（电磁场与微波技术专业论文）基于光纤光栅的安全通信.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 随着现在社会的发展和人们生活质量的提高，组建高速大容量高性能的通 信网络势在必行。传统的电网络、光电混合网络性能由于“电了瓶颈”的限制 而无法取得进一步的突破，全光网络作为未来主导通信手段被提上r 程。基于 光纤光栅的码分多址接入系统( ( ) c d 姒) 传输速率快、抗干扰能力强、编解码方 式灵活多变、系统安全性高，成为全光网通信中研究的热点。 布拉格光栅( f b g ) 拥有优良的光反射特性，因而被广泛应用于构建o c d r a 系统的编解码器。布拉格光栅中心反射波长随外界应力和环境温度偏移的特性， 使可调谐f b g 编码器的应用成为可能。基于可调谐f b g 编解码器的快跳频光码 分多址接入系统目前被广泛研究。由于光扩频地址码不仅影响到0 c d m a 系统的 码字容量，还决定整个系统的误码高低，因此论文在研究大量国内外文献的基 础上，整理总结了目前主要的o c d 姒地址码编码方式通过对地址码的生成方 式、码字性能( 相关值、码长、码重) 、码字容量等分析和比较发现：扩频跳 频编码方式可以极大地提升单极性码系统的码字容量和系统性能，而双极性码 凭借相关性好、能实现真正意义上的正交、码字容量大等优点，是实现o c d | t i a 系统高速大容量通信的未来之路。对于f b g 性能和o c d m a 码字设计的分析和研 究，是构建基于可调谐f b g 加密解密系统以及构建纂于b e n t 序列、s s f b g 的 ( ) c d m a 系统的理论基础。 本论文的主要创新工作包括： 1 、基于可调谐f b g 和b e n t 序列的安全加密解密通信系统。 利用f b g 光栅阵列将一个宽带脉冲分解成一系列窄带光脉冲，然后利用与 之匹配的解码器将编码后的信号恢复成原来的脉冲信号，该原理被不少学者用 以构建光学安全通信体系。本文在前人提出的最基本的f b g 光栅阵y , j t j n 解密系 统的基础上，构建了更为复杂的基于可调谐f b g 阵列的类o c d m a 安全加密解密 通信系统模型，包括x n , n x 7 ，x 甚至可以是x 等对称和非对称系统， 并由具有高度安全性的b e n t 序列进行控制。这些系统拥有更高的安全性和灵活 性，具有很广阔的应用前景。 浙江大学博士学位论文 2 、基于j 调谐并联f b g 结构阵列的编码器的可变o c d m a 系统。 目前光码分多址系统大部分为非可变系统，每个用户的地址码长度相同且 不可变。本文提出了一种基于并联结构的可调谐f b g 阵列编码器，这种编码器 可以通过光开关快速灵活地改变系统用户的光栅数目，达到灵活变址的目的。 论文通过对该编码器的码字相关性和码字容量分析，并与传统非可变o c d m a 系 统相比较，证明该种编码器增加了系统用户的变址灵活性能力，提高了系统的 用户容量和被入侵的难度。 3 、基于b e n t 序列和s s f b g 的双极性o c d m a 系统的分析和研究。 非相干双极性o c d m a 系统结构简单，对器件要求低，系统容量大，是未来 光通信的热门候选。而b e n t 序列具有优良的密码学特性，作为通信系统中的扩 频地址码序列，可以抵御来自系统内部和外部的攻击。目前国内外关于b e n t 序 列直接应用于o c d m a 系统的实际研究相对较少。本论文引入了一个基于s s f b g 编码器的双极性o c d a a 系统，该系统采用b e n t 序列作为扩频地址码序列，通过 分析证明b e n t 序列极大地增加了系统被侵入的难度。论文通过以不同的方式生 成b e n t 序列，并用生成的b e n t 序列作为扩频地址码，对基于s s f b g 的o c d m a 系统的误码率进行了计算和仿真。该工作对于研究b e n t 序列在双极性o c d 4 a 系 统中的应用，有很大的借鉴价值。 关键词：光码分多址；布拉格光栅；超结构布拉格光栅；可调谐：地址码；b e n t 序列 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es o c i e t ya n dt h ei m p r o v e m e n to f0 1 1 1 l i v e s ，t h e r e q u i r e m e n to fh i g h s p e e d ，l a r g e - c a p a b i l i t y a n d e x c e l l e n t - q u a l i t yn e t w o r k i s i m p e r a t i v e - u n d e rt h es i t u a t i o n i ti sd i f f i c u l tf o rt h et r a d i t i o n a le l e c t r o n i cn e t w o r kt o e n h a n c et h eq u a l i t yo f c o m m u n i c