0　引言

光纤通信由于其具有的优良特性，能够实现高速、大容量的信息传输，已经成为主要的信息传递技术之一，被广泛应用在生活、军事、航天等各个领域。随着光通信技术的发展，利用光网络攻击和窃听等手段窃取光网络设备节点的信息已成为可能，对光网络的安全造成了严重的威胁[1]。为了提高网络的安全性，人们对多层安全技术进行了探索和研究[2-3]，其中，包括物理层密码技术。光网络物理层加密/解密是通过非线性光学器件，在光网络的物理层对光信号进行处理，利用器件的非线性效应来改变光信号的频率、振幅、相位和偏振，这样使得光信号的传输、存储和验证更加安全[1]。基于光信号处理技术的光网络物理层加密/解密，由于实现简单、易于控制、能够实现高速的在线加密，引起了广泛关注[1,4-5]。

在光网络物理层加密时，最常用的加密算法是通过异或逻辑门(XOR)实现的[ 1,4,6]，这些方案大多用于二进制幅度调制光信号，主要利用了非线性材料的非线性效应，包括交叉增益调制效应(XGM)和交叉相位调制效应(XPM)等。近几年，有文献提出利用半导体光放大器(SOA)和高非线性光纤(HNLF)的四波混频效应(FWM)实现差分移相键控调制(DPSK)和四相移相键控调制(QPSK)光信号的异或逻辑门(XOR)[7-12]。文献[4]提出利用SOA的FWM效应实现八相移相键控调制格式(8PSK)光信号的加密/解密，并进行了理论分析和仿真。

另一方面，差分正交相移键控(DQPSK)作为一种多进制的相位调制格式，具有非常优异的性能，在高速的光纤传输系统中有广泛的应用前景。DQPSK调制格式的优异性能体现在以下几个方面：具有非常窄的频谱宽度，频谱效率很高，系统容量大；具有近似和恒定包络，对光纤的色散和非线性效应有很强的容忍能力；可以在光域低成本实现等[ 13-14]。因此，研究DQPSK光信号的加密/解密具有一定的理论意义和应用价值。

临沭地瓜由其独特的自然生态环境和特定的生产方式造就了其“薯块大小适中、薯皮光滑、肉质细腻、味甜”的优良品质。所生产的地瓜烤熟加工后具有香、甜、软、糯等口感。

根据发送端编码和调制方式，接收端采用图6所示的平衡接收装置，即可恢复u和v路电信号。

1　DQPSK光信号加密/解密方案

1.1　DQPSK光调制格式

本文利用SOA的FWM效应，实现DQPSK光信号的加密，如图2所示，当2个光DQPSK信号(a1，a2)同时注入SOA时，假设2信号的频率分别为ω1和ω2，则由于FWM效应，在频率ω3=2ω2-ω1处将会产生一个新的光DQPSK信号a3。根据式(2)，可以得到a3的相位θ3与输入信号a1的相位θ1和输入信号a2的相位θ2的对应关系为θ3=2θ2-θ1，可见a3的相位中携带了输入光信号的相位信息。假设输入的a1是数据、a2是密钥，又由于它们都是相位调制格式，则a3携带了数据a1的信息，可以看作是a1被加密后的密文。

1.2　FWM效应

在非线性材料中，几个光波之间相互耦合作用而产生新的光波，这种非线性效应称为FWM。如图1所示，当输入2束频率分别为ω1和ω2的光波时，由于简并FWM效应，在ω112=2ω1-ω2、ω221=2ω2-ω1处将产生2个闲频光，其电场可以表示为E112和E221，表达式[ 15]如下：

经过滤波和平衡接收，接收端恢复的2路电信号u′、v′与发送端的u、v电脉冲波形如图9所示。可见收发脉冲变化规律一致，由于受MZM调制器、SOA传输特性、滤波器和放大器、以及平衡接收机性能不理想等因素的影响，恢复电信号脉冲发生了一定程度的畸变。

(1)

(2)

式中，Ei、ωi、θi(i=1或2)为输入光波的电场幅度、角频率和相位；k112和k221为转换效率。

图1　FWM效应原理图

1.3　DQPSK光信号的加密

DQPSK光调制是一种基于相位调制的新型光调制格式，其相位有4种可能的取值，可以利用正交调制方法产生。原理是先对输入数据做串并变换，即将二进制数据每2个比特分为一组，接着进行差分编码，得到4种组合：(00)、(01)、(11)、(10)，每组的前一比特为同相分量I，后一比特为正交分量Q，然后利用同相分量和正交分量分别对2个正交的载波进行2PSK调制，最后将调制结果叠加，得到DQPSK光信号。显然，同相、正交分量的4种组合分别对应DQPSK光信号的4种相位。

