关于当前光通讯保密体系中根据电信号处置的流暗码加解密技能的局限性，提出根据全光信号处置的加解密技能；对几种典型的全光异或加密计划进行了研讨，介绍了各自的作业原理、特点及研讨进展；运用OptiSystem 软件搭建了根据SOA-MZI(半导体光扩大器-马赫-曾德干与仪)异或门的全光加解密体系仿真模型，并根据HNLF(高非线性光纤)的自相位调制效应规划了一个优化布局对体系进行优化。研讨表明：全光加解密技能具有优秀的特性，能使整个光通讯保密体系运算速率更高，传输更安全。
导言
跟着通讯事务的快速增长，光纤通讯网正在向高速率、宽带宽和大容量的全光通讯网络开展，传统的根据光-电-光变换的信号处置方式已难以习惯这种趋势，而作为一种重要的全光信号处置技能，全光逻辑异或门遭到广泛关注，且根据各种不一样计划的全光异或门已多见报导。
现有的光通讯保密体系仍选用根据电信号处置的流暗码加解密技能，因为遭到电子“瓶颈”的约束，其加解密速率较低，试验室最高速率仅为2.5 Gbit/s。发作突发事件时，现有光通讯网络的事务量将可能成几十倍乃至上百倍的剧增，传统的根据电信号处置的加解密技能难以习惯超高速和超大容量的事务需求，也无法彻底兼容下一代全光通讯网络，而根据全光信号处置的加解密技能的速率能够超越100 Gbit/s。一起，现有的光纤通讯网在光域内对数据光信号没有采纳任何的安全处置，光纤信道只担任信号传送，行将比特光码从一个节点透明地传送到下一个节点。另外，我国光纤通讯网中的SDH(同步数字体系)和DWDM(密布波分复用)技能体制均来自于国外，其接口协议、功能参数和码流特性等均对外揭露，这关于光通讯网而言是一个丧命的缺点。
跟着光纤通讯网进犯与偷听技能的迅速开展，直接盗取光纤传输数据、光网络管理体系信息被修改和光网络节点设备被进犯的可能性已经变成实际，光网络随时面对安全要挟，无法确保数据信息的安全。因而，对根据全光信号处置的加解密技能的需求火烧眉毛。这篇文章选用全光信号处置的方法，提出根据全光异或门的加解密技能，对数据信号进行全光安全处置。
1、全光异或加解密原理
异或运算具有可逆性，即AB =C ，C B =A 。全光异或加解密的基本原理即是先用光密钥序列对光数据序列进行加密得到密文，然后再用一样的光密钥序列对密文序列进行解密恢复出原始的明文数据序列。图1 所示为全光异或加解密原理框图，图中两个光伪随机密钥发作器生成彻底一样的伪随机光密钥序列，全光异或门完成对明文数据序列的加密和解密运算，光纤信道完成对密文数据的传输功用，保密信道用于传递种子密钥。
2、全光异或加密计划的完成
全光异或加密计划的完成主要是运用介质的非线性效应，例如HNLF(高非线性光纤)、SOA (半导体光扩大器)等的非线性特性。根据这些非线性介质的异或加密计划主要有两种：一种是根据介质自身的非线性效应完成异或加密，另一种是根据非线性介质所辅佐的干与仪布局完成异或加密。
2.1 根据HNLF 克尔效应的全光异或加密计划
图2 所示为根据HNLF 克尔效应的全光异或加密计划框图[1]。在HNLF 输入端，操控信号光A、B 和接连勘探信号光C 一起写入HNLF，其间A、B 的偏振方向彼此垂直，且它们别离与C 的偏振方向成45°夹角。在HNLF 输出端设置一个方向与C 的初始偏振方向彼此垂直的偏振检偏器。若A和B 同为“0”，则C 得不到调制，其偏振方向坚持不变，通过检偏器后输出“0”；若A 和B 一个为“1”，另一个为“0”，则光纤的克尔效应将致使“1”码信号偏振方向与“0”码信号偏振方向的折射率区别，这种双折射效应使得C 的偏振方向发作旋转，通过检偏器后输出“1”；若A 和B 同为“1”，则由它们所致使的双折射效应彼此抵消，C 的偏振方向坚持不变，通过检偏器后输出“0”。指定信号A、B 别离代表数据光信号和密钥光信号，则上述操作就完成了对数据光信号的异或加密运算。
因为HNLF 具有超快的响应速度(飞秒量级)和极高的非线性效应，因而该加密计划的运算速率理论上能够到达100 Gbit/s 以上。文献[2]中选用高非线性氧化铋玻璃光纤，通过试验成功验证了根据光纤FWM(四波混频)效应的全光CDMA(码分多址)加解密体系。然而在该加密计划中，光纤的运用致使异或门体积相对较大，布局复杂，难以集成。
2.2 根据SOA-XGM 的全光异或加密计划
图3 所示为根据SOA-XGM(穿插增益调制)效应的异或加密计划框图。SOA 中的XGM 来自于它的增益饱满效应，两路波长一样的光信号A、B别离作为数据光信号和密钥光信号，通过扩大构成强泵浦光后别离从SOA1 和SOA2 的右端输入对它们进行增益调制，使得SOA1 完成A 和B 非的与逻辑运算功用，SOA2 完成A 非和B 的与逻辑运算功用。两路信号在1 端口耦合相加，输出即为密钥B 对数据A 的异或加密成果。
