基于光纤布拉格光栅的光跳频通信系统

1.本公开涉及光通信安全技术领域，尤其涉及一种基于光纤布拉格光栅的光跳频通信系统。


背景技术：

2.当今时代，信息技术蓬勃发展。每天有无数的用户数据经光纤接入互联网，流向世界各地。然而近些年来，利用光纤弯曲、分束、倏忽波耦合、散射等光纤窃听手段层出不穷，诸多用户的隐私信息遭到泄漏的威胁。因此，如何实现安全光通信成为一个非常重要的课题。目前实现提高通信安全的手段大致分为两类。一类是在软件层对用户数据进行算法加密，比如aes加密；但随着计算机计算能力的巨大提升，基于算法加密的安全性日益降低。另一类是在硬件层对用户数据进行加密，比如光码分复用技术、混沌加密技术等；但这类技术在光纤网络中的传输距离通常会受到限制。现有技术中已提出了光跳频通信技术，通过通信双方共享的秘钥实现用户数据在不同波长对应的信道间随机切换，从而实现用户数据的安全传输。


技术实现要素：

3.(一)要解决的技术问题
4.基于上述问题，本公开提供了一种基于光纤布拉格光栅的光跳频通信系统，以缓解现有技术中不能稳定跳频等技术问题。
5.(二)技术方案
6.本公开提供了一种基于光纤布拉格光栅的光跳频通信系统，包括：
7.发送端，包括：
8.宽带光源，所述宽带光源能够发射覆盖光载波波长的光波；
9.发送光纤布拉格光栅，用于对宽带光源发出的光波进行选频处理，形成所述光载波；
10.所述光载波能够携带用户数据，形成数据光载波；
11.耦合器，用于接收所述数据光载波，形成耦合信号并输出；
12.接收端，用于接收所述耦合信号，能够对所述耦合信号进行处理得到的处理信号，并通过所述处理信号提取所述用户数据输出，所述接收端包括：
13.接收光纤布拉格光栅，用于对所述耦合信号进行波长解复用处理。
14.在本公开实施例中，所述发送端还包括：
15.数据分配单元，用于对所述用户数据在随机序列的控制下进行分配，形成分配数据；
16.相位调制器，用于接收所述光载波及所述分配数据，形成数据光载波并输出；
17.发送三端口环形器，用于接收所述光载波，将所述光载波转送至所述发送光纤布拉格光栅，及用于接收所述光载波，将所述光载波转送至所述相位调制器。
18.在本公开实施例中，所述接收端还包括：
19.探测器，用于对所述处理信号进行探测，实现光电转换，获得探测数据；
20.数据恢复单元，用于对所述探测数据进行数据恢复，得到所述用户数据并输出；
21.接收三端口环形器，用于接收所述耦合信号，将所述耦合信号转送至所述接收光纤布拉格光栅，及用于接收所述处理信号，将所述处理信号转送至所述探测器。
22.在本公开实施例中，其中，
23.所述宽带光源包括：分束器；
24.所述发送三端口环形器包括：第一发送三端口环形器与第二发送三端口环形器；
25.所述发送光纤布拉格光栅包括：第一发送光纤布拉格光栅与第二发送光纤布拉格光栅；
26.所述相位调制器包括：第一相位调制器与第二相位调制器；
27.其中，分束器能够发出两路所述光载波，对其中一路所述光载波的处理，依次经过所述第一发送三端口环形器、所述第一发送光纤布拉格光栅、所述第一发送三端口环形器、所述第一相位调制器及所述耦合器；对另一路所述光载波的处理，依次经过所述第二发送三端口环形器、所述第二发送光纤布拉格光栅、所述第二发送三端口环形器、所述第二相位调制器及所述耦合器。
28.在本公开实施例中，所述数据分配单元能够将所述用户数据分成两路并分别分配给所述第一相位调制器与所述第二相位调制器。
29.在本公开实施例中，所述第一发送光纤布拉格光栅与所述第二发送光纤布拉格光栅的光栅周期不同，且光栅周期与反射波长满足：
30.λ
b
＝2n
eff
·
λ
31.其中，λ
b
为光纤布拉格光栅中心波长，n
eff
为光纤纤芯有效折射率，λ为光栅周期，通过选择不同的光栅周期，保证两个不同波长λ
b
反射光的稳定输出。
32.在本公开实施例中，其中，
33.所述接收三端口环形器包括：第一接收三端口环形器与第二接收三端口环形器；
34.所述接收光纤布拉格光栅包括：第一接收光纤布拉格光栅与第二接收光纤布拉格光栅；
35.所述探测器包括：第一探测器与第二探测器；
36.其中，所述耦合信号通过所述第一接收三端口环形器传递给所述第一接收光纤布拉格光栅处理，形成反射光波与透射光波；