图2　DQPSK光信号的加密原理

假设数据和密钥的同相、正交分量的4种组合(00)、(01)、(11)、(10)都分别对应4种相位π/4，3π/4，5π/4，7π/4，则根据以上分析，可以得到密文a3的同相、正交分量与数据和密钥的关系，如表1所示，其中Ii、Qi分别为各个光DQPSK信号的同相和正交分量。

表1　密文编码与数据和密钥的关系

密文a3I3Q3(θ3=2θ2-θ1)密钥a2I2Q2(θ2)00π/4()01(3π/4)11(5π/4)10(7π/4)数据a1I1Q1(θ1)00π/4()00π/4()11(5π/4)00π/4()11(5π/4)01(3π/4)10(7π/4)01(3π/4)10(7π/4)01(3π/4)11(5π/4)11(5π/4)00π/4()11(5π/4)00π/4()10(7π/4)01(3π/4)10(7π/4)01(3π/4)10(7π/4)

图4给出了完整的DQPSK光信号的加密、解密系统框图。需要注意的是，为了确保密钥的安全性，密钥可以通过与数据不同的通道传输。

I3=I2⊕Q2⊕Q1

(3)

Q3=I2⊕Q2⊕I1

(4)

可见，利用SOA的FWM效应，对数据和密钥2个DQPSK光信号的同相、正交分量进行了XOR逻辑操作，从而实现了对数据的加密。

1.4　DQPSK光信号的解密

同理，到了接收端，再次利用SOA的FWM效应，可以实现DQPSK光信号的解密，如图3所示。

图3　DQPSK光信号的解密原理

将密文a3(频率ω3)和密钥a2(频率ω2)同时注入SOA，利用FWM效应，则在ω1=2ω2-ω3处产生一个新的DQPSK信号根据式(3)、(4)，a1′的同相和正交分量编码为

①安装：将机器人及手持采集器、汽油发电机、附属材料等检测设备和材料运到水库现场,取出爬行器和镜头，通过快接接头将镜头固定在爬行器上，检测所用的轮子视涵洞水位及洞底平整度情况,选用直径为26.67 cm(8寸)的轮子。利用控制电缆将爬行器和镜头、主控制器连接起来，连接主控制器电缆到发电机插口。

I2⊕Q2⊕Q3=

本文采用Optisystem软件对基于SOA的光DQPSK信号加解密方案进行仿真。

I2⊕Q2⊕I2⊕Q2⊕I1=I1

(5)

I2⊕Q2⊕I3=

新时代实现中国梦，也必将与现在、将来继续坚持弘扬爱国主义精神密不可分。习近平总书记指出：“行百里者半九十。中华民族伟大复兴，绝不是轻轻松松、敲锣打鼓就能实现的。”因此，全党和全国人民必须要坚持进行伟大斗争、坚持建设伟大工程、坚持推进伟大事业，必须要准备付出更为艰苦、更为艰难的巨大努力。面对现在以及即将来临的艰难困苦，如何坚持？如何克服？唯有继续坚持弘扬为国家献身、为人民献身、为民族献身的伟大爱国主义精神！

I2⊕Q2⊕I2⊕Q2⊕Q1=Q1

(6)

从式(5)、(6)可见，在理想情况下，对应的同相、正交分量与加密前数据a1的同相和正交分量一致，说明实现了解密。

根据GB/T 33195-2016《道路交通事故车辆速度鉴定》有关条款及方法，公式中的侧滑附着系数φ′与轮胎的滑移附着系数φ之间的关系为φ′=0.97φ+0.08。

根据表1，可以推导出密文编码与数据和密钥编码之间的关系为

图4　基于SOA-FWM效应的光DQPSK信号加/解密系统框图

2　仿真与结果分析

①“动中通”：采用“动中通”卫星天线，在运动过程中可实时跟踪卫星，不间断地传递语音、数据、图像等信息，满足移动条件下多媒体通信的需要。

2.1　光DQPSK信号的产生和解调

光DQPSK信号的产生采用并联MZM(马赫曾德尔调制器)方式[ 14,16-17]，如图5所示。输入2个连续的比特流u和v，首先经过电域的预编码后得到同相部分(I)和正交部分(Q)，分别去调制2个MZM，通过设置合理的调制参数，使得当I和Q的组合为(00、01、11、10)时，对应的输出光的相位为(π/4、3π/4、5π/4、7π/4)，则相邻相位差有(0、π/2、π、3π/2)四种取值可能。采用一定的预编码算法，使得当u和v的组合为(00、01、11、10)时，对应的相位差分别为(π、π/2、0、3π/2)，即产生了光DQPSK信号。