该加密计划无需输入额定的光束，且对偏振不灵敏，但因为XGM 效应致使的啁啾特性，该计划难以获得高消光比的加密运算成果。文献[3]中提出并验证了根据SOA-XGM 的异或门全光加解密体系，对10 Gbit/s 的数据信号进行了全光加解密运算，加解密输出消光比别离为7 和5.5 dB。
2.3 根据SOA-MZI 的全光异或加密计划
图4 所示为根据SOA-MZI(马赫-曾德干与仪)的全光异或加密计划布局示意图。
波长同为λS 的数据信号光A 和密钥信号光B别离输入到MZI 的端口1 和端口2，波长为λCW 的接连勘探光C 输入到端口3(X 型耦合器)。数据A和密钥B 别离调制上下两个SOA 的载流子浓度致使折射率的改变，这将致使接连勘探光C 通过上下两个SOA 时发作相位调制。当A 和B 一路为“0”，另一路为“1”时，不一样的相位调制发作π的相位差，接连光在端口4 发作相长干与，输出为“1”；当A 和B 都为“0”或许都为“1”时，相位差为0，接连光发作相消干与，端口4 输出为“0”，然后完成了密钥B 对数据A 的异或加密功用[4]。
该加密计划是当前布局最紧凑、功能最稳定的计划之一，已有多篇文献报导了这种全光异或加密计划。文献[5]中选用该加密计划对10 Gbit/s 的数据光信号进行了全光加解密运算，解密输出信号消光比约为11 dB。然而在该加密计划中，SOA 的载流子恢复时间较长(约100 ps)，约束了信号处置速度，且难以获得较高的输出消光比。
3、全光异或加解密仿真试验
全光异或加解密原理如图1 所示。这篇文章选用光通讯体系规划软件OptiSystem 搭建了根据SOAMZI全光异或门的加解密体系仿真模型，对速率为20 Gbit/s 的RZ(归零)码数据光信号进行了全光异或加解密仿真试验。试验中所用到的密钥序列和明文数据序列都是由接连波激光器通过马赫-曾德电光调制器得到的RZ 码光脉冲序列，当驱动电光调制器的电信号别离是速率为20 Gbit/s 的RZ 电脉冲密钥序列和数据序列时，经调制就发作了20 Gbit/s的RZ 码光密钥序列和光数据序列。
试验过程中发现，加密所得密文信号在正确的波形周围总会呈现剩余的小峰，输出消光对比低，不利于光解密单元对信号的判定检测，致使解密作用降低乃至无法解密。因而，这篇文章根据HNLF 的SPM(自相位调制)效应规划了一个优化布局置于光加密单元之后对加密成果进行优化，主要运用了HNLF 的高非线性特性，它取决于光纤的非线性参量γ 值[6]：γ= 2πn 2/(λA eff)，式中，n 2 为光纤的非线性折射率系数，λ 为光波波长，A eff 为光纤某个形式的有用模场面积。通过减小有用模场面积或许增大非线性折射率系数，可使光纤的非线性参量值γ 增大，然后完成高非线性特性。图5 所示为根据HNLF的优化布局原理框图。惯例的密文信号通过端口1 被分红功率持平的两路，一路通过一个π相位偏移器，另一路通过一段HNLF，合理设置链路参数，使得此路密文信号在HNLF中发作SPM效应。
两路密文信号在端口2 处发作干与，将高功率的“1”码信号进一步增强，将低功率的“0”码信号按捺，然后完成优化功用[7]。
设数据序列为“011010111011011101011011”，伪随机密钥序列为“010010000001010101000001……”，加密所得密文数据信号波形如图6 所示，其二进制序列为“001000111010001000011010……”，仿真成果与理论成果彻底一样，加密成功，可是消光对比低，仅为10 dB 左右。设定优化计划中的HNLF长度为50 m，非线性折射率为6.0×10-20 m2/W，有用模场面积为1 μm2 。图7 所示为优化后的密文信号波形图，消光比达28 dB。
为了更好地对比优化前后的体系功能，在仿真链路中设置了眼图仪。图8 所示为优化前的密文数据信号眼图，图9所示为优化后的密文数据信号眼图。可见通过优化，密文信号的眼图质量变得更好了，去除了剩余的小峰，提高了加密输出消光比。
4、结束语
这篇文章论说了几种典型的全光加密计划，介绍了它们各自的作业原理、特点及研讨进展，通过Opti-System 软件对20 Gbit/s 的RZ 码数据光信号进行了全光加解密仿真运算，发现所得密文信号在正确的波形周围总会呈现剩余的小峰，输出消光对比低，致使解密作用降低乃至无法解密。因而，根据光纤SPM 效应规划了一个优化布局对输出密文信号进行再次处置，极好地克服了上述问题，去除了剩余的小峰，提高了输出消光比，优化了加解密功能。当前，根据全光信号处置的加解密技能尚处于理论研讨和仿真试验期间，还没用实用化。跟着光通讯事务量的剧增和光纤传输网进犯与偷听技能的迅速开展，全光加解密技能必将变成光纤传输网的一种牢靠保证，使整个光通讯保密体系的运算速率更高，传输更安全。
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