高速率、大容量的方向發(fā)展，此時全光通信網(wǎng)絡(luò)逐步成型，以往基于光-電-光轉(zhuǎn)換的常規(guī)信號處理模式在現(xiàn)階段的技術(shù)背景中缺乏可行性，需要探尋并應(yīng)用全新的技術(shù)。在此背景下，全光信號處理技術(shù)應(yīng)運而生，其為行業(yè)的發(fā)展提供了全新的思路。而在其細(xì)分技術(shù)范疇中，則又以全光邏輯異或門較為關(guān)鍵，是熱議的對象，加強在此方面的探究極具現(xiàn)實意義。

1 全光異或加解密的基本原理

異或運算具有可逆性，全光異或加解密的主要原理為：通過光密鑰序列完成對光數(shù)據(jù)序列的加密操作，以形成特定的密文，后續(xù)可以利用該光密鑰序列做解密處理，即恢復(fù)明文數(shù)據(jù)序列。關(guān)于具體的原理圖，如圖1所示。從組成的角度來看，存在2個光偽隨機密鑰產(chǎn)生器，該裝置可以產(chǎn)生一致性較好的偽隨機光密鑰序列，實現(xiàn)對明文數(shù)據(jù)序列的一系列操作（即加密、解密），在此過程中光纖信道發(fā)揮出“載體作用”，可用于傳輸密文數(shù)據(jù)，保密信道則可以滿足種子密鑰的傳遞要求。

圖1 全光異或加解密原理框圖

2 全光異或加密的主要方案

全光異或加密的實現(xiàn)建立在介質(zhì)的非線性效應(yīng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)有認(rèn)知，其涵蓋的類別較多，例如HNLF（高非線性光纖）、SOA（半導(dǎo)體光放大器）等，下文則對較為典型的集中全光異或加密方案展開分析，明確其在應(yīng)用中的優(yōu)缺點。

2.1 基于HNLF的全光異或加密方案

方案框圖如圖2所示。在圖中，A、B兩者的偏振方向保持垂直的位置關(guān)系，通過與C的偏振方向進行對比發(fā)現(xiàn)，兩者均與之形成45°夾角。HNLF輸出端的核心硬件為偏振檢偏器。若A、B均為“0”，此條件下C無法得到調(diào)制，因此所具有的偏振方向維持原狀，即全程均無任何程度的變化，輸出為“0”；若A、B為“1、0”或“0、1”的組合方式，則此時各自的信號偏振方向均有所改變，與之相對應(yīng)的折射率也隨之變化，顯現(xiàn)出較為明顯的雙折射效應(yīng)，對應(yīng)于C的偏振方向而言，其也會出現(xiàn)變化，即旋轉(zhuǎn)，輸出結(jié)果為“1”；除前述所提的情況外，還存在另一種情況，即A、B均為“1”，突出特點在于彼此間的雙折射效應(yīng)抵消，分析此時C的偏振方向可以得知，其與A、B兩者均為“0”時一致，即偏振方向未發(fā)生變化，輸出結(jié)果為“0”。需說明的是，信號A為數(shù)據(jù)光信號，信號B為密鑰光信號，根據(jù)此基礎(chǔ)條件以及前述所提的運行機制，可以完成異或加密運算操作。

圖2 基于HNLF的全光異或加密方案框圖

2.2 基于SOA-XGM的全光異或加密方案

方案框圖如圖3所示。對于SOA中的XGM，其產(chǎn)生主要與增益飽和效應(yīng)有關(guān)。在經(jīng)過放大操作后，光信號（A、B）將從特定的端口（SOA1、SOA2的右端）輸入，此時可以執(zhí)行增益調(diào)制操作，分別實現(xiàn)特定的功能。對于SOA1而言，可實現(xiàn)A、B非的與邏輯運算；對于SOA2，則為A非和B的與邏輯運算。經(jīng)過特定流程的運算后，兩路信號將發(fā)生“從分隔到匯合”的變化，即在1端口耦合相加，由此可以得到輸出結(jié)果，即密鑰B對數(shù)據(jù)A的異或加密結(jié)果。

圖3 基于SOA-XGM的全光異或加密方案框圖

在此加密方式中，不需要輸入額外的光束，并且其對偏振的抵抗性較好（不存在過于敏感的情況，穩(wěn)定可靠）；但也存在不足之處，即產(chǎn)生的加密運算結(jié)果難以達(dá)到預(yù)期，通常其消光比較低。

2.3 基于SOA-MZI的全光異或加密方案

方案框圖，如圖4所示。

圖4 基于SOA-MZI的全光異或加密方案框圖

在所示的圖中，數(shù)據(jù)A和密鑰B為重要的“參與者”，通過其調(diào)制作用，可以決定連續(xù)探測光C的運行特點，即在通過SOA1、SOA2時便會發(fā)生相位調(diào)制。為明確具體的發(fā)生機制，此處分情況考慮：若A、B的一路為“0”，另一路為“1”，則在經(jīng)過調(diào)制后將出現(xiàn)π的相位差，在端口4處存在連續(xù)光的相長干涉情況，此時的輸出結(jié)果為“1”；若A、B一致（即均為“0”或均為“1”），相位差為0，此時連續(xù)光將出現(xiàn)相消干涉，對應(yīng)于端口4而言該處的輸出結(jié)果則為“0”，可實現(xiàn)異或加密功能。

