（物理电子学专业论文）全光纤语音传输系统及其保密性研究.pdf

摘要 光纤通信系统是利用光纤作为传输媒质，由电磁载波来携带信息的一种光波 传输系统。由于其具有通信容量大、频带宽、保密性能好、抗电磁干扰性强、重 量轻、体积小等优点，光纤通信已成为一种重要的信息传输方式。近年来，随着 野战通讯、军事保密、网络安全的进一步要求，光纤通信系统的保密性也越来越 受到人们的重视。为了实现信息的保密性传输，目| j 1 采用的加密方式多为通过数 学加密算法对信息进行加密、将混沌保密技术应用于光纤通信、量子保密通信技 术等。 本课题所研究的全光纤语音传输系统无需经过语音信号转换成电信号、再调 制光信号这一传统的声光调制过程，而是利用光纤的光弹效应直接进行声波的调 制，实现音频信号的录入，体现了全光通信的理念。同时，由于本系统采用了白 光干涉方法进行相位解调以及单芯传输的新型结构，系统本身无需加密，就具有 信息传输的保密性。 本课题的主要工作和结论如下： ( 1 ) 利用激光器、光调制器、耦合器、光探测器和光纤构造出一体化的全光语 音传输系统。具体推导了系统的工作原理：当声压施加于光纤时，由于光纤的光 弹效应，声压的作用导致光纤的长度和折射率发生了变化，从而引起感应光纤中 传输光的相位的改变。利用白光干涉原理，通过设计干涉光路，使得光相位的改 变转换为光强的变化，从而实现信号的解调。此外，本课题还对系统的保密性进 行了理论分析，证明了通过窃取主干线所泄露的光强而进行信号的提取，以及构 造相应干涉系统进行信号解调的方法均不能造成传输信号的失密，验证了系统的 保密性。在对系统的工作原理及其保密性传输机理分析的基础上，通过实验验证 了系统的工作原理，成功再现了3 0 0 h z 一3 4 0 0 h z 范围内的单频正弦信号及实际语 音( 多频) 信号的录入、传输、与还原过程，得到稳定的波形对比曲线及清晰的 音质效果。该系统有望应用于距离为4 0 公罩的点对点保密通信。 ( 2 ) 通过理论计算与模拟，分析了影响系统灵敏度的因素。结果表明：在作为 传感头的光纤最外层体积模量和杨氏模量固定的情况下，外层直径越大，灵敏度 越高，并且随着直径的增大灵敏度趋于一个极限值。在杨氏模量和外层直径都固 定的情况下，体积模量越大，灵敏度越小，并且随着体积模量的增大，灵敏度趋 于一个极限值。剜时，我们计算了全光纤话筒探头的形状对系统灵敏度的影响， 得到以下结论：当光纤缠绕在圆柱形塑料圈上，探头的灵敏度随着缠绕光纤端圆 杠半径的增大而减小随着缠绕光纤端的圆柱长度的增大而增大。此项工作对光 i l 纤的敏化( 光纤对声压响应的灵敏度提高) 和钝化( 光纤对声压响应的灵敏度降 低) 实验有着理论指导意义。 希望本课题的工作能够在研究全光通信以及光纤保密通信方面提供一些有 用的信息。 关键词：光纤通信系统、语音传输、光弹效应、白光干涉、保密通信 中图分类号：t n 2 5 3t n 9 1 8 ；t n 9 2 9 1 1 a b s t r a c t p r o g r e s s i n gf r o mt h ec o p p e rw i r e o fac e n t u r ya g ot ot o d a y sf i b e ro p t i cc a b l e ， i n c r e a s i n ga b i l i t yo fo p t i cf i b e rc o m m u n i c a t i o nt ot r a n s m i tm o r ei n f o r m a t i o n ，m o r e q u i c k l ya n do v e rl o n g e rd i s t a n c e sh a se x p a n d e dt h eb o u n d a r i e so fo u rt e c h n o l o g i c a l d e v e l o p m e n ti n a l la r e a s f u r t h e r m o r e ，d u et ot h ei n c r e a s i n gn e e do fp r i v a c yi n v a r i o u si n f o r m a t i o ne x c h a n g es i t u a t i o n s ，t h es t u d yo fs e c u r ec o m m u n i c a t i o ni s c u r r e n t l ym e e t i n g ag r o w i n gi n t e r e s t t h ec o n v e n t i o n a lo rc l a s s i c a ls e c u r e c o m m u n i c a t i o ni sb a s e do nc r y p t o g r a p h yw h i c hr e l i e su p o nt h es u p p o s e dd i f f i c u l t yo f s o l v i n gc e r t a i nc l a s s e so fm