a t i o ng r e a t l yb e c a u s eo f t h ee x i s t e n c eo f e l e c t r o n i c b o t t l e - n e c k a l l - o p t i c a l - n e t w o r kh a sb e e nt h em o s tc o m p e t i t i v ec a n d i d a t eo ft h e c o m m u n i c a t i o ni nt h ef u t u r e , s ot h a tt h et e c h n i q u eo fo p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ( o c d m a ) b a s e do nf i b e rg r a t i n g sb e c o m eah o ta r e ai nt h ec o m m u n i c a t i o n r e s e a r c hb e c a u s eo fi t sh i g h - s p e e dt r a n s m i s s i o n ，e x c e l l e n ta n t i - j a m m i n ga b i l i t y , v a r i a b l ec o d i n g - m o d ea n ds t r o n gs e c u r i t y f i b e rb r a g gg r a t i n g s ( f b g s ) h a v eb e e na p p l i e db r o a d l yi no c d m a sc o d e ra n d d e c o d e rb e c a u s eo ft h e i rg o o do p t i c a lr e f l e c t e dc h a r a c t e r i s t i c t u n a b l ef b g sh a v e b e e ns t u d i e da n da p p l i e db e c a u s et h ec e n t r a lr e f l e c t e dw a v e l e n g t ho faf b gc a nb e c h a n g e dw i t ht h ev a r i e t yo ft h es t r e s sa n dt h et e m p e r a t u r eo f t h ee n v i r o n m e n t t h e s p r e a d i n gs e q u e n c e sc a na f f e c tn o to n l yt h ec a p a c i t yo ft h eu s e r so f t h es y s t e m ，b u t a l s ot h es y s t e m sb i te r r o rr a t e t h ep a p e rm a k e sc o n c l u s i o n sb ys u m m a r i z i n g , i n c l u d i n ga n da n a l y z i n gt h em a i nc o d es e q u e n c e so ft h eo c d m as y s t e m s ：t h e o c d m a s y s t e m so ft h eh y b f i dd i r e c ts e q u e n c e s f r e q u e n c yh o p p i n g ( d s f h ) h a v e l a r g ec a p a c i t yo ft h es y s t e m sa n dt h es y s t e m sw i t hb i p o l a rs p r e a d i n gs e q u e n c e sw i l l b et h eb e s ts y s t e m si nt h ef u t u r eb yt h ee x c e l l e n tc t o s sc o r r e l a t i o n a b o v ec o n c e r n e d s t u d yi st h eb a s eo f m yw o r k t h ec o n t e n t so f m yw o r ka r el i s t e da sf o l l o w s ： af o u n d a t i o n a lo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sd e s c r i b e de n c o d i n g d e c o d i n g i n f o r m a t i o nw i t ha r r a y so ff i b e rb r a g gg r a t i n g s i nt h es y s