TWI867385B - 具有保密功能之4x4光開關結構 - Google Patents

Abstract

本發明是一種具有保密功能之4x4光開關結構，可以將四個輸入的光訊號經由控制碼輸出完整的24種排列組合，其構成包括6個2x2光開關單元及連接網路，及6個控制線構成的密碼表。其中2x2光開關單元是由兩組液晶透鏡群組構成，每個液晶透鏡群組都包含複數個液晶透鏡。

Description

具有保密功能之4x4光開關結構

本發明一種具有保密功能之4x4光開關結構，特指應用於光通信技術領域，主要係以光開關搭配聚焦型的液晶透鏡，進而達到通信傳輸保密及精確之功效。

光纖通信技術的發展給通信領域帶來重大的變革，特別是近幾年，以IP為主的網路相關業務呈現爆炸性增長，這種增長趨勢不僅改變IP網路層與底層傳輸網路的關係，且對整個網路的組織方式、節點設計、管理和控制更是呈現出新的風貌。

而在光纖網路中自動交換光網路(Automatic Switched Optical Networks，ASON)成為研究的熱點。其主要核心節點由光交叉連線(Optical Cross-connect,OXC)設備構成。通過光交叉連線，可實現波長動態分配和對光網路靈活、有效地管理。而光開關作為切換光路的功能器件，屬於光交叉連線中較關鍵的部分。又光開關可實現動態光路徑管理、光網路的故障保護、波長動態分配等功能，對解決目前複雜網路中的波長爭搶中，提高波長重用率，可進行網路靈活配置。隨著光傳送朝超高速、超大容量的方向發展，網路的生存能力、網路的保護倒換和恢復問題成為網路關鍵問題，尤其是網路上的保密最為相關領域所重視。

關於液晶的電光效應部分，因為液晶的電控雙折射效應；對液晶施加電場可使液晶的排列方向發生變化。因此，按照一定的偏振方向入射的光，會在液晶中發生雙折射的現象。一般來說液晶在未加電場時的呈現出的折射率為no。加上電場時的呈現出的折射率為ne。兩者的差異△n=ne-no會是本發明使用的主要物理原理。

而本發明作為該領域的研究下，針對光開關具有多個可選擇的傳輸端，可對光傳輸線路或集成光路中的光信號進行相互轉換或邏輯操作的特性下，進一步研究出一種具有保密技術的光開關結構。

本發明主要是提供光開關的通信傳輸上具有保密功能之4x4光開關結構，其中：該光開關內建二輸入2X2單元、二輸出2X2單元及二橋接2X2單元。總共有6個2X2單元。該二輸入2X2單元總共具有四個光信號輸入端，及該二輸出2X2單元四個輸出端，每個單元具有一個開關控制信號，我們稱為控制碼。其作用是：加上電壓代表開啟產生信號交換，不加電壓代表關閉，不產生信號交換。在本發明設計的網路交叉下，可形成該四個輸入端與四個輸入端的各種搭配的控制碼結果，加上數學理論上的同構效應，進而達到網路信號傳輸上的保密；其中，將該二輸入2X2單元定義為