a t h e m a t i c a lp r o b l e m ，o p t i c a ls e c u r ec o m m u n i c a t i o n sw i t h c h a o t i ce r b i u m d o p e df i b e rl a s e r s ，a n ds e c u r eo p t i cc o m m u n i c a t i o nb yq u a n t u m c r y p t o g r a p h y i nt h i sp a p e r ，w ep r e s e n tan o v e lf i b e ra u d i ot r a n s m i s s i o ns y s t e m ，w h i c hp e r f o r m s s i g n a lm o d u l a t i o nb yt h es t r a i no p t i ce f f e c t sa n ds i g n a ld e m o d u l a t i o nb yt h ea l lf i b e r i n t e r f e r o m e t e r t h eo b j e c d v ei ss e c u r i t yw i t h o u te n c r y p t i o na n dt h ek e yi sp h y s i c a l o n ee m b o d i e di nt h es t r u c t u r eo fo u rs y s t e m o u rm a i nw o r kc a nb es u m m a r i z e da st h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) an e w , s i m p l ea n de f f i c i e n tf i b e ra u d i ot r a n s m i s s i o nm e t h o df o rt h el o n gd i s t a n c e s e c u r ec o m m u n i c a t i o ni sp r e s e n t e d ，w h i c hc o n s i s t so fb r o a d b a n ds o u r c e ，c o u p l e r s ， f i b e r s a n di n g a a sd e t e c t o r s t h et h e o r yi sd e d u c e d ：t h es y s t e mp e r f o r m ss i g n a l m o d u l a t i o nb yt h es t r a i n - o p t i ce f f e c t sa n ds i g n a ld e m o d u l a t i o nb yt h ea l l f i b e r i n t e r f e r o m e t e r 1 1 1 ei n t e r f e r o m e t e ri sat r u l yp a t h m a t c h e dd e v i c e w h i c he l i m i n a t e s m u c ho ft h eu n d e s i r a b l en o i s eb yc o m b i n i n gt h er e f e r e n c ea n dt h es e n s i n ga r m s w i t h i nt h es a m eo p t i c a lf i b e r t h r o u g ht h ee x p e r i m e n to ft h es i n u s o i d a ls i g n a l si nt h e f r e q u e n c yr a n g eo f3 0 0 hz - 一3 4 0 0 h za n dt h em u l t i f r e q u e n c ys i g n a l s t h es y s t e m s h o w sg o o dc a p a b i l i t i e s ，r o b u s ts e c u r i t ya n dm a i n t a i n sa u d i oi n t e g r i t y f u r t h e r m o r e ， t h et h e o r e t i c a la n a l y s e sa n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e ms h o w s r o b u s ts e c u r i t y w h e nt h ee a v e s d r o p p e ri n t e r c e p t st h el e a kl i g h tf r o mt h et r a n s m i s s i