t e mab r o a d b a n dp u l s e c o m i n gf r o ma no p t i c a ls o u r c ew i l lb es p l i ti n t oas e r i e so fs e p a r a t e dp u l s e sw h e ni t r e a c h e st h ee n c o d i n gf b ga r r a y b e c a u s ei ti sd i f f i c u l tf o ra l la t t a c k e rt or e c o v e rt h e o r i g i n a lp u l s ei f h ed o e s n tk n o wt h ee x a c ts t r u c t u r eo f t h ee n c o d i n gf b ga r r a y , o n e c a ns a yt h a tt h ei n f o r m a t i o nf r o mt h eo p t i c a ls o u r c eh a sb e e ne n c r y p t e d m o r e 1 1 1 一 浙江大学博士学位论文 c o m p l i c a t e ds y s t e m si n c l u d i n gn x n ，n x la n d lx nb a s e do nb e n ts e q u e n c e sa r c d e s i g n e da n dt h e yh a v et h em o r es e c u r i t ya n dt h el a r g e rc a p a b i l i t y an e wc l a s so fe n c o d e r d e c o d e rb a s e do ns h u n t w o u n ds t r u c t u r eo ft u n a b l e f b g sh a sb e e np r o p o s e da n dt h a ta l l o w st h eo c d m a s y s t e m st ov a r yc o d e - w e i g h t i nt h ec o m m u n i c a t i o na ta n yt i m e v a r i a b l eo c d m ac a ne n c r y p tt h ei n f o r m a t i o nb y m o r ew a y st h a nt h en o r m a lo c d m a t h ea n a l y s i so ft h es y s t e ms h o w st h a tt h e v a r i a b l eo c d m a s y s t e m sa r cm o r es e c u r et h a nt h en o r m a lo n e s a no c d m as y s t e mb a s e do ns u p e rs t r u c t u r e df i b e rb m g gg r a t i n g s ( s s f b g s ) a r r a y sh a s b e e nd e s i g n e dw i t l lt h eb i p o l a rs p r e a d i n gs e q u e n c e s t h e o r i e sp r o v et h a t t h eb i p o l a ro c d m ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m sw i t hb e n ts p r e a d i n gs e q u e n c e si n c r e a s e t h ed i f f i c u l t yf o ra l lu n a u t h o r i z e dr e c i p i e n tt ob r e a kt h es y g e m s s o m es i m i u l a t i o n s o ft h e s ea b o v es y s t e m sh a sb e e nd o n e ，a n dt h er e s u l t ss u p p o r tt h ep r o b a b i l i t yo f t h o s es y s t e m s k e y w o r d s ：o c d m a ，f b gs s f b gt u n a b l e ，c o d es e q u e n c e ，b e n ts e q u e n c e 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 随着现代社会人们对信息量需求的急剧增加，语音、视频、高清晰图像传输 等越来越多的传统业务的持续发展，以及电视购物、远程教育、实时监控等新业 务的不断涌现，原有采用频分复用( f d m ) 的传统电网络已经不能满足日新月异 的信息传输要求。