自由空间光通信安全系统的制作方法

1.本公开涉及自由空间光通信安全领域，尤其涉及一种自由空间光通信安全系统。


背景技术：

2.随着自由空间光通信技术的发展，极大地促进了社会的进步与经济的发展。其中，各种用以提升信道传输容量的复用技术功不可没。轨道角动量(oam)光束，具有螺旋相位因子其同轴传播的不同oam状态(方位指数1不同)的光束可以被有效分离的特点，使其在空分复用技术中的发展潜力巨大。同时，随着近年来世界各地各种用户信息泄露事件的频繁出现，用户数据在传输中被非法第三方窃取的风险增大。
3.现有的安全通信机制中，最常用的方法是在软件层使用算法对用户数据进行加密。然而，随着计算能力的逐渐提高，该种方法的安全性也开始受到威胁。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.针对于现有技术问题，本公开提出一种自由空间光通信安全系统，用于至少部分解决上述技术问题。
6.(二)技术方案
7.本公开提供一种自由空间光通信安全系统，包括：至少两个激光器，用于产生不同波长的光载波；n
×
n光开关，其每一输入端口连接一个激光器，n
×
n光开关用于根据第一跳频序列控制自身输入端口与输出端口的联通状态，以实现输出端口输出的光载波在不同波长之间跳变，其中，n≥2；n
×
n光开关每一个输出端口依次连接调制器、第一光纤耦合镜及第一空间光调制器，其中，调制器用于将数据调制到输出端口输出的光载波上，第一光纤耦合镜用于将承载有数据的光载波转换为空间光，第一空间光调制器用于在第二跳频序列的控制下对空间光进行oam跳变调制，输出对应的oam光束；合波器，其输入端口连接第一空间光调制器的输出端口，用于将各个第一空间光调制器输出的oam光束聚合为一束光信号；第二空间光调制器，其输入端口连接合波器的输出端口，用于在第二跳频序列控制下对一束光信号进行不同oam态信道的分离，以输出空间高斯光；解调装置，用于对空间高斯光进行解调，得到数据。
8.可选地，第一空间光调制器在第二跳频序列的控制下根据第一组全息图对空间光进行oam跳变调制；第二空间光调制器在第二跳频序列的控制下根据第二组全息图对空间光进行oam跳变调制；其中，第一组全息图与第二组全息图均对应于不同oam态，第一组全息图对应的拓扑荷的数值与第二组全息图对应的拓扑荷的数值相反。
9.可选地，解调装置包括：第二光纤耦合镜，用于实现空间高斯光从自由空间到光纤的转换；阵列波导光栅，用于从转换后的空间高斯光中分离出不同波长的光载波；阵列波导光栅每一输出光载波的端口依次连接同步控制模块及光电探测器，同步控制模块用于将不同波长的光载波承载的数据之间的相位对齐；光电探测器用将相位对齐后的光载波转化为
电信号；数据恢复模块，用于在第一跳频序列控制下从电信号中恢复出数据。
10.可选地，同步控制模块用于采用光纤补偿的方式对数据的相位进行延时调节，实现不同波长的光载波承载的数据之间的相位对齐。
11.可选地，自由空间光通信安全系统还包括：伪随机数生成器，用于生成第一跳频序列与第二跳频序列。
12.可选地，自由空间光通信安全系统还包括：第一光学天线，用于将一束光信号发送到自由空间传输；第二光学天线，用于接收通过自由空间传输的一束光信号，并转发至第二空间光调制器。
13.可选地，第一空间光调制器包括透射式空间光调制器或者反射式空间光调制器；第二空间光调制器包括透射式空间光调制器或者反射式空间光调制器。
14.可选地，调制器包括马赫增德尔调制器。
15.可选地，n
×
n光开关的开关时间为皮秒级。
16.可选地，调制器将数据调制到输出端口输出的光载波上的过程中，为每一数据添加同步头。
17.(三)有益效果
18.本公开提供一种自由空间光通信安全系统，至少具备以下有益效果：
19.该系统在发送端设置不同的信道，首先在跳频序列的控制下实现光载波在不同信道间进行波长跳变，然后在跳频序列的控制下对空间光进行oam跳变调制，通过对数据在不同信道间进行跳变，使得数据先在时域内被分割成片段，该片段再借由不同的物理信道进行传输，通过这种方式，数据可以被有效地隐藏起来，防止非法第三方窃听，进而提高了数据传输的安全性。