o n l i n eo rb u i l d sas i m i l a ri n t e r f e r o m e t e rt op e r f o r ms i g n a ld e m o d u l a t i o n ，t h eu s e f u lp h a s e i n f o r m a t i o nc a n tb eg o ta n dt h es i g n a lc a n tb ed e m o d u l a t e d t h ed e v i c em a yb e a p p l i c a b l ei nt h ef i e l do fp o i n tt op o i n ts e c u r i t yc o m m u n i c a t i o no f4 0k i l o m e t e rl o n g t r a n s m i s s i o nr a n g e v ( 2 ) t h r o u g ht h e o r yc o m p u t a t i o na n dc o m p u t i n gs i m u l a t i o n ，t h ef a c t o r st h a ta f f e c t e d t h es e n s i t i v eo ft h es y s t e mi sc a l c u l a t e d a st h ec o a t i n gb e c o m e sv e r yt h i c kt h ef i b e r s e n s i t i v i t ya p p r o a c h e sal i m i tw h i c hi si n d e p e n d e n to ft h ec o a t i n gy o u n g sm o d u l u s i nt h ec a s eo fat h i c kc o a t i n g ，h y d r o s t a t i cp r e s s u r er e s u l t si na l li s o t r o p i cs t r a i ni nt h e f i b e rw a v e g u i d ew h o s em a g n i t u d ed e p e n d so n l yu p o nt h ec o a t i n gc o m p r e s s i b i l i t y t h u s ，f o rt h et h i c kc o a t i n gc a s e ，t h ep r e s s u r es e n s i t i v i t yi sg o v e r n e db yt h ec o a t i n g b u l km o d u l u s ，i n d e p e n d e n to ft h eo t h e re l a s t i cm o d u l u s a l s o ，t h ef r e q u e n c y d e p e n d e n c eo ft h es e n s i t i v i t yo ff i b e r sw i t hh a r dc o a t i n gi sr e l a t i v e l ys m a l l a n df o r h i g hy o u n g sm o d u l u st h ef i b e rs e n s i t i v i t yi sas t r o n gf u n c t i o no f t h eb u l km o d u l u s t h i sd e p e n d e n c eb e c o m e sw e a k e ra st h ey o u n g sm o d u l u sd e c r e a s e s k e yw o r d ：f i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a u d i ot r a n s m i s s i o n ，s t r a i n o p t i ce f f e c t s ， w h i t e l i g h ti n t e r f e r o m e t r y , s e c u r ec o m m u n i c a t i o n s v 第一章前言 光纤通信系统是利用光纤束传输信息的光波系统，2 0 世纪8 0 年代以来，光 通信系统在全世界范围内发展起来，迄今为止，已经历了五代光波系统 卜3 。 光纤通信由于具有通信容量大、传输距离长、频带宽、保密性能好、抗电磁干扰 性强、重量轻、体积小等优点，已经成为一种重要的信息传输方式。目前，随着 野战通讯、军事保密、网络安全的进一步要求，光纤通信的保密性也越来越受到 人们的重视。为了实现信息的保密性传输，目前采用的加密方式多为数学加密算 法、混沌保密技术、量子保密通信技术等。 