、該二輸出2X2單元定義為

、該二橋接2X2單元定義為

，前述該光開關的光信號傳輸下可得

：，其中

為一個4X4單元，具有6個控制碼。

100:光開關

10:輸入2X2單元

11、11A、11B、11C、11D:第一輸入端

12、12A、12B、12C、12D:第一輸出端

20:輸出2X2單元

21、21A，21B，21C，21D:第二輸入端

22、22A，22B，22C，22D:第二輸出端

30:橋接2X2單元

31、31A，31B，31C，31D:橋接單元輸入端

32、32A，32B，32C，32D:橋接單元輸出端

40:控制碼信號輸入單元

60:透鏡單元

第一圖為本發明光開關結構之內部及連結網路立體示意圖。

第二圖為本發明光開關結構之光透鏡單元及連結放大立體示意圖。

第三圖為一個2X2光單元在施加電壓與不施加電壓時的導通運作示意圖。

第四圖為一個2X2光單元，在施加電壓下，未切割前之光路立體圖。

第五圖為一個2X2光單元，在施加電壓下，切割成平板型之光路立體圖。

第六圖為一個2X2光單元之演算示意圖。

第七圖為兩個2X2光輸入單元之演算示意圖。

第八圖為兩個2X2光橋接單元之演算示意圖。

第九圖為本發明運用到的六個2X2光單元之演算示意圖。

第十圖為本發明運用到的六個控制碼與四個輸入，四個輸出之演算示意圖。

第十一圖光開關在通電狀況下之設計數據。

第十二圖光開關在不通電狀況下之設計數據。

第十三圖三層2維2X2光學交換網路各層的交換結果。

第十四圖三層2維2X2光學交換網路層與層運算後不重覆的結果。

第十五圖三層2維2X2光學交換網路層與層的計算過程之一。

第十六圖三層2維2X2光學交換網路層與層的計算過程之二，簡化記號。

第十七圖三層2維2X2光學交換網路層與層的計算過程之三，結果對應控制碼之一。

第十八圖三層2維2X2光學交換網路層與層的計算過程之四，轉換成實際運算。

第十九圖三層2維2X2光學交換網路層與層的計算過程之五，略去層記號。

第二十圖三層2維2X2光學交換網路層與層的計算過程之六，結果對應控制碼之二。

第二十一圖三層2維2X2光學交換網路層與層的計算過程之七，找出同構結果。

第二十二圖三層2維2X2光學交換網路層與層的計算過程之八，同構結果列表。

第二十三圖控制碼同構表。

第二十四圖控制碼同構表中，最簡控制碼。

為了清楚說明本創作所能達成上述之目的及功效，茲搭配圖示就本創作的實施例加以詳細說明其特徵與功效。請參閱第一至二十四圖所示，本發明一種具有保密功能之4x4光開關結構，如圖一其中：該4X4光開關100，含有六個2X2光信號交換單元；包含二輸入2X2單元10，(x，y)、二輸出2X2單元20，(p，q)及二橋接2X2單元30，(u，v)，定義(x，y，p，q，u，v)為一控制碼信號輸入單元40。該二輸入2X2單元10，(x，y)：具四第一輸入端11各為，11A，11B，11C，11D。及四第一輸出端12各為，12A，12B，12C，12D。該二輸出2X2單元20，(p，q)：具四第一輸入端21各為，21A，21B，21C，21D。及四第一輸出端22各為，22A，22B，22C，22D。該二橋接2X2單元10，(u，v)：具四第一輸入端31各為，31A，31B，31C，31D。及四第一輸出端32各為，32A，32B，32C，32D。其中，12A與31C連結，12B與31A連結，12C與31B連結，12D與31D連結。32A與21B連結，32B與21C連結，32C與21A連結，32D與21D連結。以上的連結都是光信號的連結。

另外，將該二輸入2X2單元10之控制碼定義為(x，y)、該二輸出2X2單元20之控制碼定義為(p，q)、該二橋接2X2單元30之控制碼定義為(u，v)，前述該光 開關100的光信號傳輸下可得

，其中輸入層單元可得運算式為

中間層橋接單元30，可得運算式為

輸出層輸出2X2單元20，可得運算式為

經由本發明的光學信號連接方法及控制碼組合結果，可以得到完整的信號交換傳輸及保密功能。

此處描述，2X2的光信號交換單元的具體運作方法，如圖二；透鏡單元60之介紹：本發明使用了一群透鏡單元60(由聚焦形液晶透鏡組與另一群反向的聚焦液晶透鏡組在焦點處相結合)，形成一個2X2信號交換器。當兩個透鏡單元60加上電壓，兩個信號交換對調；當兩個透鏡單元60不加上電壓，兩個信號直通而過，不對調，請見第三圖之光路圖。