附图说明
20.图1示意性示出了本公开实施例提供的自由空间光通信安全系统的结构图；
21.图2示意性示出了本公开实施例提供的自由空间光通信安全系统的数据流过程图。
具体实施方式
22.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
23.本公开提供自由空间光通信安全系统，该系统可以基于oam复用的混合光跳频实现，包括：
24.至少两个激光器，用于产生不同波长的光载波。
25.n
×
n光开关，其每一输入端口连接一个激光器，n
×
n光开关用于根据第一跳频序列控制自身输入端口与输出端口的联通状态，以实现输出端口输出的光载波在不同波长之间跳变。
26.n
×
n光开关每一个输出端口依次连接调制器、第一光纤耦合镜及第一空间光调制器，其中，调制器用于将数据调制到输出端口输出的光载波上，第一光纤耦合镜用于将承载有数据的光载波转换为空间光，第一空间光调制器用于在第二跳频序列的控制下对空间光
进行oam跳变调制，输出对应的oam光束。
27.合波器，其输入端口连接第一空间光调制器的输出端口，用于将各个第一空间光调制器输出的oam光束聚合为一束光信号。
28.第二空间光调制器，其输入端口连接合波器的输出端口，用于在第二跳频序列控制下对一束光信号进行不同oam态信道的分离，以输出空间高斯光。
29.解调装置，用于对空间高斯光进行解调，得到数据。
30.根据本公开的实施例，第一空间光调制器在第二跳频序列的控制下根据第一组全息图对所述空间光进行oam跳变调制。第二空间光调制器在第二跳频序列的控制下根据第二组全息图对空间光进行oam跳变调制。其中，第一组全息图与第二组全息图均对应于不同oam态，第一组全息图对应的拓扑荷的数值与所述第二组全息图对应的拓扑荷的数值相反。
31.根据本公开的实施例，解调装置例如可以包括：第二光纤耦合镜，用于实现空间高斯光从自由空间到光纤的转换。阵列波导光栅，用于从转换后的空间高斯光中分离出不同波长的光载波。阵列波导光栅每一输出光载波的端口依次连接同步控制模块及光电探测器，同步控制模块用于将所述不同波长的光载波承载的数据之间的相位对齐；光电探测器用将相位对齐后的光载波转化为电信号。数据恢复模块，用于在第一跳频序列控制下从所述电信号中恢复出数据。
32.以下结合具体的附图对本公开的自由空间光通信安全系统进行详细介绍。下述实施例以两路信道为例介绍自由空间光通信安全系统，需要说明的是，该实施例只是示例性的，两路信道并不用于限制本公开，多路信道的跳变与两路信道的跳变原理类似，本公开实施不再详细赘述。
33.图1示意性示出了本公开实施例提供的自由空间光通信安全系统的结构图。
34.如图1所示，根据本公开的实施例，自由空间光通信安全系统例如可以包括：
35.发送端s，发送端内置两个固定波长的激光器1，一个2x2的光开关2，两个调制器3，两个第一光纤耦合镜4，两个第一空间光调制器5以及一个合波器6。其中，一个激光器1连接2x2光开关的第一输入端口a，另一个激光器1连接2x2光开关2的第二输入端口b。2x2光开关2的第一输出端口c后依次连接一个调制器3、一个第一光纤耦合镜4及一个第一空间光调制器5，2x2光开关2的第二输出端口d后依次连接一个调制器3、一个第一光纤耦合镜4及一个第一空间光调制器5。通过该种连接方式，构成两路不同的信道。
36.接收端r内置有一个第二空间光调制器7，一个第二光纤耦合镜8，一个阵列波导光栅9，两个同步控制模块10，两个光电探测器11以及一个数据恢复模块12。第二空间光调制器7后依次连接第二光纤耦合镜8及阵列波导光栅9(awg)。阵列波导光栅9的一个输出端口连接一个同步控制模块10及一个光电探测器11，另一个输出端口连接一个同步控制模块10及一个光电探测器11。两个光电探测器11连接至数据恢复模块12。