本课题提出的研究内容全光纤语音传输系统，利用光纤的光弹效应进行 语音信号的调制，利用白光干涉光路进行信号的解调，实现了语音信号( 3 0 0 h z 3 4 0 0 胞) 的保密性传输，主要应用于全光通信及点对点的野战保密通信中。 作为光通信中的新技术，全光通信能够实现信号的全光提取，无需电信号的参与， 被人们认为是将来光通信的发展方向。本章将从光通信的发展趋势出发，分析全 光纤语音传输系统的应用背景和学术价值。 1 1 光纤通信系统概况 自古以来，通信就是人们的基本需求之一，这一需求引起人们丌始发明能将 信息进行传输的通信系统。迄今为止，已有多种形式的通信系统出现，从最早的 烽火台通信到电通信时代，再到如今方兴未艾的光纤通信领域，任何一种通信系 统都是将用户的信息( 例如语言。、图像和数掘等) 调制到载送信息的载波上，然后 经传播介质将载有信息的载波传送到收信方，收信方再利用解调的手段，从载有 信息的载波中将收信方所需的用户信息取出，达到通信的目的。 1 9 6 6 年，英国标准通信实验室的英籍华人科学家高锟( c k a o ) 在i e e e 上 发表论文“光频介质表面波导”，提出只要将玻璃中的杂质提纯使其传输损耗降 低到2 0 d b k m 以下，玻璃纤维可以作为传输光信息的介质 4 】。1 9 7 0 年美国康宁 公司与加勒博士领导的一个研究小组合作，根据高锟提出的理论，成功研制了出 2 0 d b k m 衰减的光纤，引起了全世界通信界的震动，从而开创了人类通信史上光 通信的新世纪【5 6 1 。此后，光纤传输技术得到迅速发展，并成为- i u 重要的新技 术。各种新型光纤、光纤连接器、光发射器件以及相应的电子学器件相继问世， 到1 9 8 0 年，在世界范围内就建立起了实用且经济可行的光纤通信系统，光纤成 了现代化通信网中最重要的传输信息媒质。 光纤通信系统是以光波为载频，光导纤维( 简称光纤) 为传输媒介的一种通 信方式，通常采用数字编码、强度调s t j 直接检波方式。系统由光发射端机、光 纤( 光缆) 、光中继器和光接收端机组成，图1 1 为此系统的基本结构组成框图， 其中p c m 表示脉冲编码调制。强度是指单位面积上的光功率。强度调制就是在 发送端用信号通过调制器控制光源的发光强度，使光强随着信号电流线形变化， 从而将电信号转变成相应的已调光信号送入光纤进行传输。在接收段，光电探测 器对已调光直接在光频检测，以获得相应的电信号。光纤作为传输媒介以最小的 衰减和波形畸变将已调光信号从发送端传送到接收端。为了保证通信质量，在信 号传输一段距离后，加上中继器，对已被衰减或产生畸变的信号脉冲进行补偿和 再生。 图1 1 光纤通信系统组成框图 目前，数掘业务爆炸式增长，通信道路越来越拥挤。光纤通信由于其优点已 成为所有通信系统的最佳技术选择。光纤通信的主要特点表现在： ( 1 ) 光纤通信使用光载波的信息容量大，光纤的带宽宽，传输数据从理论上讲， 对于普通的f m d 光纤通信系统，光载波频率为5 1 0 “h z ，而一个标准的电话 话路所占的频带宽度为4 k h z ，它能容许的最多的通信话路的路数： n = ，a f = 5 x 1 0 “4 x 1 0 3 = 1 2 5 1 0 ” 即可以通过1 2 5 0 亿路电话。若用它来传输电视，最多能达n 1 亿路电视，这是电 通信所无法达到的天文数字。随着电脑的普及，“家庭网上工程”成为现代信息 传递的热点，而它依靠的便是光纤通信。即光缆宽带信息传输。正因为这样，更 多的用户j 能够同时在网上“畅游”。于是有人形象地将光纤通信系统比喻为“信 息高速公路”。 ( 2 ) 用光纤传输信息是将信号束缚在光纤芯内传播的，光信号不向外辐射，泄露 极小，在传输途中很难被窃听。因此这种通信具有较强的保密性，这使得光纤通 。 信在现代的国防，军事、经济领域中有着广泛的应用。 ( 3 ) 抗电磁干扰能力强。现有的电通信不能解决各种干扰问题，唯有光纤通信不 受电磁干扰。 ( 4 ) 信号在传输过程中总有一定的损耗，传统的电通信传输过程中信号损耗较 大，使用光纤通信损耗较低，可低于0 2 d b i k m ，这比目前任何传输介质的损耗 都低。因此，光纤通信的中继距离非常长，特别适用于长距离干线通信。应运而 生的海底光缆，使跨洋、跨国通信量迅速增加，通信速度更快。 ( 5 ) 光纤抗腐蚀，抗酸碱，且光缆可直接埋地下，适合化工企业的通信。 ( 6 ) 光纤的尺寸小，重量轻，一根普通的光纤比电缆的造价要低的多，因此光纤 代替电缆，除了使信息更多、更快的传递之外，还大大降低了通信成本。近年来， 随着光纤通信的发展，电话通信、电脑上网等信息通信价格都普遍降低。 j 下是由于光纤通信具有这么多的独特优点，奠定了光纤在现代通信中的支柱 地位。可以说光纤应用于通信，引起现代通信技术的一场革命。光纤通信技术的 发展实现信息全球化的目标，缩短了人与人之间的空间距离，极大地促进世界各 国的经济文化交流。光纤通信在现代通信技术发展中具有划时代的意义，具有广 阔的发展i i 景。 1 2 光纤通信技术的发展 1 2 1 工作波长近0 8 u m 的多模光纤通信系统 7 高锟提出的是单模光纤，但由于芯径太细，当时工艺达不到，难以生产。所 以采用了芯径较粗的多模光纤。