由于光纤传输具有体积小、容量大、传输距离远、保密性好、 抗电磁干扰小等优点，而且作为信息传输的光载体带宽达3 0 t h z ，因此采用时分 复用( t d m ) 的光电混合网络已经逐步取代传统电网络，成为现代通讯的主干力 量。但是由于电子器件在信息传输和交换时，存在电子瓶颈，其极限速率只有 2 0 g b s 左右，这使通讯系统性能无法得到进一步的提升。全光网络的出现，突 破了电子器件工作中“电子瓶颈”的限制，以光节点取代电节点，用光纤将光节 点串联起来，信息传输和交换过程完全在光领域以内进行，中间无需任何光一电 一光变换。全光网络 4 9 跟传统的电网络和光电混合网络相比，具有以下优点： 1 、通信容量大。 2 、传输距离远，传输质量好。 3 、保密性好。 4 、抗干扰性强。 5 、开放性、兼容性好。 6 、抗腐蚀性强。 全光网络具有以上优点，满足现代通讯“大容量”、“高速”、“宽带”的要求， 必将成为未来通讯网络的核心。 采用光分插复用( o a d m ) 和光交叉连接设备( o x c ) 的全光网络的网络示意 图 1 0 2 3 由图1 1 所示： 全光通信网络，源节点与终端用户节点之间的数据交换传输的整个过程都在 光域内进行，即是端到端( p o i n tt op o i n t ) 完全的光路。由于中间没有电信号的 介入，通信的速度和系统容量比传统电网络和光电混合网络相比大大得以提升， 网络构建也更加灵活和透明。 8 一 浙江大学博士学位论文 图1 1 采用o a d m o x c 的全光网络不慈图 光纤光栅技术的出现和发展，大大促进了全光网络通信的发展。光纤光栅是 利用光纤材料的感光性，通过强光照射的方法照射纤芯，使光纤纤芯的折射率沿 轴向呈周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅。当一束光经过布拉格光纤 光栅时，纤芯折射率呈周期性变化的特点将会使光束中特定的波长被反射回去， 而其余的波长将穿过光纤光栅继续传输。利用布拉格光纤光栅这一优良特性，可 以制造出许多性能优异的光电子器件，这些光电子器件是全光网络通讯中最复杂 也是最有用的部分。这些光电子器件的发展从一定程度上主导了全光通讯的发展 方向。 随着刻写光栅技术的日趋成熟和发展，利用光纤光栅进行加密解密成为现代 网络通讯的一个热点。布拉格光栅( f b g ) 和超结构布拉格光栅( s s f b g ) 在光纤 通讯中领域中被广泛研究。布拉格光栅独特的光学特性使它成为全光网络中重要 的光学器件。由于基于f b g 阵列的加密解密通信系统通信速度快、加密解密时间 短、安全性高，因此利用布拉格光栅阵列进行编码解码的光通信系统，成为目前 研究的热点。本论文在前人研究的简单加密解密系统模型基础上，利用可调谐 f b g ，提出了基于b e n t 序列的加密解密通信系统，在此基础上构建了更复杂的通 信系统模型，并对其安全性作了分析。本论文提出了跟光纤延迟线编码器中的梯 型结构编码器相类似的f b g 并联结构，并由此讨论了可变o c d m a 系统。由于基于 并联结构的可调谐f b g 阵列的可变o e d m a 系统，变址灵活，大大增加了系统的安 全性和码字容量，因此具有比较好的研究价值。目前国内外有关可变o c d m a 这方 面的研究很少，对于基于并联结构可调谐f b g 阵列的可变o c d m a 系统未曾见于报 一。一 浙江大学博士学位论文 道。 由于地址码序列的自相关互相关特性极大的影响了o c d m a 系统的性能，因此 目前国内外研究者对于o c d m a 的系统地址码进行了深入研究。o c d m a 系统地址码 的好坏直接影响到了通信系统的性能。目前o e d m a 系统主要分为直接序列扩频系 统( d s o c d m a ) 、频谱编码系统( f e o c d m a ) 、跳频扩频系统( f h o c d m a ) 5 0 、 混合扩频跳频系统( d s f h ) 等。d s f h 混合系统集合了d s 和f h 两种系统的优 点，不同频谱成分在不同时间被反射，且用户的载波在不同频率下跳变，因此具 有较高的安全性和较大的用户容量。但是由于单极性光地址码本身不能实现真正 意义上的正交，因此系统的性能始终得不到真正的提高。而双极性光地址码系统 凭借真正正交的优势，成为光通信实现高速大容量的有效途径。由于双极性光地 址码系统是双极性系统，因此一些曾用在传统c d m a 系统中的、具有优良密码学 特性的扩频序列可以被直接应用于该类系统。b e n t 序列由于其平衡、具有大的 线性包，较小的自相关互相关值，将它作为扩频通信系统的扩频码能抵御来自系 统内外的攻击。但是目前有关b e n t 序列应用于o c d m a 系统的研究很少。本论文 通过对基于b e n t 序列的双极性o c d m a 系统进行了研究，讨论了其实现的可能性。 1 2 光纤通讯发展历史及光纤保密通信现状 1 9 6 0 年，红宝石激光器被发明，人们得到了第一束性能稳定的激光。