37.根据本公开的实施例，两个激光器1可以为两个固定波长激光器，其分别输出波长为λ1和λ2的光载波，第一跳频序列(hs1)控制2x2光开关2的的联通状态，例如，当序列值为“0”时，第一输入端口a联通第一输出端口c，第二输入端口b联通第二输出端口d；当序列值为“1”时，第一输入端口a联通第二输出端口d，第二输入端口b联通第一输出端口c。也就是说，在第一跳频序列的控制下，第一输出端口c和第二输出端口d输出的光载波的波长在λ1和λ2之间跳变。两个调制器3分别将第一数据(data1)与第二数据(data2)调制到第一输出
端口c和第二输出端口d输出的光载波上，实现了一级波长跳变，即第一数据和第二数据的光载波在λ1和λ2之间快速跳变。
38.根据本公开的实施例，调制后的两路光载波分别经过两个第一光纤耦合镜4(fcm)进行耦合，转换为空间光。其中，第一光纤耦合镜4的耦合效率可以通过调整耦合镜在xyz三个方向上的位移以及俯仰角度来调节优化。在第二跳频序列(hs2)的控制下，通过动态的加载第一组全息图a在两个第一空间光调制器5上，随机加载在不同波长上的数据信号可以进一步经由不同的oam信道传输，实现了在不同oam信号间的二级跳变，两个第一空间光调制器5输出对应的oam光束。为了实现两条链路上的光波的聚合，经两个第一空间光调制器5调制后的光波进入一个合波器(bc)。然后经由第一光学天线13送入自由空间中，以空间自由光fso的形式传输。由于不同信道间的性能差异，发送端需要分别对第一数据和第二数据进行分组处理，并在每组数据前加上同步头，以确保数据在接收端通过同步控制模块10(sc)实现相位对齐。
39.根据本公开的实施例，在接收端，经第二光学天线14接收，接收到的一束光信号被送入第二空间光调制器7，该第二空间光调制器7同样可以由第二跳频序列(hs2)控制，在第二跳频序列(hs2)的控制下，根据第二组全息图b对空间光进行oam跳变调制。其中，第一组全息图与第二组全息图均对应于不同oam态，第一组全息、图对应的拓扑荷的数值与所述第二组全息图对应的拓扑荷的数值相反。这样便实现了不同oam态信道的分离，并输出空间高斯光。空间高斯光经过第二光纤耦合镜8，实现空间高斯光从自由空间到光纤的快速转换，从而转由光纤传输至阵列波导光栅9。阵列波导光栅9分离出两个不同波长光波，分别经由两个同步控制模块10延时调节等同步控制处理后，送入两个光电探测器11进行光电转化，输出两路数据信号。数据恢复模块12在第一跳频序列(hs1)的控制下，恢复出两路数据信号，第一数据和第二数据。
40.根据本公开的实施，自由空间光通信安全系统还可以包括：伪随机数生成器，用于生成第一跳频序列与第二跳频序列。
41.根据本公开的实施，同步控制模块10可以采用光纤补偿的方式对数据的相位进行延时调节，实现不同波长的光载波承载的数据之间的相位对齐。
42.根据本公开的实施，第一空间光调制器5可以以包括透射式空间光调制器或者反射式空间光调制器。第二空间光调制器7可以包括透射式空间光调制器或者反射式空间光调制器。
43.根据本公开的实施，调制器3可以包括马赫增德尔调制器。
44.根据本公开的实施，2
×
2光开关的开关时间可以为皮秒级，通过高速光开光的高速实现光载波的快速跳变，进一步提高数据传输的安全性。
45.图2示意性示出了本公开实施例提供的自由空间光通信安全系统的数据流过程图。
46.如图2所示，第一数据及第二数据经过如图1所示的自由空间光通信安全系统传输的过程中，自由空间光通信安全系统通过对第一数据及第二数据在不同信道间进行跳变，使得第一数据及第二数据先在时域内被分割成片段，该片段再借由不同的物理信道进行传输，通过该种方式，第一数据及第二数据可以被有效地隐藏起来，防止非法第三方窃听，进而提高了第一数据及第二数据传输的安全性。
47.以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。