37.对所述反射光波的处理，依次经过所述第一接收三端口环形器、所述第一探测器及所述数据恢复单元；对所述透射光波的处理，依次经过所述第二接收三端口环形器、所述第二接收光纤布拉格光栅、所述第二接收三端口环形器、所述第二探测器及所述数据恢复单元。
38.在本公开实施例中，所述第一接收光纤布拉格光栅与所述第一发送光纤布拉格光栅的光栅周期相同；所述第二接收光纤布拉格光栅与所述第二发送光纤布拉格光栅的光栅周期相同。
39.在本公开实施例中，所述相位调制器为马赫
‑
曾德尔调制器或声光调制器。
40.在本公开实施例中，所述发送三端口环形器和接收三端口环形器为投射式光环形
器或反射式光环形器。
41.(三)有益效果
42.从上述技术方案可以看出，本公开基于光纤布拉格光栅的光跳频通信系统至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
43.(1)实现了光跳频通信，达到稳定跳频通信。
44.(2)通过通信双方共享的秘钥实现用户数据在不同波长对应的信道间随机切换，从而实现用户数据的安全传输。
附图说明
45.图1为本公开实施例基于光纤布拉格光栅的光跳频通信系统的原理示意图。
46.图2为本公开实施例基于光纤布拉格光栅的光跳频通信系统的光纤布拉格光栅结构示意图。
具体实施方式
47.本公开提供了一种基于光纤布拉格光栅的光跳频通信系统，所述光跳频通信系统实现了光跳频通信，达到稳定跳频通信，通过通信双方共享的秘钥实现用户数据在不同信道间随机切换，从而实现用户数据的安全传输，可克服现有的通信系统的主要缺点和不足之处。
48.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。
49.在本公开实施例中，提供一种基于光纤布拉格光栅的光跳频通信系统，如图1至2所示，所述光跳频通信系统，包括：
50.发送端，包括：
51.宽带光源，所述宽带光源能够发射覆盖光载波波长的光波；
52.发送光纤布拉格光栅，用于对宽带光源发出的光波进行选频处理，形成两路所述光载波；
53.所述光载波能够携带用户数据，形成数据光载波；
54.耦合器，用于接收所述数据光载波，形成耦合信号并输出；
55.接收端，用于接收所述耦合信号，能够对所述耦合信号进行处理得到的处理信号，并通过所述处理信号提取所述用户数据输出，所述接收端包括：
56.接收光纤布拉格光栅，用于对所述耦合信号进行波长解复用处理。
57.在本公开实施例中，所述发送端还包括：
58.数据分配单元，用于对所述用户数据在随机序列的控制下进行分配，形成分配数据；
59.相位调制器，用于接收所述光载波及所述分配数据，形成数据光载波并输出；
60.发送三端口环形器，用于接收所述光载波，将所述光载波转送至所述发送光纤布拉格光栅，及用于接收所述光载波，将所述光载波转送至所述相位调制器。
61.在本公开实施例中，所述接收端还包括：
62.探测器，用于对所述处理信号进行探测，实现光电转换，获得探测数据；
63.数据恢复单元，用于对所述探测数据进行数据恢复，得到所述用户数据并输出；
64.接收三端口环形器，用于接收所述耦合信号，将所述耦合信号转送至所述接收光纤布拉格光栅，及用于接收所述处理信号，将所述处理信号转送至所述探测器。
65.在本公开实施例中，所述宽带光源包括：分束器；所述发送三端口环形器包括：第一发送三端口环形器与第二发送三端口环形器；所述发送光纤布拉格光栅包括：第一发送光纤布拉格光栅与第二发送光纤布拉格光栅；所述相位调制器包括：第一相位调制器与第二相位调制器；
66.其中，分束器能够发出两路所述光载波，对其中一路所述光载波的处理，依次经过所述第一发送三端口环形器、所述第一发送光纤布拉格光栅、所述第一发送三端口环形器、所述第一相位调制器及所述耦合器；对另一路所述光载波的处理，依次经过所述第二发送三端口环形器、所述第二发送光纤布拉格光栅、所述第二发送三端口环形器、所述第二相位调制器及所述耦合器。
67.在本公开实施例中，所述数据分配单元能够将所述用户数据分成两路并分别分配给所述第一相位调制器与所述第二相位调制器。
68.在本公开实施例中，所述第一发送光纤布拉格光栅与所述第二发送光纤布拉格光栅的光栅周期不同，且光栅周期与反射波长满足：
69.λ
b
＝2n
eff
·
λ
70.其中，λ
b
为光纤布拉格光栅中心波长，n
eff
为光纤纤芯有效折射率，λ为光栅周期，通过选择不同的光栅周期，保证两个不同波长λ
