信息安全论文阅读：全光学码分多址加密解密Demonstration of an All-Optical OCDMA Encryption and Decryption

妖狐艹你老母 2022-05-27 05:46 111阅读 0赞

Demonstration of an All-Optical OCDMA Encryptionand Decryption System With Variable Two-Code Keying

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此框架是第一个全光学光码分多址（OCDMA）加密和解密系统，它具有可变的双码密钥。基于非线性光学环路镜（NOLM）的异或（XOR）在加密中采用了迄今为止最短长度的硅基非线性光纤元件，实现了紧凑的结构。光纤布拉格光栅阵列在XOR的输出端口，从宽带脉冲产生波长跳变时间扩展的OCDMA码，从而产生可变的双码键控，代码切换调制格式，其特征在于比特表示的随机交替和差分分析的免疫性，不同固定的两码键控。用于解密的太赫兹光学不对称解复用器，显示了基于非线性光纤和基于半导体光放大器的NOLM配置的相互兼容性。此架构有可能做到一次性加密和解密以获得无条件安全性。

研究全光独占或（XOR）逻辑门出于对完全安全的数据网络的需求，因为完美的安全性需要逻辑不可逆性。二进制数据的一次性填充是一种理想的加密方案，它将数据位（明文）和等长的一次性随机位填充一次。由此产生的逐位加密数据（密文）是数据和一次性键盘的XOR。窃听者无法在不知道一次性密码（秘密密钥）的情况下解密数据;因此，数据的无条件安全性得以实现\[1\]。加密和解密系统在图1中完整示出。数据是将被加密的，并且密钥提供加密能力。密钥通过单独的光纤发送到发送器（加密）和接收器（解密）。

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图1.系统架构。 BPF：带通滤波器; MLL：光纤锁模激光器;网络：假想的公共网络; SC：超连续谱的产生; VDL：可变延迟线。

对于加密，此架构的新颖之处在于两种配置的组合：执行XOR逻辑运算的非线性光学环路镜（NOLM）和充当OCDMA编码器的光纤布拉格光栅（FBG）阵列。此文对\[7\]中使用的NOLM的改进是用GeO -doped silica-based fiber或HDF取代较大的非线性系数和较短的长度。本架构的10.9m HDF降低了延迟，减少了走动，并且与380m高线性光纤相比表现出了紧凑性\[7\]。其HDF（预制件编号311）的参数可以在\[8\]中找到。

XOR之后的输出arm是FBG阵列。 FBG阵列完成两项任务：它从宽带探测脉冲创建WHTS OCDMA码\[9\]，并滤除控制脉冲。具体而言，所创建的WHTS码是载波跳频素数码，其保持零自相关旁瓣和最多一个互相关\[10\]。

对于解密，可以再一次结合FBG序列，就有了反向安排（解码器）以及NOLM。非线性元件的解密和加密方案不同，因此显示了基于光纤和基于半导体光放大器（SOA）的设计的相互兼容性。因此，使用与加密相同的XOR进行解密并不是一项严格的要求。尽管之前已经演示了一个基于SOA的加密/解密系统\[11\]，但作者是第一个实施基于光纤的加密设计的公司，该设计速度更快，噪音更小。具体而言，作者完成了OCDMA全光学加密和解密系统的首次演示。算是竞争优势吧。

实验部分

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图2.（a）更详细地分开显示的加密体系结构。 （b）从加密输出的顶部到底部的示波器图像：数据（钥匙关闭），钥匙（数据关闭），异或输出（数据打开，钥匙打开）。

