由于目前的全光加密方案基于光學(xué)非線性效應(yīng)，因此僅適用于單波長光信號的加密操作。為了解決全光加密方案無法對多波長信號同時進行加密的問題，提出了一種多波長信號異或加密系統(tǒng)方案。該方案基于鈮酸鋰光波導(dǎo)泡克耳斯效應(yīng)，利用外加電場對鈮酸鋰光波導(dǎo)中光信號產(chǎn)生調(diào)制相移，并通過多波長相干光明文與光密鑰的干涉實現(xiàn)異或加密。

一、多波長信號異或加密系統(tǒng)方案原理

當(dāng)調(diào)制電壓u(t)施加于圖1所示的鈮酸鋰光波導(dǎo)時，由于泡克耳斯效應(yīng)(Pockels effect)，電場會改變鈮酸鋰光波導(dǎo)折射率，從而對通過其中的光信號產(chǎn)生相位調(diào)制，因為波導(dǎo)層很薄，可以近似認為調(diào)制電場u(t)≈u(t)πD'，式中D’為電極間距。對于TE偏振，這一電場產(chǎn)生的波導(dǎo)折射率改變量為：

式中，ne為非尋常系數(shù)，γ33為鈮酸鋰晶體的最大電光學(xué)常量，Ey為外加電場，因此，波導(dǎo)對輸入光信號的調(diào)制相位為：

式中，L為電場對光波導(dǎo)的作用長度．定義△φ=π時所需的調(diào)制電壓為Vπ，所以由式(2)可得：

對于不同波長光信號，根據(jù)鈮酸鋰晶體的ne。隨溫度與入射光波長間關(guān)系的Sellmeier公式，在溫度為20～250℃，波長在0.4～5μm的范圍內(nèi)可得：

式中f為溫度，其與攝氏溫度T的關(guān)系為f=(T-24.5)(T+570. 82)。這里選擇T為25℃，令g(λ)=λ/ne3，那么式(3)可簡化為：

λ在1530～1570 nm范圍內(nèi)時，g(λ)函數(shù)曲線如圖2所示。

從圖2可以看出當(dāng)波長在1 530～1 570 nm范圍內(nèi)不斷增大時，g(λ)也不斷增大，由式(5)可知，在1 530～1 570 nm范圍內(nèi)，隨著光波長的增大，調(diào)制相位兀所需的半波電壓也在不斷增大，假設(shè)當(dāng)入射光波長為1530 nm時，鈮酸鋰光波導(dǎo)對應(yīng)的半波電壓為Vd，根據(jù)式(5)可得g(1570 nm) =1.027g(1530 nm)，因此當(dāng)入射光波長為1570 nm時，鈮酸鋰光波導(dǎo)的半波電壓為1.027Vπ1。那么當(dāng)輸入光波長在1530～1570 nm之間時，在電場VVπ1，作用下的入射光被調(diào)制相位在π/1.027到π之間，因此，當(dāng)外加電壓為1530 nm的半波電壓，輸入光波長在1530～1570 nm范圍內(nèi)變化，波長的不同對其被調(diào)制相位的影響很小。

如圖3所示，當(dāng)單波長光場Ein(t)輸入在基于鈮酸鋰光波導(dǎo)MZI中被分為兩路，分別被外加電場u1(t)與u2(t)調(diào)制相位，圖3所示輸入輸出光場的關(guān)系為：

式中φ1(t)，φ2(t)分別為u1(t)與u2(t)對通過光波導(dǎo)光場的調(diào)制相位，令：

當(dāng)u1(t)=-u2(t) =u(t)/2，Vπ1=Vπ2 =Vπ時，有φ1(t)=-φ2(t)，由式(6)可得：

圖4所示結(jié)構(gòu)可以分為兩部分：信號調(diào)制部分(Signals modulating section)與全光異或部分(XOR logic gate)，其中信號調(diào)制部分(Signalsmodulating section)用于將電信號“u1(t)與uQ(t)調(diào)制為相干的光明文Eout1(t)與光密鑰Eout2(t)；而全光異或部分用于對Eout1與Eout2(t)進行全光異或操作，輸出Eout1(t)即為對光明文的異或加密結(jié)果。