透鏡單元60做為4X4光開關100中之一個2X2模組，其具體實施例如下：Merck公司生產的E7液晶材料；其特性為，no(d)=1.5224，Vd=30.023，ne(d)=1.7394，Vd=14.788。光信號部份我們採用532nm波長半導體雷射，光束的直徑約1mm，輸入端對應的光信號與其透鏡單元60立體圖。請參考圖十一是加上電壓(控制碼為1)後，整個透鏡單元的設計參數。其中帶有非球面係數的模造玻璃，以消除光學像差之影響。此時因為加上的電壓使得液晶層折射率改變，產生了聚焦效果，進而產生信號交換。

請參考圖十二是不加上電壓(控制碼為0)後，整個透鏡單元60的設計參數。此時信號直通而過，不產生信號交換。

透鏡單元60，原始是圓盤形狀的如圖四，依軸線次序排列。考慮其使用的範圍，我們把液晶透鏡模組切割成盒形，方塊狀，以利其縮小體積。如圖五。

抽象代數中的群論計算方法：使用了一些群論數學的記號方法；比如S ₂表示兩個成員排列組合構成的群，S ₄表示四個成員排列組合構成的群。成員S ₂可以有編號，有控制碼；記號為

(1,2)；x是控制碼，控制碼只能有1，0。x=1代表執行交換，x=0代表不執行交換。(1，2)是其成員編號。T ₂，一樣也是兩個成員排列組合構成的群。S ₄的成員一樣可以有編號，有控制碼；

稱為二維S ₂；

其成員數目是兩個S ₂之成員為4個。本發明主要是解決了S ₄與S ₂關聯性的問題。

在基本的2X2光學交叉網路上，主要成員有兩個

(1,2)，

(2,1)。右上角的(0)代表控制信號為0，(1)代表控制信號為1。(1,2)是成員的狀態，當控制信號為0，其原始狀態不改變，標記為

(1,2)。當控制信號為1，產生交換的狀態，標記為

(2,1)。可以參考圖六。

兩組2X2光學交叉網路，

的意思為兩組2X2網路稱為二維的S2群，可以用以下符號表示

(1,2)+

(3,4)，我們可以註記為：

，其中成員狀態總共有4個：

，

，

另一種性質的兩組2X2光學交叉網路，

的意思為對於成員狀態有4個(1，2，3，4)的二維群

；x只對(1，2)做交換、y只對(3，4)做交換；我們另外定義一個

；u只對(1，4)做交換、v只對(2，3)做交換。二維群

類似於

；P只對(1，2)做交換、q只對(3，4)做交換，如圖七、八。

三層2維2X2光學交叉網路與層運算如圖九、十，註記如下：

進行層運算的時候，我們用X號來表式；單層

有4個成員如圖十三，兩層運算

×

就有16個成員，兩層運算

×

×

就有64個成員。

4X4光學交叉網路，S ₄的成員按照排列組合理論，4！=24，總共有24個不重複的成員，請參考圖十四。控制碼的解經証明：三層二維2X2光學交叉網路構成，其一般控制碼的形式為：(xy,uv,pq)。總共有64種結果，但只有24個不重覆的解，如圖十五，控制碼的形式經過簡化後進而形成最簡控制碼為(x,uv,pq)。4X4光學交叉網路等於三層2組2X2光學交叉網路之數學形式為

其中(xy,uv,pq)有64種結果；但是只有24個同構群。

証明過程：如圖十五至圖二十二，我們把完整的層運算列出來，總共有64個控制碼結果；圖十六是把圖十五之記號做簡化，圖十七是把圖十六之記號做簡化，圖十八是把圖十九之記號做簡化。圖二十是最後64個運算結果。圖二十一是把重複的結果核對刪除；我們把圖十七中間的

