光通信网物理层全光异及加解密技术

符安文

（成都埃克森尔科技有限公司，四川 成都 610041）

光纤通信网正朝着高速率、大容量的方向发展，此时全光通信网络逐步成型，以往基于光-电-光转换的常规信号处理模式在现阶段的技术背景中缺乏可行性，需要探寻并应用全新的技术。在此背景下，全光信号处理技术应运而生，其为行业的发展提供了全新的思路。而在其细分技术范畴中，则又以全光逻辑异或门较为关键，是热议的对象，加强在此方面的探究极具现实意义。

1 全光异或加解密的基本原理

异或运算具有可逆性，全光异或加解密的主要原理为：通过光密钥序列完成对光数据序列的加密操作，以形成特定的密文，后续可以利用该光密钥序列做解密处理，即恢复明文数据序列。关于具体的原理图，如图1所示。从组成的角度来看，存在2个光伪随机密钥产生器，该装置可以产生一致性较好的伪随机光密钥序列，实现对明文数据序列的一系列操作（即加密、解密），在此过程中光纤信道发挥出“载体作用”，可用于传输密文数据，保密信道则可以满足种子密钥的传递要求。

图1 全光异或加解密原理框图

2 全光异或加密的主要方案

全光异或加密的实现建立在介质的非线性效应的基础上，根据现有认知，其涵盖的类别较多，例如HNLF（高非线性光纤）、SOA（半导体光放大器）等，下文则对较为典型的集中全光异或加密方案展开分析，明确其在应用中的优缺点。

2.1 基于HNLF的全光异或加密方案

方案框图如图2所示。在图中，A、B两者的偏振方向保持垂直的位置关系，通过与C的偏振方向进行对比发现，两者均与之形成45°夹角。HNLF输出端的核心硬件为偏振检偏器。若A、B均为“0”，此条件下C无法得到调制，因此所具有的偏振方向维持原状，即全程均无任何程度的变化，输出为“0”；若A、B为“1、0”或“0、1”的组合方式，则此时各自的信号偏振方向均有所改变，与之相对应的折射率也随之变化，显现出较为明显的双折射效应，对应于C的偏振方向而言，其也会出现变化，即旋转，输出结果为“1”；除前述所提的情况外，还存在另一种情况，即A、B均为“1”，突出特点在于彼此间的双折射效应抵消，分析此时C的偏振方向可以得知，其与A、B两者均为“0”时一致，即偏振方向未发生变化，输出结果为“0”。需说明的是，信号A为数据光信号，信号B为密钥光信号，根据此基础条件以及前述所提的运行机制，可以完成异或加密运算操作。

图2 基于HNLF的全光异或加密方案框图

2.2 基于SOA-XGM的全光异或加密方案

方案框图如图3所示。对于SOA中的XGM，其产生主要与增益饱和效应有关。在经过放大操作后，光信号（A、B）将从特定的端口（SOA1、SOA2的右端）输入，此时可以执行增益调制操作，分别实现特定的功能。对于SOA1而言，可实现A、B非的与逻辑运算；对于SOA2，则为A非和B的与逻辑运算。经过特定流程的运算后，两路信号将发生“从分隔到汇合”的变化，即在1端口耦合相加，由此可以得到输出结果，即密钥B对数据A的异或加密结果。

图3 基于SOA-XGM的全光异或加密方案框图

在此加密方式中，不需要输入额外的光束，并且其对偏振的抵抗性较好（不存在过于敏感的情况，稳定可靠）；但也存在不足之处，即产生的加密运算结果难以达到预期，通常其消光比较低。

2.3 基于SOA-MZI的全光异或加密方案

方案框图，如图4所示。

图4 基于SOA-MZI的全光异或加密方案框图

在所示的图中，数据A和密钥B为重要的“参与者”，通过其调制作用，可以决定连续探测光C的运行特点，即在通过SOA1、SOA2时便会发生相位调制。为明确具体的发生机制，此处分情况考虑：若A、B的一路为“0”，另一路为“1”，则在经过调制后将出现π的相位差，在端口4处存在连续光的相长干涉情况，此时的输出结果为“1”；若A、B一致（即均为“0”或均为“1”），相位差为0，此时连续光将出现相消干涉，对应于端口4而言该处的输出结果则为“0”，可实现异或加密功能。

