一种基于布拉格光栅阵列的全光纤加密标记方法

作 者

蔡智濠、廖常锐、王义平等

文章导读

随着数据指数量级增长，人类社会对宽带业务提出了前所未有的高要求，如服务更优、速度更快等。为了维护数量日益增长的光传输信道，降低运营商的运维成本，高效检测链路的使用情况，从而获取用户端的“哑”信息是极为重要的。传统的链路标记高度依赖专业的人员对端口进行标记、识别、记录、保存等，费时、费力、成本昂贵的同时，还容易出现纰漏导致大量端口失效，最终造成资源的浪费。最近，深圳大学王义平教授团队的廖常锐教授和硕士研究生蔡智濠等人在SCI核心期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表了题为《Encrypted optical fiber tag based on encoded fiber Bragg grating array》的研究论文。该团队研究了一种基于布拉格光栅阵列的全光纤加密标记方法（如图1），结合布拉格光栅的反射信号以及空间分布，提升标签携带信息的容量并赋予标签加密属性。此全光加密标记方法有望为光网络提供一种良好、稳定、高效的维护及检测方法，为智能光分配网络（ODN）的建设发展提供思路。

 亮 点

使用飞秒激光多脉冲曝光法制备编码布拉格光栅阵列；

通过布拉格光栅的反射率及反射波长实现光纤标签容量扩增；

基于布拉格光栅阵列的加密光纤标签为光传输信道标记提供思路。

图1 光纤标签的制备及工作原理示意图。(a) 飞秒激光直写制备光纤标签示意图；(b) 光纤标签的编码及检测原理。

研究背景

在传统的ODN网络基础设施中，常常可以用人工手写或者一次性机器打印标签，以此作为端口标记的手段。这些微小、不显眼的标签包含不同光缆在运营商以及客户端的接入端口信息，是对应运营商向用户开展业务的基础。由于ODN设备常常安置于室外环境下（如马路边、电线杆上等），无法避免受到环境污染甚至是人为破坏从而导致这类简易标签失效，最终大大增加维护成本。这类实体标签的信息不能通过设备自动识别并读取，需要专业维护人员进行人工扫描以及记录。当在识别、读取、记录以及保存等环节发生错误时，将大大增加溯源难度从而导致错误端口失效，使得运营商端口资源造成极大的浪费。同时，这些物理标记常对所有人开放可读，这在特定的场景是不被允许的。

光纤布拉格光栅能够在光传输信道中留下永久的标记，是良好的光信道编码工具。飞秒激光直写制备布拉格光栅阵列具有高效率、高灵活性、高稳定性、光栅参数可定制等优势，广泛应用于分布式光纤传感器网络制备等。因此，利用飞秒激光高效制备用于编码的布拉格光纤光栅阵列，可使光纤携带丰富的信息进而成为信道身份识别的标签。飞秒激光高效制备布拉格光栅阵列的光纤加密标签为开发智能ODN提供了方法。

最新进展

基于光栅空间分布的编码原理。王义平教授团队使用飞秒激光直写制备编码布拉格光栅阵列，将预设的二进制编码序列按照光栅的存在（代表代码1）与否（代表代码0）写入光纤中，并结合光时域反射信号检测技术，将光纤标签中对应信息进行恢复（如图2）。通过飞秒激光的高效制备以及光时域反射仪的高速检测，验证了基于布拉格光栅阵列的光纤标签携带信息的能力。

图2 光纤标签的可行性验证。光纤标签携带二进制数据序列示意图以及其对时域反射信号检测图。

基于光栅反射强度的标签扩容技术。团队使用飞秒激光多脉冲曝光技术，制备具有不同反射率的光栅阵列，从而使光纤标签获得更多的编码状态（如图3）。与传统利用功率控制模块对激光进行衰减，利用飞秒激光多脉冲曝光技术制备光栅阵列能够更加高效、灵活的调控不同位置布拉格光栅的反射率。

图3 基于光栅反射率的标签容量扩增方法。强度扩容的光纤标签携带的编码序列及对应时域反射信号检测图。

基于光栅反射波长的标签扩容技术。团队使用飞秒激光直写技术的灵活性，制备具有不同反射波长的光栅阵列，从而使光纤标签携带更丰富的信息（如图4）。当采用不同扫描波长检测标签时域反射信号时，与之对应的光栅将具有更高的反射率，因此仅有其携带的信息能够被正确恢复。利用具有不同反射波长的光栅可以分别表示一组二进制编码序列，也可以代表不同的开关状态以增加标签的信息容量。

图4 基于光栅反射波长的标签容量扩增方法。波长扩容的光纤标签(a) 携带的编码序列及(b)-(f) 对应时域反射信号检测图。

为光信道加密编码、标记提供了新的思路。通过制备具有不同反射率、不同反射波长的布拉格光栅阵列，以此证明光纤标签在信息读取及恢复时存在冗余性（如图5）。不同的光栅反射特征信息可以用于表示不同的开关状态，也可以作为信息存储的通道，还可以作为标签携带冗余的信息，即只有特定的管理员才能从中恢复携带的信息。光纤加密标签实现了全光编码与信息存储，可以作为光传输信道的加密身份标记、识别工具。

图5 基于光栅反射波长的标签容量扩增方法。波长扩容的光纤标签(a) 携带的编码序列及(b)-(f) 对应时域反射信号检测图。

未来展望

本研究提出的全光纤加密标签具有易制备、稳定性高、可加密、抗电磁干扰和全光操作等优点，在光信道编码、标记以及光网络维护等方面具有广阔的应用前景。在未来，团队将在光纤阵列中制备加密光标签，进而提高全光加密标签的实用性与集成度。基于布拉格光栅阵列的光信道加密标记方法能够广泛应用于智能ODN网络中，为运营商维护、监测网络提供更稳定、更高效、更低成本的手段。

审核编辑：汤梓红