其具體原理如下，根據(jù)式(8)可得：

在圖4所示的全光異或(XOR logic gate)部分令UPM(t)為光波導(dǎo)的半波電壓，將式(8)帶入式(6)，得：

由式(11)可得，當(dāng)u1(t)與uq(t)同時為1碼或0碼時，u1(t)=uq(t)，則Eout(t)為O，輸出記為0碼；當(dāng)u1(t)與uq(t)僅有一個為1碼時，u1(t)≠uq(t)，Eout(t)不為0，輸出記為1碼。因此，圖4所示結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了對光明文Eout(t)的異或加密操作，如果將兩個圖4所示結(jié)構(gòu)進行并聯(lián)，并同時輸入兩個波長的連續(xù)光Ein1(t)，Ein2(t)，如圖5所示，在信號源部分(Dual-wave signals source)，波長為λ1與λ2的連續(xù)光Ein1(t)，Ein2(t)分別被調(diào)制為光明文1(Pi1)、光密鑰1(Ki1)與光明文2(Pi2)、光密鑰2(Ki2)。在全光異或門部分，將Ki1與Ki2耦合后利用外加電場UPM（t）=Vπ對兩信號進行π相移，從以上分析可知，當(dāng)λ1與λ2在1 530～1 570 nm范圍內(nèi)，可以近似認為1 530～1 570 nm內(nèi)任意波長對應(yīng)的半波電壓大小的UPM（t對Ki1與Ki2產(chǎn)生的相移均為π，經(jīng)相移后的Ki1、Ki2與Pi1、Pi2在λ點耦合，波長為λ1的Pi1、Ki1與波長為λ2的Pi2、Ki2耦合輸出滿足式(11)。因此Eout(t)即為波長為λ1的Pi1與Ki1的異或結(jié)果與波長為λ2的Pi2與Ki2的異或結(jié)果的復(fù)用信號。同理，在圖5所示結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ) 上，通過并聯(lián)更多圖5中紅色或藍色光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)即可實現(xiàn)更多波長光明文的調(diào)制與異或加密操作。

二、多波長信號異或加密系統(tǒng)仿真實現(xiàn)

為了驗證該方案對8波長信號同時進行加密的可行性與有效性，在圖5所示雙波長加密方案的基礎(chǔ)上，通過并聯(lián)增加圖3所示基于鈮酸鋰光波導(dǎo)MZI數(shù)量，實現(xiàn)8個不同波長信號的調(diào)制與異或加密操作，如圖6所示，左上角方框1內(nèi)為光信號Pi1與光密鑰Ki1的信號源結(jié)構(gòu)，利用圖3所示結(jié)構(gòu)的MZMi和MZM2對CWlaserl發(fā)出平均功率為3dBm，波長為1545nm的連續(xù)光進行調(diào)制，其中MZM1與MZM2中四個臂光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與半波電壓相同，參考安利(Anritsu)公司的MP1800A型誤碼儀直接能夠輸出的電信號，令Uki1(t)與Upi1(t)為速率為10Gbps，上升沿與下降沿均為10ps的NRZ碼電信號，并且當(dāng)Uki1(t)與UPi1(t)碼字同時為1或0時，信號電壓相同．根據(jù)圖5結(jié)構(gòu)原理可知，Uki1(t)與upi1(t)分別調(diào)制MZM1與MZM2得到了光信號Ki1與Pi1(即圖5中的Eout1(t)與Eout2(t))，參考富士通公司的FTM7962EP型鈮酸鋰調(diào)制器，令PM在溫度為25度，波長為1 545 nm處的半波電壓為14 V，通過給PM施加14 V的直流電壓，來使其對通過其中Kii產(chǎn)生π相移。同理，在標(biāo)號為2到8方框內(nèi)產(chǎn)生另外7組速率與碼型均與Pi1、Ki1相同的光信號與光密鑰，它們的波長按順序分別為1545.8nm，1546.6nm，1547.4 nm，1548.2nm，1549 nm，1549.8nm，1550.6 nm。將Ki1至Ki8利用coupler2耦合為一路信號，該耦合信號經(jīng)過PM后，根據(jù)上文分析可知，由于各信號波長均在1530～1570 nm范圍內(nèi)，因此可認為Ki1至Ki8均發(fā)生了π相移。 Pi1至Pi8耦合信號與π相移后的Ki1至Ki8耦合信號在coupler3中相遇，各個相同波長的光信號與光密鑰發(fā)生干涉，coupler3輸出即為8個波長的加密復(fù)用信號。加密后得到的復(fù)用信號通過波分解復(fù)用器(WDM Demux)分離出8個波長的加密信號，其中WDM Demux的8個通道中心波長與信號波長相同，濾波器為0.4 nm的高斯型濾波器。利用示波器觀察各個波長加密信號波形，另外通過將某一波長加密信號與光信號與光密鑰通過異或邏輯器件完成直接異或結(jié)果相對比，得到加密信號的誤碼率與Q因子。