1 9 7 0 年，贝尔实验室研制出了能在常温下连续工作的半导体激光器，同年r o b e r t 等 人研制出了损耗低于2 0 d b k m 的低损耗光纤。这两项发明让后来的人把1 9 7 0 年 称为光纤传输元年。1 9 7 7 年，第一条商用光纤系统在芝加哥投入使用，通信速 率为4 5 m b s 。1 9 7 8 年，m a r o me 等人提出了光纤延迟线技术，为光纤通信技术 打下了基础。 目前基于光纤保密通信的主要技术有：基于光纤光栅的光码分多址技术 ( o c d m a ) 、量子保密通信技术。 o c d m a 通过每个用户分发唯一的地址码，用户通过该地址码对通信信息进行 编码，接收用户只有通过匹配的解码器才能将加密后的信息解密，所以可以说， 该通信过程是安全的通信。其他用户产生的加密光脉冲，对特定用户来说只是干 扰噪声。o c d m a 的地址码与编码器是o c d m a 研究的核心，它直接关系到通信系统 的容量和通信质量。这也是本论文研究的重点，下面的章节将会详细展开论述。 一1 0 浙江大学博士学位论文 另一种基于光纤的保密通信技术是量子通信 5 7 ，5 8 。量子通信技术利用量 子纠缠态传输通信密钥，一旦遭到入侵者探测，将会引起量子纠缠态的波包的塌 缩。由于纠缠态无法复制，所以通信过程目前来说是最安全的。量子通信最重要 的环节是如何长距离的在光纤上传输量子密钥。目前中科大郭光灿院士领导的实 验小组，创下了迄今为止世界上量子密钥传输距离最长的1 6 0 公里记录。量子技 术的另一个重要应用是量子计算机的研究【5 4 】。现代社会计算机微处理器朝着规 格更小、密度更高的方向发展。但是一旦微处理器的结构达到原子数量级，量子 效应将不能再忽略。原子最外层电子的基态和激发态对应于普通计算机里的“0 ” 和“l ”。这使开发量子计算机在理论上成为可能。量子测量技术 5 5 ，5 6 对量子 计算机的基本器件逻辑门设计起着重要的作用。一旦量子密钥的光网络传输与量 子计算机研制成功，这将对人类社会的生活产生翻天覆地的变化。 1 3 全光网络的几种复用方式 随着全光网络研究的不断深入，全光网络系统多址技术得到了迅猛发展。光 波分多址( 0 w d m a ) 、光时分多址( 0 r r d m a ) 和光码分多址( 0 c d m a ) 是目前常用 的多址接入技术。 1 3 i 光波分复用( o w d m a ) 技术 光波分复用( o p t i c a lw a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 【6 8 】技术是指将光 纤中可使用的光谱划分成多个子带宽。一般所采用的信道波长是等间隔的。不同 的用户拥有不同的子带宽，并以子带宽的中心波长在光纤中传输。在发送端所有 用户不同波长的光信号被耦合起来在同一根光纤中传输，到了接收端后这些光信 号又被解码器分离出来输给不同的用户，实现光波长的分解复用。如果子带宽被 分割的很小，又称为密集型波分复用( d w d m a ) ( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) d w d m 一般工作在1 5 5 0 n m 波长波段内，其中1 5 2 5 - 1 5 6 5 n m 波段的8 、1 6 或者更多波长最为普遍。光波分复用技术的优点在于充分利用了光 纤的带宽资源，使光纤的传输容量比单模提高了几十倍，大量节省了光纤资源成 本。同时w d m a 技术由于各子波段的波长各不相同，所以不同数据的信号如图 象、音频等可以通过不同的子波段混合传输，组建网络的灵活性大大增强。理论 上，w d m 技术可利用的单模光纤带宽达到2 0 0 n m ，而目前光纤的带宽远远没有被 完全利用。o w d m a 系统中的光源，对光源的波长精确性较高，波长漂移将严重影 一1 1 浙江大学博士学位论文 响系统性能。目前采用的光源有：d f b 和d b r 半导体激光器、多量子( m o w ) 半 导体激光器等。 o w d i v l a 技术的主要限制在于： l 、光源的稳定性必须得到精确控制，任何波长的漂移将使系统变 得很不稳定。 2 、光纤的色散和非线性传输对系统的性能限制很大，例如l o g b p s 在g 6 2 5 光纤上传输受限距离只有5 8 k m 。 3 、需消除由光纤中o h 。根所引起的波长区段中的损耗谱尖峰，才 能充分利用光纤的低损耗特性，大大提高系统容量。 4 、系统由掺饵放大器( e d f a ) 多级放大后，累计偏差将会使系统 通讯信号劣化。 1 , 3 2 光时分复用( o t d m a ) 光时分复用技术( o p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 【6 9 ，7 0 1 是指在同一 光频上，将信号传输的时间轴分成不同的周期帧，每个周期再细分为周期的时隙。 帧或时隙都是互不重叠的。指定的用户在特定的时隙发送或者接收信号。基带比 特流数据通道混合成高比特流数据通道称为复用，其相反过程则称之为解复用。 由于支路脉冲由光学方法调整，与信号处理相关的电子器件处于较低的比特率下 ( 1 0 g b s ) ，所以不存在传统时分复用系统( t d m ) 所谓的“电子瓶颈”，大大提 高了通讯效率。