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2.3 基于SOA-MZI 的全光异或加密方案
图4 所示为基于SOA-MZI(马赫-曾德干涉仪)的全光异或加密方案结构示意图。
波长同为λS 的数据信号光A 和密钥信号光B分别输入到MZI 的端口1 和端口2,波长为λCW 的连续探测光C 输入到端口3(X 型耦合器)。数据A和密钥B 分别调制上下两个SOA 的载流子浓度引起折射率的变化,这将导致连续探测光C 通过上下两个SOA 时产生相位调制。当A 和B 一路为“0”,另一路为“1”时,不同的相位调制产生π的相位差,连续光在端口4 发生相长干涉,输出为“1”;当A 和B 都为“0”或者都为“1”时,相位差为0,连续光发生相消干涉,端口4 输出为“0”,从而实现了密钥B 对数据A 的异或加密功能[4]。
该加密方案是目前结构最紧凑、性能最稳定的方案之一,已有多篇文献报道了这种全光异或加密方案。文献[5]中采用该加密方案对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。然而在该加密方案中,SOA 的载流子恢复时间较长(约100 ps),限制了信号处理速度,且难以获得较高的输出消光比。
3 全光异或加解密仿真实验
全光异或加解密原理如图1 所示。本文采用光通信系统设计软件OptiSystem 搭建了基于SOAMZI全光异或门的加解密系统仿真模型,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实验。实验中所用到的密钥序列和明文数据序列都是由连续波激光器经过马赫-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分别是速率为20 Gbit/s 的RZ 电脉冲密钥序列和数据序列时,经调制就产生了20 Gbit/s的RZ 码光密钥序列和光数据序列。
实验过程中发现,加密所得密文信号在正确的波形旁边总会出现多余的小峰,输出消光比较低,不利于光解密单元对信号的判决检测,导致解密效果下降甚至无法解密。因此,本文基于HNLF 的SPM(自相位调制)效应设计了一个优化结构置于光加密单元之后对加密结果进行优化,主要利用了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 为光纤某个模式的有效模场面积。通过减小有效模场面积或者增大非线性折射率系数,可使光纤的非线性参量值γ 增大,从而实现高非线性特性。图5 所示为基于HNLF的优化结构原理框图。常规的密文信号经过端口1 被分成功率相等的两路,一路经过一个π相位偏移器,另一路经过一段HNLF,合理设置链路参数,使得此路密文信号在HNLF中发生SPM效应。
两路密文信号在端口2 处发生干涉,将高功率的“1”码信号进一步增强,将低功率的“0”码信号抑制,从而实现优化功能[7]。
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