图5　DQPSK的并联MZM方式

SOA因其体积小、非线性系数高、易于集成的优点而备受关注，在全光信号处理方面具有很大优势，非常适合用作全光逻辑开关。而FWM 是一种超快的带隙过程，具有响应速度快、对数据速率和格式透明的优点，能够实现高速的信号处理，尤其适合相位调制信号。本文研究了如何利用SOA的FWM效应实现DQPSK光信号的加密和解密,给出了系统模型，并通过软件仿真，验证了方案的可行性，最后分析了关键参数对系统性能的影响。

图6　DQPSK光信号的平衡接收

2.2　仿真参数设置

仿真时，首先产生2个光DQPSK信号a1和a2，其中密钥a2被分成两部分：一部分与数据a1合并，经过偏振控制器后，注入SOA1，利用FWM效应，实现加密，经过带通滤波器后，得到密文a3；另一部分与加密后的密文通过不同的光纤链路传输，经过相位调整后合并，注入SOA2，再次利用FWM效应，实现解密，经过带通滤波器后，恢复数据a1。最后通过平衡接收，得到原始电信号。仿真关键参数的取值如表2所示。

表2　仿真参数设置

参数取值SOA注入电流/A0 43(SOA1)0 45(SOA2)SOA长度/m0 001SOA差分增益/m22 78×10-20SOA透明载流子浓度/m31 4×1024SOA线宽增强因子5(SOA1)6(SOA2)输入数据和密钥的中心频率/THz193 1(数据)193 15(密钥)

2.3　仿真结果与分析

首先产生4路10Gb/s、不相关的伪随机序列，然后采用并联MZM方式分别产生2个20 Gb/s的光DQPSK信号，分别作为数据和密钥。图7(a)为产生的20 Gb/s的DQPSK光信号功率谱，其30 dB带宽约为20 GHz。为了便于比较，图7(b)给出20 Gb/s光DPSK信号功率谱,其30 dB带宽约为40 GHz。可见，与DPSK相比，DQPSK格式的频谱效率提高了一倍。

图7　光DQPSK信号与DPSK信号功率谱对比

SOA1和SOA2的输出功率谱如图8所示。

图8　SOA输出功率谱

经过SOA1后，在193.2 THz处产生了新的频率分量即密文，它携带了数据的信息，实现了加密；将密文取出后与从另一通道来的密钥，再经过SOA2后，在193.1 THz处产生了新的频率分量，即解密后恢复的数据。

基于上述情况，本研究提出一种新的对菌液浓度的表示方法，利用图像检测方法[6]提取到的颜色特征值通过实验得到菌体生长期间数量变化时菌液浑浊度的改变与颜色特征值的关系，为以后对符合要求的菌体设定合适的阈值自动检测筛选提供基础.

高压氧(hyperbaric oxygen，HBO)在外科的一些领域已经证实可以促进伤口恢复，减轻瘢痕增生。本研究通过动物实验研究HBO对减轻鼻腔黏膜术后恢复过程中产生的瘢痕粘连是否有效。

图9　输入输出波形

从图10可以看出，恢复的两支路电信号u′、v′的眼图张开度较好，实现了较好的接收，验证了本方案的可行性。

图10　输出眼图

为了分析加解密系统的性能，将解密后的接收误码率(BER)作为评价指标。由于SOA的注入电流和输入光功率会影响FWM效应引起的增益和相位变化，从而影响输出误码率，因此本文分析了在不同SOA注入电流下(令ISOA1=ISOA2)，解调得到的u′支路和v′支路的误码率变化曲线，如图11所示。其中，P1是注入SOA1的信号光功率(信号光功率和密钥光功率相等)。由图11可见，随着注入电流的增加，误码率呈减小趋势，这是因为较大的偏置电流有利于提高FWM转换效率；当电流小于0.4 A时，两支路的误码率近似相等,而当电流大于0.4 A时，随着电流的增加，两支路误码率的差别开始增大。在相同的电流下，考虑不同的输入光功率P1(-11.7 dBm和-13.7 dBm)，当电流小于0.44 A时，有P1为-11.7dBm时的误码率大于P1为-13.7dBm时的误码率,这是因为当电流较小时，较大的光功率会造成SOA增益饱和，从而降低FWM转换效率，造成误码率增大；当电流大于0.44 A时，P1为-11.7 dBm时的误码率小于P1为-13.7 dBm的误码率，这是因为较大的电流可以提供更多的载流子，SOA不容易饱和，同时较大的光功率能够提高FWM转换效率，在一定程度上降低了误码率。根据图11，为了降低系统的电流消耗，并保持适当的误码率，SOA1和SOA2注入电流的范围取0.4～0.43 A。