在许多领域试验以后，工作在近0 8 u m 的第一 代光波系统在1 9 8 0 年丌始推广使用。它们的传输速率在4 5 m b s 的范围内，允 许的中继距离为l o k m ，与同轴电缆相比，它有较大的中继距离，这正是系统设 计者的主要动机，因为它减少了与每一个中继器相关的安装和维护的价格。 1 2 2 工作波长近1 3 u m 的单模光纤通信系统 2 0 世纪7 0 年代，操作波长在近1 3 u m 区域的光波系统能使中继距离显著增 加，在这一波长区域光纤的损耗低于1d b k m ，同时光纤在这一波长区域具有最 小的色散。这促使了在世界范围内对研究i n g a a s p 半导体激光器所做作的努力。 这样的半导体激光器在1 9 7 7 年由实验验证，在8 0 年代早期的第二代光通信系统 中得到使用，允许中继距离超过2 0 k m 。由于多模光纤存在模式色散 8 ，早期 的光通信系统的速率限制在低于1 0 0 g b i s ，由于单模光纤的应用，这一限制得到 克服。到1 9 8 7 年传输速率达到1 7 g b s ，中继距离约5 0 k m 的第二代1 3 u m 的 光纤通信系统成为商用。 1 2 3 工作波长近1 5 5 u m 的单模光纤通信系统 工作速率为2 5 g b l s 的第三代1 5 5 u m 的光波系统在1 9 9 0 年成为商用。经过 仔细设计半导体激光器和光接收机，这样的系统传输速率有能力超过 l o g b s 9 。利用色散位移光纤和单纵模激光器相结合获得了最好的性能。然而， 1 5 5 u m 光波系统的缺点是：信号是由中继距离为6 0 - 7 0 k m 的电中继器周期性地 再生。 1 2 4 波分复用( w d m ) 光波系统 随着信息量的扩大，一些新的光通信技术已经进入了光纤通信系统，例如波 分复用技术( w d m ) 和密集波分复用技术( m w d m ) 。光纤通信有2 5 x l 尼 的潜在带宽，为了充分利用光纤的带宽资源，可以在一条光线上安置频率( 波长) 不同并且有一定频率( 波长) 问隔的光信道。波分复用技术正是这一方案的体现。 波分复用技术是指在光的发射端，不同波长的光波被信号电流调制，通过波复用 器，传输进入同一光纤进行传输。在光接收端，不同波长的光波被解复用器分离， 选择出所需信道。相邻信道波长j 日j 隔在1 0 - 1 0 0r i m 时成为稀疏波分复用或波分 复用；在卜1 0n m 时称为密集波分复用；白j 隔小于1 n m ( i o g h z ) 称为频分复 用 1 0 一1 2 。波分复用系统结构图如图1 2 所示。 在光发射端，波分复用器作为光复用器使用；在光接收端，波分复用器作为 光解复用器使用。波分复用技术的采用，使得通信主干线不需重建的条件下，光 纤的通信容量随通信信道数成倍扩大，大大缓解了对通信容量的需求问题。d a o 1 9 9 6 年，总容量为4 0 g b i s 的w d m 系统已经商用。到2 0 0 0 年速度为l o o g b s 的 越洋太平洋系统( t p c 一6 ) 也已经在计划之中。 4 图1 2 波分复h j 通信系统框图 1 2 5 光放大器应用于光波系统 对于光纤远距离传输问题，光放大技术被应用。以往通过建立中继站的接力 传输方式被光放大器代替。不仅大大节约了通信干线的建造成本，还扩大了光的 传输距离 1 3 。现在常用的光放大器为掺饵光纤放大器，以单泵浦源光纤放大器 为例，其功率增益可达1 3 加以上，以光纤率衰减损耗0 2 d b h n 计算，传输距 离可扩大6 5 公罩。 图l3 光放大技术在光通信中的使用框图 1 2 6 全光通信系统 无论是波分复用技术还是光放大技术的采用，在光发射端，传输信号的调制 主要是通过电光调制来实现的。以电话传输过程为例，声音信号首先转换成电信 号，通过点信号的近距离传输，按照时分复用原理，声音信号被电信号经过模数 转换、编码和线路编码处理，调整光信号。声音信号在光发射端通过了声一电一 光的转换过程。所以，耳前的光通信实际上还是一种“电光通信”或者“半光通信”， 因此现有的光通信系统，最好的通信能力也要比理论峰值低上千倍。 如果声音信号直接转换成光信号，免除中间的“电”转换过程，将大大简化 光通信过程。为此，人们提出新的光纤通信方式一全光通信 1 4 1 5 ( 如图1 4 所 示) 。全光通信的主要特点是声光调制器的介入，避免了声光转换过程，减少对 “电”的依赖，实现全光路由交换的信号解调。传输模式一般是：激光一外调制 系统一光纤传输一全光解调光电探测一信号还原。具体来说，全光通信是指从 信源节点到目的节点的全过程，如传输、放大、中继、光存储、上下载“话路”、 分插复用、交叉连接等全部在光频范围内进行，即摒弃o e 和e o 等转换节点， 电仅仅只作为能源使用而不参与通信过程，这样可以摆脱电子器件瓶颈和经典信 道限制，实现高速、超大容量、长距离透明传输。 图1 4 全光通信框| ! i 1 3 保密通信概况 近年来，随着野战通讯、军事保密、网络安全的进一步要求，通信系统的保 密性越来越受到人们的重视。由于光纤通信系统抗电磁干扰能力强，且信息的传 输是通过光纤纤芯，光信号不向外辐射，泄露极小，在传输途中很难被窃听。