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2 全光异或加密方案的实现
全光异或加密方案的实现主要是利用介质的非线性效应,例如HNLF(高非线性光纤)、SOA (半导体光放大器)等的非线性特性。基于这些非线性介质的异或加密方案主要有两种:一种是基于介质本身的非线性效应实现异或加密,另一种是基于非线性介质所辅助的干涉仪结构实现异或加密。
2.1 基于HNLF 克尔效应的全光异或加密方案
图2 所示为基于HNLF 克尔效应的全光异或加密方案框图[1]。在HNLF 输入端,控制信号光A、B 和连续探测信号光C 同时注入HNLF,其中A、B 的偏振方向相互垂直,且它们分别与C 的偏振方向成45°夹角。在HNLF 输出端设置一个方向与C 的初始偏振方向相互垂直的偏振检偏器。若A和B 同为“0”,则C 得不到调制,其偏振方向保持不变,经过检偏器后输出“0”;若A 和B 一个为“1”,另一个为“0”,则光纤的克尔效应将导致“1”码信号偏振方向与“0”码信号偏振方向的折射率差异,这种双折射效应使得C 的偏振方向发生旋转,经过检偏器后输出“1”;若A 和B 同为“1”,则由它们所引起的双折射效应相互抵消,C 的偏振方向保持不变,经过检偏器后输出“0”。指定信号A、B 分别代表数据光信号和密钥光信号,则上述操作就实现了对数据光信号的异或加密运算。
由于HNLF 具有超快的响应速度(飞秒量级)和极高的非线性效应,因此该加密方案的运算速率理论上可以达到100 Gbit/s 以上。文献[2]中采用高非线性氧化铋玻璃光纤,通过实验成功验证了基于光纤FWM(四波混频)效应的全光CDMA(码分多址)加解密系统。然而在该加密方案中,光纤的使用导致异或门体积相对较大,结构复杂,难以集成。
2.2 基于SOA-XGM 的全光异或加密方案
图3 所示为基于SOA-XGM(交叉增益调制)效应的异或加密方案框图。SOA 中的XGM 来自于它的增益饱和效应,两路波长相同的光信号A、B分别作为数据光信号和密钥光信号,经过放大形成强泵浦光后分别从SOA1 和SOA2 的右端输入对它们进行增益调制,使得SOA1 实现A 和B 非的与逻辑运算功能,SOA2 实现A 非和B 的与逻辑运算功能。两路信号在1 端口耦合相加,输出即为密钥B 对数据A 的异或加密结果。
该加密方案无需输入额外的光束,且对偏振不敏感,但由于XGM 效应引起的啁啾特性,该方案难以获得高消光比的加密运算结果。文献[3]中提出并验证了基于SOA-XGM 的异或门全光加解密系统,对10 Gbit/s 的数据信号进行了全光加解密运算,加解密输出消光比分别为7 和5.5 dB。
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