光时分复用对光源要求比较高，光源要能够产生占空比小、重复 率高的超窄光脉冲，能作为光源的主要激光器有：锁模环形激光器( m l f r l ) 、锁 模半导体激光器( i d l s l ) ，d f b 激光器加电吸收调制器等( e a i v l ) 等。 1 3 3 光码分复用( o c d m a ) 0 c d m t a ( o p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g a c c e s s ) 4 9 ，7 1 7 3 顾名思义，是 由c d m a 技术在光纤通讯上发展而来，作为一种通讯扩频技术，不同的用户用不 同的正交或准正交的地址码来进行信道编码，在接收端，用户用相匹配的地址码 进行解码，即可获得原用户的发送信号。不同的用户信号在发送端被复用到同一 光路中传播，在接收端被解复用到各个用户。如果用户采用的是正交码，相关接 收时不会形成干扰。o c d m a 技术的关键不仅在于提高光学器件的性能，更重要在 于选择合适的扩频序列作为信道编码的地址码，从而提高系统的容量、安全性， 一 2 一 浙江大学博士学位论文 降低误码率。 光码分多址技术的主要优点在于： ( 1 )信道共享由于每个用户分配有不同的码字，这些不同的地址码可 以把不同的用户在同一个信道内区分开，实现多用户共享信道。 光解码器可以根据地址码。从共享信道内提取相匹配的光脉冲序 列。 ( 2 )随机、异步接入 5 9 由于o c d m a 通讯跟o t o m a 和o w d m a 有所不同， 它的接入方式不是通过分时占有或划分子频带来实现的，所以用 户在共享整个信道过程中，可以随时随机异步接入，而不需要延 时等待或等待空闲信道，大大简化了网络控制协议。这种接入方 式简单、不要求波长可调和器件稳定，适合局域网( l a n ) 、接入 网( a n ) 等大容量、动态、高速率环境。 ( 3 )实现网络真正“透明”。系统只是在系统发送端和接收端进行编 解码，而与网络的中间结构无关。可以同时承载各种协议业务， 构建灵活的高速通用网络。 ( 4 )对光源性能的稳定性、谱线宽度等要求比w d m 大大降低，对光滤 波器的要求也相应降低。而且由于o c d m a 系统中谱资源利用率高， 还可与w d m 结合进一步增加系统的容量。 ( 5 )保密性和安全性好由于o c d m a 系统采用正交扩频码序列，扩频编 码之后原始信号被打乱和重新编排，在接收端必须完全知道用户 的扩频序列，才能设计与编码器严格匹配的解码器，恢复出原始 的用户信号，否则变为伪噪声随机信号。另一方面光纤传输和输 出光脉冲的宽频率低功率，也进一步保证了通讯的安全。 1 4o c d m a 系统原理 如下图所示，o c d m a 系统主要由用户群( 发送用户群、接收用户群) 、编码 器、解码器和星型耦合器组成，这里略去了光信号在光纤中的传输过程。每个 o c d m a 用户都拥有一个唯一的编码器，当用户之间进行通讯时，发送用户通过编 码器将信号进行编码并送出，所有发送用户群的信号被编码后，通过星型耦合器 耦合到一起，通过光纤传输到接收者那一端的星型耦合器。每个特定接收用户从 一1 3 浙江大学博士学位论文 耦合器那里得到信号，并通过与发送用户匹配的解码器解码出属于自己的那部分 信号，其余用户的信号由于解码器的不一致成为干扰该用户的噪声。与编码器不 匹配的解码器将无法对加密信号进行正确的解码。 图1 2o c d m a 系统示意图 1 5o c d m a 技术发展历史与研究近况 ( c o m a 技术是在序列扩频技术发展起来的通讯技术，是c d m a 技术与光纤通 信技术的结合。由于普通的电子传输存在“电子瓶颈”，无法满足日益增长的通 讯需求，全光通讯技术成为克服电子瓶颈的最大候选方案。卫星通信和移动通信 中带宽有限，无法完全发挥c d m a 技术的优点，而拥有丰富带宽的光纤通信，刚 好能够很好地弥补这个缺陷。8 0 年代中期，p r p r u c n a l 1 1 等人就开始对光纤 扩频系统进行研究，8 0 年代后期，j a s a l e h i 4 9 等人提出全光网络概念。现 在o c d m a 技术已经成为通信领域的研究热点。1 9 9 8 年，美国商业技术公司( c t c ) 在亚特兰大s u p e r c o m 9 8 会议上展示了单根光纤传输的1 2 8 路o c 一1 2 s o n e t ( 6 2 2 m b i t s ) 、总速率达1 2 8 g b s 的o c d m a 样机。g e t o w n 1 2 在1 9 9 9 年提出 了利用布拉格光栅设计制作高速光脉冲码发生器。p p e t r o p o l o u l o s 1 3 等人在 2 0 0 1 年在他们的研究工作中示范了构建6 4 片o c d m a 系统。 o c d m a 技术的特点是保密性高，安全性好。它不仅拥有普通扩频通讯的优点， 如抗干扰能力强、抗多径衰落能力强、隐蔽性和保密性好、对其他系统的干扰小、 系统容量大，而且满足现代通讯的几大趋势：异步、高速、宽带。