图2（a）显示了执行加密的发射机。

C，S，D，N格式有问题啊，这什么玩意，我删不掉啊

如图所示，在1.25 Gb / s的OC-24速率下，以中心在1552 nm附近的〜4-nm带宽的2-ps超连续谱（SC）探测脉冲被注入平均功率为12.4 dBm的环路中。每个探头脉冲均分为顺时针（CW）脉冲和逆时针（CCW）脉冲。控制器（数据，键）是以与探测序列相同的重复速率进行操作的单独调制的开关列（在对应于“1”或“0”的每个比特周期中的脉冲或无脉冲），但具有3.5-ps脉冲宽度，集中在1540 nm附近的1-nm带宽和平均功率21-dBm。控制脉冲和探测脉冲的时序是这样的，即进入环路的控制脉冲到达与CW和CCW脉冲重叠，以成对的方式通过环路传播。色散在脉冲移动时进行分离，但它们在HDF中重叠的时间足够长，以获得非线性相移（由于交叉相位调制）以实现适当的XOR执行。

XOR操作基于CW和CCW脉冲之间的相对相移。偏振控制器被调整为使得通过非线性相移，CW和CCW脉冲在反射端口（标记为非XOR）建设性地结合。注意反射和透射端口（XOR，非XOR）通过能量守恒互补;例如，如果探针脉冲出现在端口1上，则在端口2上不出现探针脉冲。因此，根据数据和组合键，探针脉冲从端口到端口逐位切换。有关可能的组合，请参阅表I。

宽带探测脉冲在退出环路后，被一个FBG阵列滤波成更小的带宽脉冲，这些脉冲被单独延迟以创建一个完整的WHTS OCDMA码，代码1或代码2。每个FBG反射一个具有不同中心波长的窄带宽脉冲，每个波长由于沿着光纤的位置而经历不同的延迟。代码中使用的四个FBG波长相隔~0.8 nm。两arm的长度相等，因此在耦合器的输出端可以观察到码转换，其中码1或码2出现在每个比特周期中。因此，加密的数据比特表示根据数据和密钥在两个OCDMA码之间交替。由于先前的异或操作，这种双码键控交替是以随机方式完成的。为了实现高质量的码转换，本图匹配每arm的平均功率。

图2（b）显示了加密输出。示波器图像没有显示控制脉冲，因为它们被编码器过滤掉了。图片显示了两个代码，每个代码包含四个脉冲，时间间隔不同。造成脉冲高度不均匀的一个因素是非平面SC谱。在这里，更平坦的SC频谱的可行改进将产生更清洁的加密，因为不相等的脉冲高度可以向窃听者提供有用的信息。

如图3（a）所示，加密数据被直接发送给接收者进行解密。解码器，每个arm中的一个，都是编码器的补充：光纤中FBG的顺序相反。解码器1在收到代码1时，在同一时间点对齐所有四个脉冲，构成一个单峰峰，称为自相关峰。类似地，解码器2从代码2创建自相关峰值。然而，当解码器和代码不匹配时，在FBG解码之后产生四个小的互相关峰值。因此，接收机中的每个arm都带有一系列自相关和互相关峰值。在一个位周期内，当一个arm中出现自相关峰时，互相关峰出现在另一个arm中。

这些序列进入太赫兹光学不对称解复用器（TOAD）\[12\]，一个具有不对称放置增益钳位SOA的光纤环路，而平均功率为7.3 dBm的关键脉冲串通过另一个耦合器进入。 TOAD的输入功率电平为10 dBm。 键脉冲控制TOAD的状态，使得每当键脉冲进入SOA时，定时切换窗口打开。 如果没有键脉冲，则每个序列返回到它所来自的端口。 如果存在关键脉冲，则输出端口被切换，使得进入特定端口的序列退出另一端口。因此，在解密输出处，已经恢复了的数据：一个位中存在自相关峰值对应于“0”，否则只是互相关对应于“1”。图3（b）示出了解密输出。

对于误码率（BER）测量，本实验分别使用了数据和关键PRBS的(2^7-1,2^31-1)长度，实现了无损转换（BER<10^-10）.

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表I.四种可能的输入数据和关键组合及其输出（异或补）值

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图3.（a）解密架构。 Seq1：序列1，Seq2：序列2.（b）解密数据（c）PRBS眼图。

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