这 使得光纤通信被人们普遍认为是种保密性强的通信方式，在现代的国防、军事、 经济上有着广泛的应用。 然而，目静大量采用的常规光纤通信系统大多是利用强度调制直测 ( i m - - d d ) 的方式，即把信息调制在光波上进行传送，然后用直接检波的方式 进行解调。经研究发现，在此系统中，虽然直接在传输线路上窃取光信号而不破 环光缆本身几乎不可能。但当光纤被剥去涂敷层，并使其产生微弯，导波条件被 破坏，光的传播途径将会发生改变，一部分光由传导模变成泄漏模，从纤芯渗透 到包层，甚至有可能穿过包层向外泄漏。此时光纤中传输的光信号转变为辐射模 泄漏出来，利用探测器便可获得调制后的光强信号，从而窃取到传输信息而不使 通信中断 1 6 。因此，加密技术应用于光纤通信的研究也越来越受到人们的重视。 目前应用于光纤通信的信息保密方法主要有以下几种：利用数学加密算法进行保 6 - ， 密通信，混沌保密技术应用于光纤通信，量子保密通信技术 1 7 】等。 1 3 1 利用数学加密算法进行保密通信 密码学的基本思想是将要传送的信息采用某种方式进行干扰，以致只有合法 用户彳能从中恢复出原来的信息，而对非法用户来说这些被干扰了的信息是无法 理解的。实现这一目标需要通信双方共同掌握一组比特( b t ) 序列，这组比特序 列像钥匙一样，本身并不包含任何信息，但有使用价值，密码学中称为密钥。密钥 可以为多个合法用户共享，也可以是每个用户只掌握自己的密钥。无论怎样，这种 保密通信的安全性完全依赖于密钥的安全性，用户必须确保自己拥有的密钥的安 全性，因此，密钥的产生，传输，贮存和管理等每个环节都变得异常重要。密钥的重 复使用和长期保存，必然带来安全性的降低，为保证通信安全，经常更换密钥是必 需的。 密码学中，习惯上称发送者，接收者及窃听者分别为a l i c e 。b o b 和e v e 。假 定a l i c e 和b o b 想进行秘密通信，a l i c e 利用密钥将可读的明文变换成不可读的 密文，然后将密文传递给b o b ，b o b 利用他与a l i c e 事先约定的密钥，通过解密变 换将密文还原成可读的明文 1 8 。在传输过程中，信道是公开的，原则上，任何人 都可能截取密文，通信安全性由密钥安全性来保证。图1 5 所示为密码系统的基本 单元。 a l i c e 图1 5 密码系统的基本单元 目前主要有两种密码体制：一是秘密钥密码体制，也称为对称钥密码体制。在 该体制中，加密密钥和解密密钥相同或可以互推，通信双方之间的密钥分配通常 是采用双方会晤或互派信使等方式来完成。密钥的载体( 如密码本、软盘等) ，都 是经典的客体。很容易理解，经典信息可以任意复制原则上不会留下任何印迹， 因而密钥在分发和保存过程中合法用户无法判断是否已被窃听：二是公开钥密码 体制，也称为非对称钥密码体制。在政体制中，加密密钥和解密密钥不相同且不可 以互推。它可以为事先没有共享密钥的双方提供安全的通信。实用上的该体制的 7 安全性是基于求解某一数学难题。例如著名的r s a 公开密钥体制，它的安全性是 基于把一个大数分解成为两个素数之积这样独特数学操作的困难之上的。 但在计算机技术发展如此迅速的今天，这类所谓的困难问题已远没有原来 那么困难，因此其安全性也就无法令人放心了。例如，1 9 7 7 年，美国出了一道解密 题，其解密需要将一个1 2 9 位数分解成一个6 4 位和一个6 5 位素数的乘积，估计用当 时的计算机需要用4 x1 0 1 6 年，然而到了1 9 9 4 年，只用8 个月就能解出。通过数学 加密算法对信息进行加密的方法已经证明可以被破译，只是破译的时间长短问题 而己。 1 3 2 混沌保密技术应用于光纤通信 混沌保密通信 1 9 2 2 主要有四类：混沌扩频、混沌键控、混沌参数调制和 混沌掩盖。前三类属于混沌数字通信，最后一类属于混沌模拟通信。现以混沌掩 盖为例，说明如何实现混沌通信。 m ( f ) 肌( ，) | 1 6 1 1 6 混沌通信系统框图 混沌掩盖利用混沌信号具有类似高斯噪声的统计特性，对信息进行掩盖，形 成混沌掩盖信号，从而简单地实现了保密通信。图1 6 为混沌掩盖通信系统框图。 其基本工作原理是：发送器用于产生混沌信号c ( f ) ，要传输信号r e ( t ) 与混沌信号 c ( ，) 进行叠加，经d p a 转换后送往信道进行传输接收器可基于某种同步方案 ( 如驱动一响应) 进行设计设s ( ，) 为从信道中接收并经a p d 转换后的信号，如 果接收器与发送器同步，则恢复出原始信号 m ( f ) = s ( t ) 一c ( ，) 混沌信号的强度大于被加密信号的强度是保证实现混沌同步的必要条件之 一这样真实信号被混沌信号所掩盖，而混沌信号具有信号频谱宽、类似噪声、随 机不可预测等特性，使得攻击者很难从传输信号中分离出原始真实信号另外还 要求收发两端使用相同的混沌系统以及系统参数和状态初值，目的是使系统同步 8 并输出相同的混沌信号，以便j 下确地恢复信号 虽然混沌及其同步理论已有许多研究成果，但如果要真正应用于工程实际， 在理论和工程技术上都还有许多尚未解决的问题。