o c d m a 技术在 原理上与码分复用技术相似。0 c d m a 通信系统给每个系统中的用户分配一个互不 相同的伪随机序列作为该用户的地址码，这些地址码相互正交。在发送端，对要 一1 4 浙江大学博士学位论文 传输的数据逐比特的按地址码进行编码，然后实现信道复用；在接收端，用与发 端相匹配的地址码进行光正交解码。目前用以实现o c d m a 的编解码器主要手段 有：光纤延迟线 5 2 ，布拉格光栅、阵列波导栅( a w g ) 5 3 ，长周期光栅( l p g ) 6 以及超结构布拉格光栅( s s f b g ) 3 1 ，5 1 等。使用布拉格光栅的光码分多址系统 应用相对广泛。光纤布拉格光栅阵列是系统的编码解码器。宽谱光源经调制， 经过编码器时，不同频率的光在纤光栅的不同位置处被反射，形成不同时间位置、 不同频率的光脉冲序列，各个用户光脉冲序列经耦合器后在光纤中传输，接收端 则采用相应的解码器进行相关运算，由于每个用户编码时有不同的中心反射频率 和不同的时延，所以每个用户只有通过自己的解码器进行相关解码。 采用o c d m a 技术的网络的容量比c d m a 系统容量大，系统性能也有很大的改 善。由于每个用户无法用自己的地址码解开其他用户的编码，因此系统安全性得 到了保障。采用具有良好的自相关性和互相关性的地址码字，不同o c d m a 用户之 间的干扰会变得比较小，同时允许异步通信和随机接入 5 9 o c d m a 通过直接光 编码和光解码，在通信中具有极大的应用前景 1 6o c d m a 编解码分类 o c d m a 编解码就是利用地址码对光信号进行调制、解调的过程。o c d m a 的编 解码方式对系统的性能来说至关重要。光考虑地址码而不考虑编解码方式的研究 是没有意义的。o c d m a 系统中的编解码方式主要有三种： 1 、扩频o c d m a 编解码方式： 将信号在频域上扩展。跟传统c d i 的扩频方式一样，通过地址码对传输信 号进行调制。通过扩频后，光信号的光谱在频域上被拓宽，拓宽的倍数等于地址 码的长度。从时域上看，发送信号波形发生了变化，所以也称时域编码。 扩频编码主要有相干扩频和非相干扩频。非相干扩频实现的方式有光纤光 栅、光纤延迟线等，其中基于f b g 的非相干扩频系统 4 8 ，由于其结构简单、操 作方便、光学性能突出，是目前比较热的研究点。相干扩频系统方式目前主要有 集成波导、延迟线，目前也有基于f b g 的相干扩频的研究。 非相干扩频技术目前比较成熟，对网络光学器件的性能也相对比较低，是目 前研究的主流。相干扩频相对来说技术实现困难，但是是实现通信网络高速大容 量传输的重要途径。 一1s 一 浙江大学博士学位论文 2 、扩时o c d m a 编解码方式： 将信号在时问上扩展的一种编码方式。其原理是用地址码对信号的频谱进行 编码，也即是通过对调制后的光脉冲进行相位编码。扩时编码的光脉冲都比较短， 所以又称超短脉冲o c d r a 系统。 3 、扩空0 c d m a 编解码方式： 扩空编码又称全息编码，主要以光信号通过与一个空间2 维地址码进行编 码，也就是将信号的能量在空间域扩展。扩空信号不仅可以是数字信号，也可以 是模拟信号。其优点在于在特定的误码率下，处理增益( p r o c e s s i n g g a i n ) 值高， 容纳用户数比扩频、扩时系统多。但是扩空编码对光源的相干性要求高，其编码 器结构复杂，对光学器件的精密程度、记录介质的敏感度要求高，这些限制了扩 空编码0 c d m a 的发展。 1 7o c d m a 关键技术和分类 0 c d m a 关键技术主要包括光地址码、光编解码器、光信号检测、超短光脉冲 生成、光功率控制、光信号放大、色散补偿等。这些关键技术中，由于光地址码 编码直接关系到系统用户容量、系统性能，所以显得特别重要。 o c d m a 系统可以根据检测方式、地址码、时空维数等进行不同的分类。 在o c d m a 系统中，如果o c d m a 光纤接收机如果是直接检测，称之为非相干 o c d e a 系统，如果是相干检测，则称之为相干o c d r a 系统。非相干的0 c d m a 系统 实现相对比较简单，是目前研究的主流，但是系统误码率较高。而相干0 c d m a 系统结构复杂，对通讯系统的硬件条件较高，对光源的相干性要求很高，所以相 对研究较少，但是随着技术的进步，它能实现高速大容量的优点被体现出来，成 为未来研发的热点。 根据地址码极性，可分为单极性o c d m a 系统和双极性o c d m a 系统。单 极性码编码包括光正交码( o o c ) 、素数码( p c ) 、扩展素数码、2 n 素数码、跳频 编码等编码方式。双极性系统编码包括频谱域编码、时域编码和混合编码。双极 性码也可以用单极性码来实现。 o c d m a 系统根据编码的时空维数也可以分为一维系统、二维系统和多维系 统。另外根据o c d m a 光编码器种类的不同，还可以分为光纤延迟线系统、衍 射光栅系统、阵列波导系统。 一1 6 浙江大学博士学位论文 由于单极性码系统码字容量小，可以容纳的用户少，码字长、码片周期短， 技术上实现困难，窄光脉冲实现困难，码字不能实现真正的正交，相关特性不理 想。