b
反射光的稳定输出。
71.在本公开实施例中，所述接收三端口环形器包括：第一接收三端口环形器与第二接收三端口环形器；所述接收光纤布拉格光栅包括：第一接收光纤布拉格光栅与第二接收光纤布拉格光栅；所述探测器包括：第一探测器与第二探测器；
72.其中，所述耦合信号通过所述第一接收三端口环形器传递给所述第一接收光纤布拉格光栅处理，形成反射光波与透射光波；
73.在本公开实施例中，对所述反射光波的处理，依次经过所述第一接收三端口环形器、所述第一探测器及所述数据恢复单元；对所述透射光波的处理，依次经过所述第二接收三端口环形器、所述第二接收光纤布拉格光栅、所述第二接收三端口环形器、所述第二探测器及所述数据恢复单元。
74.在本公开实施例中，所述第一接收光纤布拉格光栅与所述第一发送光纤布拉格光栅的光栅周期相同；所述第二接收光纤布拉格光栅与所述第二发送光纤布拉格光栅的光栅周期相同。
75.在本公开实施例中，所述相位调制器为马赫
‑
曾德尔调制器或声光调制器。
76.在本公开实施例中，所述发送三端口环形器和接收三端口环形器为投射式光环形器或反射式光环形器。
77.具体地，在本公开实施例中，基于光纤布拉格光栅的光跳频通信系统，包括：发送端、接收端和传输光纤三部分。发送端主要由一个宽带光源、两个光纤布拉格光栅、两个相位调制器以及fpga数据分配单元构成；光源发出的光经分束器分成两路，经过环形器送入光纤布拉格光栅。接收端主要有两个光纤布拉格光栅、两个探测器以及fpga数据恢复单元构成。
78.如图1所示，在发送端，宽带光源连续发射具有较宽波长范围的光载波，经分束器分成两路，通过两个三端口环形器，送入光栅周期λ不同的光纤布拉格光栅fbg1和fbg2。经过光纤布拉格光栅反射后，光波再次经过环形器送入相位调制器pm1和pm2，作为光载波。用户数据经fpga处理后随机加载到调制器上，调制后的光波经耦合器(coupler)耦合成一束光后，输出到传输光纤中进行传输，如图2所示为光纤布拉格光栅结构。
79.在接收端，光纤传输送入的信号先经过两级光纤布拉格光栅分频，得到两路不同波长的稳定输出光。分别经探测器完成光电转换后，送入fpga中实现用户数据的恢复并输出。其中，两个三端口环形器中，第一端口连接光纤的光信号或上一级布拉格光栅的透射光波，第二端口分别连接光纤布拉格光栅fbg3和fbg4，第三端口连接到探测器pd1和pd2。
80.至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
81.依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于光纤布拉格光栅的光跳频通信系统有了清楚的认识。
82.综上所述，本公开提供了一种基于光纤布拉格光栅的光跳频通信系统，该光跳频通信系统实现了光跳频通信，达到稳定跳频通信，通过通信双方共享的秘钥实现用户数据在不同信道间随机切换，从而实现保密信息的隐藏。
83.还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
84.并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
85.除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中
±
10％的变化、在一些实施例中
±
5％的变化、在一些实施例中
±
1％的变化、在一些实施例中
±
0.5％的变化。
86.再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
87.说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
88.此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合
形成更多的实施例。
89.本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
90.类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
91.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。