目前有许多文献都提出了半导 体激光器激光混沌通信系统，但在光纤通信中的研究还少见。因此，激光混沌在 长距离光纤保密通信中的研究还有待进一步深入。 1 3 3 量子保密通信技术 1 9 8 4 年b e n n e t t 和b r a s s a r d 提出了一种基于4 个量子态的量子保密通信协议 称为b b 8 4 协议 2 3 。从那时起，量子信息学的重要分支量子保密通信在理论 和实验上有了飞速发展。又相继出现了基于两个非正交量子念的b 9 2 协议 2 4 ， 基于光子纠缠对的e p r 协议 2 5 。实验上，从最初的空间3 0 c m 通信距离 2 6 ， 发展到现在的空i 日j 2 3 1 4 k m 2 6 、光纤中6 7 k m 2 7 。目前，美国、英国、瑞士和德 国竞相在该领域开展了广泛深入的实验研究我国也相继在量子保密通信的理 论和实验方面开展了研究 2 8 3 1 。 量子保密通信就是基于量子力学效应利用随机产生的量子密钥( 密码) 对信 息进行加密。量子密钥是由单光子组成的0 和l 的随机序列。o 和1 的随机序列是通 过改变光子的偏振方向或相位形成的。发射接收双方在线路上确认所传输的单光 子没被窃听时才同时产生密钥，并用密钥对信息进行加密传输。根据量子力学的 原理，单光子是不能分裂也不能复制的，任何想复制光子的企图都会立即被发现。 因此，量子保密通信技术在理论上是保密的。 然而，目前量子保密通信技术尚处于实验室研究阶段，未能实际在光纤通信 领域得到实际应用。 1 4 研究思路及研究内容 基于前述内容，本课题所研制的全光纤语音传输系统应用于全光通信与点对 点的保密通信领域中。能够实现信号的全光提取，无需电信号的参与，对全光通 信的研究具有一定的意义。同时，由于系统自己的相干性，能够实现无需加密的 信息安全性传输。主要内容如下： 1 在课题的工作过程中，我们利用激光器、光调制器、耦合器、光探测器和光 纤构造出一体化的全光通信系统。具体推导了全光纤语音传输系统的工作原理： 当声音信号施加于光纤，根掘光弹效应原理，声压的作用导致光纤的长度和折射 率发生了变化，从而引起感应光纤中传输光的相位的改变。利用白光干涉原理， 通过设计干涉光路，使得光相位的改变传化为光强的变化，从而进行信号的解调。 9 2 此外，本课题还对系统的保密性能进行了理论分析，证明了利用主干线窃取 信号，以及构造相应干涉系统的方法均不能造成传输信号的失密，证明了系统的 保密性。在对系统的工作原理及其保密性传输机理分析的基础上，通过实验验证 了系统的工作原理，成功再现了3 0 0 h z 一3 4 0 0 h z 范围内的单频下弦信号及实际 语音信号的录入、传输、与还原过程，得到稳定的波形对比曲线及清晰的音质效 果。该系统有望应用于距离为4 0 公罩的点对点保密通信。 3 同时通过理论计算与模拟，分析了影响系统灵敏度的因素。结果表明：在作 为传感头的光纤最外层体积模量和杨氏模量固定的情况下，外层直径越大，灵敏 度越高，并且随着直径增大灵敏度趋于一个极限值。在杨氏模量和外层直径都固 定的情况下，体积模量越大，灵敏度越小，并且随着体积模量的增大，灵敏度趋 于一个极限值。 4 计算了全光纤话筒探头形状对系统灵敏度的影响，得到以下结论：当光纤缠 绕在圆柱形塑料上，探头的灵敏度随着缠绕光纤端的圆柱半径的增大而减小，随 着缠绕光纤端的圆柱长度的增大而增大。此项工作对光纤的敏化和锐化实验有着 理论指导意义。 1 0 第二章全光纤语音传输系统的工作原理 在本章中，首先提出了系统的结构示意图，指出了系统的特点是能够利用全 光纤的方式提取语音信号，并进行语音信号的传输，解调及播放。然后介绍了全 光纤语音传输系统的工作原理和设计方案，指出系统是通过光弹效应的原理实现 信号的提取，利用白光干涉原理构造光路进行信号的解调，实现信号的还原。通 过具体推导传输机制与干涉原理，证明了系统本身具有保密性，无需加密即可进 行语音信号的保密性传输。 2 1 系统结构 全光纤语音信号传输系统主要由以下几部分组成：s l d 宽光谱光源，全白 光干涉系统( 利用一支3 3 耦合器与一支2 x 2 耦合器构成光路) ，传输光纤， 电路处理部分( 包括光电探测器、放大电路等) 。 其基本结构框图如图2 1 所示。l 一8 分别为光纤耦合器的输入输出端口；9 为4 0 k m 传输光纤，在实验中模拟光纤传输主干线；l o 为一端端面镀有反射率为 8 5 的高反铝膜的全光纤话筒，l i 为全光纤干涉系统，由两只分别是3 3 与2 x 2 的耦合器构成。2 x 2 的耦合器与3 x3 耦合器的分光比分别是5 0 ：5 0 与5 0 ： 5 0 ：5 0 。系统所用的光纤为g 6 5 2 型单模光纤。系统采用的激光器工作波长 五= 1 3 l o h m ，谱宽3 2 h m 的s l d 宽光谱光源。p i n l 和p i n i i 为高灵敏度的i n g a a s 光电探测器，其灵敏度达到6 0 d b m ，可大大的降低系统对光源输出功率的要求。 