從實際應(yīng)用效果來看，該加密方案的結(jié)構(gòu)較為緊湊，與此同時整體穩(wěn)定性較高。但也存在不足之處，即SOA的載流子恢復(fù)時間較長，通行需要100ps左右，在此條件下，會對信號處理速度帶來限制作用，整體運行效率難以得到保證；與此同時，也存在難以獲得較高輸出消光比的局限性。

3 全光異或加解密仿真實驗

為更為高效地展開分析，同時也為了保證分析結(jié)果的可靠性，此處引入OptiSystem軟件，利用此工具建立加解密系統(tǒng)仿真模型，在此基礎(chǔ)上，圍繞RZ碼數(shù)據(jù)光信號（20Gbit/s）做仿真實驗。若驅(qū)動光電調(diào)制器的電信號分別是RZ電脈沖密鑰序列和數(shù)據(jù)序列，經(jīng)過調(diào)制后，可以生成特定的“產(chǎn)物”，即RZ碼光密鑰序列和光數(shù)據(jù)序列兩部分。對于經(jīng)過加密后產(chǎn)生的密文信號，其正確的波形旁均分布有一些多余的小峰，并且還存在輸出消光比較低的問題，在出現(xiàn)此類情況后，會抑制光解密單元的高效運行，即難以快速且精準(zhǔn)地完成對信號的判決檢測操作，隨之伴隨而來的結(jié)果則是解密效果下降，部分情況下甚至無法正常解密。

考慮到該局限性，依托SPM效應(yīng)設(shè)計出優(yōu)化結(jié)構(gòu)，將其布置在光加密單元后，作用在于對加密結(jié)果做優(yōu)化處理，以解決前述所提的問題。該優(yōu)化結(jié)構(gòu)的獨特之處在于可有效應(yīng)用HNLF的高非線性特征，而此方面的特征則主要受到光纖非線性參數(shù)γ的影響，兩者具有密切的關(guān)聯(lián)。根據(jù)規(guī)律，提高γ值是增強非線性特征的關(guān)鍵途徑，而若要增加γ值，則可以采取兩種方法，一是增加非線性折射率系數(shù)，二是減小有效模場面積，此時的γ值均有所增加，從而彰顯出較突出的非線性特征。

基于HN-LF的優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖，如圖5所示。密文信號在端口1處被劃分，即形成兩條功率一致的支路，其各自分別有特定的流動路徑，分別為經(jīng)過π相位偏移器以及經(jīng)過一段HNLF，若能夠合理設(shè)定鏈路參數(shù)，那么在此條件下，該路密文信號則會發(fā)生SPM效應(yīng)。

圖5 基于HNLF的優(yōu)化結(jié)構(gòu)原理框圖

生成的兩路密文信號在端口2處存在干涉的情況，其產(chǎn)生兩種不同的作用，但均有利于優(yōu)化功能，即“1”碼信號被增強、“0”碼信號被抑制。假定數(shù)據(jù)序列為“011010111011011101011011”，偽隨機密 鑰 序 列 為“010010000001010101000001……”，在對其做加密操作后，會產(chǎn)生密文數(shù)據(jù)信號波形，其結(jié)果如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)此時的二進制序列為“001000111010001000011010……”。通過對前述序列的對比分析可知，仿真結(jié)果與理論結(jié)果一致，說明能夠順利完成加密操作，但需注意的是，此時的消光比偏低，普遍約為10dB，仍需做進一步的技術(shù)優(yōu)化。

圖6 加密所得密文信號波形圖

根據(jù)前述分析可知，需要做進一步的改進，以便提高消光比。對此，采取了優(yōu)化措施，此時的密文信號波形圖如圖7所示。在得到優(yōu)化處理后，原本消光比較低的問題得到改善，即此時的消光比可達(dá)到28dB。

圖7 優(yōu)化后的密文信號波形圖

4 結(jié)束語

綜上所述，本文著重圍繞較常見的全光加密方案展開分析，體現(xiàn)在工作原理、應(yīng)用特點等方面；做全光加解密仿真運算操作，結(jié)果存在局限之處，一是波形旁邊有多余的小峰，二是輸出消光比偏低，其會直接對解密效果帶來影響，嚴(yán)重時出現(xiàn)無法順利完成解密操作的情況。由此，依托于光纖SPM效應(yīng)做進一步的優(yōu)化，設(shè)計出優(yōu)化結(jié)構(gòu)，在其支持下實現(xiàn)對輸出密文信號的深度處理，可有效消除多余的小峰，并保證了較高的輸出消光比，整體加密性能得到大幅度的提升，綜合應(yīng)用效果較好。

而隨著光通信業(yè)務(wù)量的日益增加，逐步凸顯出全光加解密技術(shù)的重要性，其是光纖傳輸網(wǎng)安全防護中極為關(guān)鍵的技術(shù)，在應(yīng)用該項技術(shù)后，可增強傳輸?shù)陌踩裕⑷〉幂^高的傳輸效率。