图11　接收误码率随SOA注入电流的变化曲线

为了详细分析SOA1的输入光功率对误码率的影响，将SOA1和SOA2的注入电流都取0.4 A，得到误码率随输入信号光功率P1(信号光功率和密钥光功率相等)的变化曲线，如图12所示。在误码率的合理范围内，两支路误码率近似相等，而且随着光功率的增加，误码率先减小后增大。这是由于在一定的电流注入下，随着光功率的增加，FWM转换效率增大，可以降低误码率，而当光功率达到一定值时，SOA趋于饱和，这时光功率再增加，会使得各种非线性效应增强，例如码型效应等，最终导致误码率增加。根据图12，当注入电流为0.4 A时，输入SOA1的信号光和密钥光功率的取值范围为-14～-13dBm。

大数据是一个抽象概念，可以把理解为对亿量级的网络数据经行收集并能对进行实时计算与分析的技术。随着互联网的不断发展，网络上的信息在得以扩充后，时刻都在不断变化着，传统的数据分析技术并不能及时处理网络信息。

图12　接收误码率随SOA1输入光功率的变化曲线

3　结束语

基于光信号处理技术的光网络物理层加密/解密，由于实现简单、易于控制、能够实现高速的在线加密，是目前研究的一个热点。本文针对光DQPSK信号的加解密问题，分析了SOA中FWM效应的原理，结合光DQPSK调制格式的特点，构建了一种用于光DQPSK信号的异或门，在此基础上，搭建了光DQPSK信号的物理层加密和解密系统框图。通过软件仿真，验证了方案的可行性，并分析了注入电流和输入光功率对系统误码率的影响，对参数选择提供了一定的参考价值。

参考文献：

[1]　周鹏.基于半导体光放大器的全光异或逻辑门及加密解密技术[D].上海：上海交通大学,2015.

[2]　Zuquete A,Barros J.Physical-layer encryption with stream ciphers[C]//IEEE International Symposium on Information Theory.IEEE,2008:106-110.

[3]　Kanter G S,Reilly D,Smith N.Practical physical-layer encryption:the marriage of optical noise with traditional cryptography[J].Communications Magazine IEEE,2009,47(11):74-81.

[4]　Zhang M,Cui Y,Zhan Y,et al.Optical encryption/decryption of 8PSK signal using FWM-based modified XOR[J].Applied Optics,2015,54(25):7813.

[5]　Froehlich F F,Price C H,Turpin T M,et al.All-optical encryption for links at 10 Gbps and above[C]//Military Communications Conference,IEEE,2005:2158-2164.

[6]　Castro J M,Djordjevic I B,Geraghty D F.Novel super structured bragg gratings for optical encryption[J].Journal of Lightwave Technology,2006,24(4):1875-1885.

[7]　Wang J,Yang J Y,Huang H,et al.All-optical 50-Gbaud/s three-Input hybrid addition/subtraction of quaternary base numbers using multiple non-degenerate FWM processes and 100-Gbit/s DQPSK signals[C]//European Conference and Exhibition on Optical Communications.IEEE,2012:1-3.

[8]　Wang J,Sun Q,Sun J.All-optical 40 Gbit/s CSRZ-DPSK logic XOR gate and format conversion using four-wave mixing[J].Optics Express,2009,17(15):12555.

[9]　Deng N,Chan K,Chan C K,et al.An all-optical XOR logic gate for high-speed RZ-DPSK signals by FWM in semiconductor optical amplifier[J].IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,2006,12(4):702-707.

[10]　Kong D,Li Y,Wang H,et al.All-optical xor gates for QPSK signals based on four-wave mixing in a semiconductor optical amplifier[J].IEEE Photonics Technology Letters,2012,24(12):988-990.

[11]　Kong D,Li Y,Wang H,et al.All-optical XOR gates for QPSK signals based on four-wave mixing in a semiconductor optical amplifier[J].Photonics Technology Letters,IEEE,2012,24(12):988-990.

[12]　Deng N,Chan K,Chan C K,et al.An all-optical XOR logic gate for high-speed RZ-DPSK signals by FWM in semiconductor optical amplifier[J].Selected Topics in Quantum Electronics,IEEE,2006,12(4):702-707.

[13]　吴建红.高速光传输系统的调制格式及其性能分析[D].西安：西安电子科技大学,2007.

[14]　雷波.WDM超长距离传输系统中新型光调制格式的研究[D].北京：北京邮电大学,2006.

[15]　Lundström C,Tipsuwannakul E,Lu G W,et al.Format conversion of optical multilevel signals using FWM-based,optical Phase Erasure[J].Journal of Lightwave Technology,2011,29(16):2460-2466.

[16]　赵琳.高速光纤通信传输系统中的先进调制格式研究[D].北京：北京交通大学,2009.

[17]　魏伦.先进光相移调制格式的产生、解调及特性研究[D].武汉：华中科技大学,2008.