高速光子防火墙理论与关键技术研究

光纤通信网络速度和容量不断提高，而对大容量信息的安全处理目前还只能在电层和协议层进行。光子防火墙的目标是在光传输底层，针对高速光信号进行安全检查，从光层消除大量的潜在网络攻击，增强光纤网络的安全。光子防火墙客观上要求对高速光信号进行模式识别。在国际上已实现了40Gb/s的光子防火墙,其中半导体光放大器（SOA）被作为光子防火墙的最基本光逻辑器件。由于SOA中光子与载流子相互作用的物理本质，制约了SOA逻辑器件的工作速度。为了解决对高速光信号的安全检查，本项目将引入基于SOA的加速开关（turbo-switch）来提高光逻辑门的开关速度，从理论和实验上研究加速开关的高速工作机制与新结构。进一步研究应用加速开关进行高速光信号的模式识别等关键技术，实现高速（80-160Gb/s）光子防火墙功能。同时，本项目还将探索新型、优化、可集成结构的高速光子防火墙系统。

随着信息网络的高速发展使得光网络的通信容量飞速增加，目前在光网络节点处，仍然采用电子信号处理方式，存在着“光－电－光”转换瓶颈以及能耗高、体积庞大等难题，正成为光网络发展的制约因素。光子防火墙能够在光域内直接对光网络信号进行信号识别和路由，大幅度提高了网络节点的安全处理能力，而且在功耗、体积和重量方面比现有技术可大大降低，被认为是新一代网络安全的关键技术之一。. 在理论方面，本项目研究了半导体光放大器（SOA）中的超快响应特性，建立了基于SOA中载流子的时域和频域仿真模型，重点研究了SOA在超短光脉冲作用下，其载流子的消耗、载流子的加热以及光谱烧孔等各类弛豫物理过程对其超快响应的影响因素，研究结果揭示了基于SOA的加速开关工作本质，并方便设计、优化新型的加速开关结构和性能。在理论上首次考虑了SOA增益的空间不均匀性、延时干涉（DI）与加速开关的结合、以及SOA的饱和特性等要素对加速开关频率响应（带宽）的影响，进一步作了系统的理论分析和数值仿真。 这两个时域和频域模型将为实现超高速波长转换及其他超高速光信号处理奠定了理论基础，为实现灵活光控提供了新的途径。另外，本项目还探讨了新型光子防火墙的架构，拟充分利用光路的串并特性，提高光子防火墙的可灵活操控特性。. 在实验研究方面，本项目针对光子防火墙在超高速、灵活调控、器件集成等涉及的科学问题，研究了80-100Gb/s 全光开关及逻辑器件及其组合效果，尝试了全光高速SOA器件在同一芯片上的集成方法，并首次制作了基于加速开关的原型光子集成芯片。基于以上高速器件，实验验证了80Gb/s的“与”和“异或”逻辑门，这些器件都成为下一代光子防火墙的核心器件。. 研究成果总结如下：提出了基于加速开关的超高速全光逻辑开关的集成结构，研制出了原型集成器件，并实现了高速全光器件的实验验证。项目执行期间，发表SCI/EI论文31篇，其中发表包括于著名国际期刊IEEE-JSTQE、IEEE-PTL上的论文在内的SCI论文9篇，EI/ISTP收录论文22篇。另外，申请中国发明专利1项，出版英文专著1章，并将该研究成果在国际学术会议作特邀报告共计10次。