剀2 1 全光纤语音传输系统结构示意图 系统的工作过程为s l d 输入的光分成两束，经过3 3 耦合器、2 x 2 耦合 器、主线传输光纤9 后到达全光纤话筒，光束被话筒一端端面的镀膜层反射后， 再次经由2 x 2 耦合器与3 x3 耦合器，在3 x3 耦合器内形成干涉，将光相位信 号转化为光强信号，通过光电转换后接入相应的语音播放设备，即可还原出语音 信号。 2 2 系统构成器件原理分析 构成本系统的主要器件有s l d 光源、光纤耦合器、光电二极管、光纤等， 下面对主要构成器件的工作原理分别加以介绍。 2 2 1s l d 光源 在光纤通信中，将电信号转变为光信号是由光发射机来完成的。光发射机的 关键器件是光源，光纤通信系统中对光源器件在发光波长，电光效应，工作寿命， 光谱宽度和调制性能等许多方面均有特殊要求，所以不是随便哪种光源器件都能 胜任的。目前在以上各个方面都能较好满足要求的光源器件主要有半导体发光二 极管和半导体激光器。其中半导体激光器作为光源有其不可替代的优点：体积 小、重量轻、电光效率高、使用方便。 实验中采用的是中心波长为1 3 1 0 n m 的超辐射二极管一一s l d ( s u p e r l u m in e s c e n t d i o d e ) 。s l d 是基于高增益单波导放大器的超辐射，它在宽光谱 范围内自发辐射光子，再受激放大产生激光，因而具有宽谱特性。 i 墨| 2 2f - p 删l d 图2 2 所示为半导体激光器的发光机理图。一般的半导体激光器中，通过适 当的光学设计，在半导体异质结形成的有源区周围建立起光正反馈。在结区加正 偏压时，载流子( 电子与空穴) 在电场作用下克服势垒到达结区时，电子受电场作 用被激发到高能念，一部分电子与空穴复合时释放光辐射，而一部分光又被电子 吸收而将电子激发到高能态，也有的电子与空穴复合能以热能等形式释放。电子 与空穴复合后回到低能念。当电流达到一定密度时，激发态电子数超过了基态电 2 子数，即实现了所谓的粒子数反转，这时电子如受到外来光子激发，即发出与其同 频、同向的光辐射并回到基态。射向腔面方向的光受腔面反射而在两腔间来回振 荡，途中不断激发新的同频、同向光辐射。一部分光在传输过程中被介质吸收而 损耗，在光增益大于损耗时，两腔面| 日j 的光往复振荡越来越强，就产生了方向性、 相干性好、亮度高，频带窄的光激光。 s l d 光源一般采取双异质结来束缚有源区，达到很高流密度，从而实现粒子 数反转。但由于没有光正反馈，所以其发光是对自发辐射光的放大。输出光具有 一些激光的特点，但谱宽比激光宽，约几十n m ，相干性较激光略差。 由于光路系统的单芯结构，使得相干涉的两路光在实际光程上是相等的，产 生干涉的相位差来自于动念光程差，这就造成了宽光谱的s l d 光源可应用于本 系统。同时由于光源的相干性差，造成了光束发生干涉的条件更加严格，从而实 现了系统自身的保密性。 2 2 2 光纤耦合器 耦合器的功能是把一个或多个光输入分配给多个或一个光输出。耦合器可以 分为三大类，即半反镜或多层介质膜式光耦合器，光波导型( 平面波导等) 型和 光纤型耦合器三种 3 2 3 5 】。当很多根光纤芯部紧贴，经熔融延伸或研磨后，纤芯 的闭光能力有所减弱，于是就有光向芯外扩散现象产生。一根光纤中的光信号就 被部分耦合到其它的光纤中去。光纤耦合部存在着光传播常数不同的对称或反对 称两种模式。在入射端两模式同相位被激励，在输出端光的耦合状态则取决于两 模相差的重叠。因此，控制光纤耦合部结构，以及两模的相差便可以得到任意耦 合状态。光纤耦合器的主要参数有耦合度、插损和透过损失等。令原入射光强为 ，。，原出射光强和分支光强分别为，；和，：，则祸合器参数定义如下： 最简单的光纤耦合器是具有两个输入和两个输出的器件，称为“2 2 耦合 器”。其通用结构是熔融光纤耦合器。通过将两根单模光纤扭绞在一起，加热并 进行拉伸，使它们在长为l 的均匀部分熔融在一起形成耦合器。其结构图如图 2 3 所示。 由理论计算得，耦合器的两输出信号的功率与输入信号的功率成正比，两输 出信号的功率不存在相位的变化，选择不同的耦合长度l ，可以实现光功率的任 意分配，这币是耦合器分光特性的具体体现。在我们研究的系统中，在解调端利 用的也是耦合器的这种光功率分配特性，从而形成干涉信号，由相位差解调出原 来的语音信号。 节：坠一一二；三一鬈r 一一一一一1 r l “峄 | ! | 2 32 2 耦合器结构示意幽 3 2 2 3 光纤 光纤，又名光导纤维，是2 0 世纪7 0 年代为光通信而发展起来的一种新型材 料，具有损耗低、频带宽、耐高温、绝缘性好、扛电磁干扰、光学特性好等优点。 1 9 6 6 年英籍华人高锟提出了利用光导纤维进行信息传输的可能性，开始了光纤 的研究工作。1 9 7 0 年，美国康宁公司率先研制出了世界上第一根传输衰减损耗 小于2 0 d b k m 的石英光纤。目| j ，普通单模光纤的传输损耗在工作波长为1 5 5 0 纳米窗口损耗小于0 2 d b k m ，在1 3 1 0 纳米窗口损耗小于0 3 d b k m 。目前商业用 光纤制作工艺多为渐变折射率芯层光纤。 从传输模式来说，光纤分为单模和多模两种。从结构上来说，分为普通光纤 和特殊光纤。普通光纤包括单模光纤和多模光纤，特殊光纤包括保偏光纤、单偏 振光纤和塑料光纤等。普通光纤的外径为