从实际应用效果来看，该加密方案的结构较为紧凑，与此同时整体稳定性较高。但也存在不足之处，即SOA的载流子恢复时间较长，通行需要100ps左右，在此条件下，会对信号处理速度带来限制作用，整体运行效率难以得到保证；与此同时，也存在难以获得较高输出消光比的局限性。

3 全光异或加解密仿真实验

为更为高效地展开分析，同时也为了保证分析结果的可靠性，此处引入OptiSystem软件，利用此工具建立加解密系统仿真模型，在此基础上，围绕RZ码数据光信号（20Gbit/s）做仿真实验。若驱动光电调制器的电信号分别是RZ电脉冲密钥序列和数据序列，经过调制后，可以生成特定的“产物”，即RZ码光密钥序列和光数据序列两部分。对于经过加密后产生的密文信号，其正确的波形旁均分布有一些多余的小峰，并且还存在输出消光比较低的问题，在出现此类情况后，会抑制光解密单元的高效运行，即难以快速且精准地完成对信号的判决检测操作，随之伴随而来的结果则是解密效果下降，部分情况下甚至无法正常解密。

考虑到该局限性，依托SPM效应设计出优化结构，将其布置在光加密单元后，作用在于对加密结果做优化处理，以解决前述所提的问题。该优化结构的独特之处在于可有效应用HNLF的高非线性特征，而此方面的特征则主要受到光纤非线性参数γ的影响，两者具有密切的关联。根据规律，提高γ值是增强非线性特征的关键途径，而若要增加γ值，则可以采取两种方法，一是增加非线性折射率系数，二是减小有效模场面积，此时的γ值均有所增加，从而彰显出较突出的非线性特征。

基于HN-LF的优化结构图，如图5所示。密文信号在端口1处被划分，即形成两条功率一致的支路，其各自分别有特定的流动路径，分别为经过π相位偏移器以及经过一段HNLF，若能够合理设定链路参数，那么在此条件下，该路密文信号则会发生SPM效应。

图5 基于HNLF的优化结构原理框图

生成的两路密文信号在端口2处存在干涉的情况，其产生两种不同的作用，但均有利于优化功能，即“1”码信号被增强、“0”码信号被抑制。假定数据序列为“011010111011011101011011”，伪随机密 钥 序 列 为“010010000001010101000001……”，在对其做加密操作后，会产生密文数据信号波形，其结果如图6所示，可以发现此时的二进制序列为“001000111010001000011010……”。通过对前述序列的对比分析可知，仿真结果与理论结果一致，说明能够顺利完成加密操作，但需注意的是，此时的消光比偏低，普遍约为10dB，仍需做进一步的技术优化。

图6 加密所得密文信号波形图

根据前述分析可知，需要做进一步的改进，以便提高消光比。对此，采取了优化措施，此时的密文信号波形图如图7所示。在得到优化处理后，原本消光比较低的问题得到改善，即此时的消光比可达到28dB。

图7 优化后的密文信号波形图

4 结束语

综上所述，本文着重围绕较常见的全光加密方案展开分析，体现在工作原理、应用特点等方面；做全光加解密仿真运算操作，结果存在局限之处，一是波形旁边有多余的小峰，二是输出消光比偏低，其会直接对解密效果带来影响，严重时出现无法顺利完成解密操作的情况。由此，依托于光纤SPM效应做进一步的优化，设计出优化结构，在其支持下实现对输出密文信号的深度处理，可有效消除多余的小峰，并保证了较高的输出消光比，整体加密性能得到大幅度的提升，综合应用效果较好。

而随着光通信业务量的日益增加，逐步凸显出全光加解密技术的重要性，其是光纤传输网安全防护中极为关键的技术，在应用该项技术后，可增强传输的安全性，并取得较高的传输效率。