而双极性码可以同时在时域和频域进行编码，在传统c d m a 技术中的扩频 序列编码( g o l d 序列、m 序列、b e n t 序列) 都可以应用到双极性码系统中去， 这使系统的性能和容量得到了极大的改善，所以双极性系统将是未来o c d m a 研究的热点，也是实现高速、安全、大容量通讯的必然选择。 1 8 光学器件：编解码器、放大器、硬件限幅器 1 8 1 光编解码器 0 c d m a 系统的光编解码器主要有光纤延迟线 6 7 、光纤光栅 6 ，4 8 、衍射光 栅掩模板 2 2 , 2 3 。 光纤延迟线编码器： 光纤延迟线编码器主要有并联型、抽头型和梯状结构型这三种。并联型光纤 延迟线编码器是由并行的光纤加星型耦合器组合而成，如下图所示： 图1 3 并联光纤延迟线编解码器 抽头型光纤延迟线编码器是在同一根光纤的不同地方抽头，最后用星型耦合 器将这些光脉冲耦合到一起，如下图： 一 _ t 丁 纩 图1 4 抽头光纤延迟线编解码器 梯状光纤延迟线编码器由梯状延迟阵列结构串联而成，是光纤延迟线编码器 里面最灵活也最有发展潜力的一种： 图1 5 并联光纤延迟线编解码器 光纤延迟线编码器主要是利用的光纤长度不同，在光脉冲传输过程中造成了 一1 7 浙江大学博士学位论文 不同的时延，从而实现对光信号的编码。尤其是梯状结构编码器利用控制连接阵 列的光电开关来灵活控制光纤的迟延，甚至可以通过编程来实现，技术比较成熟。 但是光纤延迟线编码系统体积庞大，构造复杂，码间干扰比较严重，尤其对于数 目较大的用户群，编码器结构复杂程度呈几何级递增，功率损耗严重，无法满足 快速发展的通讯需要。 1 8 2 光纤光栅编解码器 光纤光栅便解码器实际上是一种利用光纤材料的光敏性制成的纤芯折射率 星周期变化( 或非周期变化) 的光纤光栅按一定组合排列形成的编解码器。利用光 纤光栅对固定波长形成反射或者吸收峰，对用户信号在编码端实现编码，在接收 端利用与编码器结构对称的解码器将信号复原出来。光纤光栅编码器主要有f b g 编解码器和长周期光栅编解码器( l p g ) 以及超结构布拉格光栅( s s f b g ) 解码器。 f b g 和s s f b g 编解码器将在余下的章节继续深入介绍，这里只简单介绍一下长周期 编解码器。 在0 c d m a 中，时域编解码方法得到了广泛的运用。使用级联的长周期光纤 光栅( l o n gp e r i o dg r a t i n g s l p g ) 来加密解密短脉冲也被一些研究者提出 6 。 长周期光栅一般大于1 0 0 m 。短脉冲通讯信号在发送端被长周期光纤光栅加密， 在接收端被与之匹配的反转长周期光纤光栅解密。长周期光栅虽然也跟布拉格光 纤光栅一样，是由光纤轴向上产生周期性的折射率调制而形成，但是其耦合原理 与f b g 光栅不同。向前传输的纤芯基模被耦合入几个特定波长的向前传输的包层 模，包层模很快损失掉，所以l p f g 基本上没有后向反射，在其透射谱中有几 个特定波长的吸收峰。它利用光在光纤纤芯与覆层之间传输特性的不同 ( p o 一届= 2 牙，a ，磊、届分别是光在纤芯和覆层的传输常数，a 是光栅周期) ， 从而使耦合到覆层的光传输与不耦合到纤芯的光的传输速度产生了时差： r a t = 去研形，( l 是级联的长周期光栅之间的距离，c 是真空中的光速，砌够是 。 有效群参数差) 。利用这个时差，将特定的光脉冲耦合到包层中去。由于不是本 论文的重点，不再详述。 但是目前在0 c d w a 系统中，应用的最广泛的是利用布拉格光栅的反射特性来 编解码通讯信号 7 ，8 。 一1 8 浙江大学博士学位论文 1 8 3 衍射光栅掩模板编码器 衍射光栅加掩模板编码器 2 2 ，2 3 主要应用于相干o c d m a 系统中的光谱编 码，最早由d z a c c a r i n 和m k a v e h r a d 7 3 提出来的，具体结构示意图如下： 该编解码器利用衍射光栅的色散特性，将不同频率不同角度的光，利用透镜 将光栅的衍射波变为空间频谱图案，利用相位板引入光程差，再反变换得到频谱 展宽的光脉冲。通过该光编解码器可以对光信号频谱域进行编码。 透镜 掩模板透镜 图1 6 衍射光栅相位掩模板编解码器 1 8 4 光学放大器 光信号在光纤中传输时，光学器件和光传输的特点，导致光信号在光网络中 衰减和色散。光信号能量的降低和色散引起的光脉冲变宽影响到了光通信的性 能。尤其在远距离光传输过程中，光损耗和光色散是制约光网络性能的一个重要 因素。普通g 6 52 光纤，零色散点在1 3 1 ，肋处，在1 5 5 l 聊处有1 7 p s n m b n 左 右的色散。对于i o g p s ，c h i p 宽度为5 0 琊的系统，由于色散问题只能传输4 0 h a 对于高速o c d m a 系统，光纤色散不仅导致光脉冲的位置和形态发生改变，使传输 距离大大降低，而且在接收端将引起不完善解码，从而影响系统的误码性能。所 以，光纤色散问题是影响高速o c d m a 系统性能的重要因素之一。 补偿光信号损耗的一个重要办法就是在光网络中使用光学放大器。目前的光 学放大器主要有光纤放大器和半导体放大器两种。最