圖7中橫坐標(biāo)為時間，單位為200 ps/div；縱坐標(biāo)為功率，單位為4 mW/div.對比各波長光信號，光密鑰與加密信號波形可以得到，當(dāng)光信號和光密鑰同時為1或0時，沒有加密信號脈沖波形；當(dāng)光信號與光密鑰僅有一個為1時，有加密信號脈沖波形，并且加密輸出波形與輸入光信號波形基本相同，由此可得，利用該方案，能夠同時完成8個波長，速率為10 Gbps的光信號的異或加密操作，并且加密過程產(chǎn)生的信號波形失真很小。

以波長1545 nm信號為例，根據(jù)其眼圖說明加密輸出信號質(zhì)量，利用仿真軟件的眼圖分析功能，如圖8所示，將加密輸出信號經(jīng)光電探測器后與Pi1與Kii的直接異或運算結(jié)果進行對比，得到其誤碼率為4.19×l0-86，Q因子為21.52，而對于波長為1 550.6 nm的輸入信號，根據(jù)式(5)可得，波長為1545 nm輸入信號大小為2.8 V的半波電壓對1 550.6 nm輸入信號產(chǎn)生的相移為179. 320，仿真得到其加密輸出信號誤碼率為4. 30×1O-86，Q因子為21. 51.可以看出8個信號波長在5.6 nm范圍內(nèi)時，利用該方案得到的加密輸出信號的誤碼率與Q因子差別很小。

三、多波長信號異或加密系統(tǒng)性能分析

為了研究該方案在輸入信號波長范圍較大時的異或加密輸出誤碼率，下面以溫度為25°，光波導(dǎo)在1545nm時的半波電壓為14V，并且使圖6所示UPM大小為14 V，相比以上仿真，僅改變輸入信號的波長間隔大小，通過加密輸出Q因子找出該方案對輸入信號波長范圍的要求．并討論多波長輸入信號波長范圍多大時，該加密方案能夠改善輸入信號消光比。

從圖9可以看出，當(dāng)UPM為1545nm時的半波電壓時，隨著輸入信號波長與1545 nm差值的增大，加密輸出信號的Q因子就越來越小。當(dāng)輸入信號波長小于1370 nm時，加密輸出Q因子小于6.5，誤碼率大于1.5×10-5；而當(dāng)輸入信號波長大于1 780 nm時，加密輸出Q因子小于6.2，誤碼率 大于3.5×l0-5，已經(jīng)失去了通信的意義。

另外在仿真中發(fā)現(xiàn)，對于波長為1545 nm的輸入信號，其加密輸出信號消光比得到了明顯的改善，對比圖10與圖11可以看出，輸入信號Pi1的消光比為20dB左右，而加密輸出信號的消光比卻幾乎達到100 dB，其原因如下，如圖6所示，當(dāng)Pi1與Ki1在coupler3相遇并發(fā)生干涉時，干涉輸出光強滿足：

式中IPi為Pi1的光強，IKi1為Ki1的光強，△φ為兩信號相位差，Iout為干涉輸出光強，由于Ki1經(jīng)π相移，因此△φ=π，將△φ=π帶入式11并分解因式可得：

由式(12)可知，當(dāng)Pi1與Ki1的光強越接近時，干涉輸出光強越接近0。因此，當(dāng)Pi1與Ki1同時為0碼或1碼時，由于兩信號光強相等，所以干涉輸出光強幾乎為0。當(dāng)Pi1與Ki1只有一個為1碼時，由于1碼與0碼功率相差20dB，所以干涉使得1碼光強減弱可以忽略不計，而根據(jù)消光比的計算公式ER=U1/UO（U1，uo分別為1碼和0碼的平均光功率）可知，這種干涉相消改善了異或輸出信號的消光比。

但是由于實際中UPM (t)僅能滿足某一波長信號的半波電壓，因此其他波長信號難以獲得精確的π相移。下面討論當(dāng)光波導(dǎo)在1545 nm半波電壓為14 V，并且UPM（t）=14V時，輸入多波長信號的波長范圍如何選擇才能夠獲得消光比大于20 dB的異或加密輸出。

如圖12所示，當(dāng)UPM（t）=14V對光信號的調(diào)制相位在[175.10，184.90]范圍內(nèi)時可以獲得消光比大于20dB的異或加密輸出，根據(jù)式(5)可得當(dāng)1545 nm處半波電壓產(chǎn)生調(diào)制相位的范圍為[175.1。，184.9。]，其對應(yīng)的輸入信號波長范圍近似為[1507 nm，1585 nm]，可以看出，在近80nm的波長范圍內(nèi)，該方案均能改善異或加密輸出信號的消光比。

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