寫成另一種格式以方便運算：記號成：

；不做交換。

；表示為(21)(34)，交換(34)；

；表示為(12)(43)，交換(34)；

；表示為(21)(43)，(12)(43)都交換； 層與層發生運算時，比如說

；第一層運算是

；第二層是

；第三層是

；層與層中間的運算，用l來區隔表示。但這個記號在圖十八到十九的運算中被消除，我們表達為：

；運算過程是：

。圖十八是用(1)(21)(43)(32)(41)表達的列表。圖二十二是算出所有的結果，把所有的控制碼結果與成員形成對應。從裡面我們發現，控制碼與成員是多對1的結果，最終我們發現64個控制碼，只有24個成員對應，如圖二十二。多對1的結果，我們列表稱為同構。

建立同構表成為保密表的基礎下，如圖二十二，我們把24個成員跟對應的控制碼列出來；每個成員對應的控制碼數量不同，我們再將其重新整理成同構表，如圖二十三。這個同構的控制碼表形成保密表的基礎，我們可以選擇同構的控制碼表其中任何一組做成完整的24個成員結果，這樣的控制碼選擇方式總共有：6＊2＊4²＊2⁸＊4⁴＊2⁸=3,221225472＊10⁹，3億多種選擇方法。這對於保密性來說，是一個非常堅實的基礎。

以下用一個實施例做保密表的說明，從圖二十三中，我們可以看到密碼表的形成。同一個交換結果可以有好幾個控制碼可以對應。比如說從24個同構群選擇的密碼為：(52132,11212,21123,41221,2122)，總共24碼。其中5代表從同構表(圖二十三)的第一個同構中(有6個)，選擇第5個控制碼。其中2代表從同構表(圖二十三)的第二個同構中(有2個)，選擇第2個控制碼。後面依此類推。此密碼表代表了光開關100網路只能接受以上密碼，才能找到對應的控制碼，才有24個成員結果都是正確的完整對應；又執行保密功能時，如果輸入的控制碼與預先存在保密器內的控制碼不吻合時，則不會執行光信號變換功能。

最簡控制碼：參考圖二十四，我們觀察控制碼表裡的第一組；可以發現(xy,uv,pq)裡的y永遠為0。如圖二十四的黑色框框所示。因此存在一組最簡控制方法；同構表中的第一列，原來的(xy,uv,pq)六個碼，可以簡化為(x,uv,pq)五個碼。

100:光開關

10:輸入2X2單元

11、11A、11B、11C、11D:第一輸入端

12、12A、12B、12C、12D:第一輸出端

20:輸出2X2單元

21、21A，21B，21C，21D:第二輸入端

22、22A，22B，22C，22D:第二輸出端

30:橋接2X2單元

31、31A，31B，31C，31D:橋接單元輸入端

32、32A，32B，32C，32D:橋接單元輸出端

40:控制碼信號輸入單元

Claims (6)

1. 一種具有保密功能之4x4光開關結構，其應用於光開關的通信傳輸，其中：該光開關內建二輸入2X2單元、二輸出2X2單元及二橋接2X2單元，總共有6個2X2單元；該二輸入2X2單元總共具有四個光信號輸入端，及該二輸出2X2單元四個輸出端，每個單元具有一個開關控制信號；其作用是：加上電壓代表開啟產生信號交換，不加電壓代表關閉，不產生信號交換；在網路交叉下，可形成該四個輸入端與四個輸入端的數種搭配的控制碼結果，加上數學理論上的同構效應，進而達到網路信號傳輸上的保密；其中，將該二輸入2X2單元定義為

   

   、該二輸出2X2單元定義為

   

   、該二橋接2X2單元定義為

   

   ，前述該光開關的光信號傳輸下可得：

   

   ，其中

   

   為一個4X4單元，具有6個控制碼。
2. 如請求項1所述具有保密功能之4x4光開關結構，其中該二輸入2X2單元為同水平並排設置，該二輸出2X2單元為同水平並排設置，而該二橋接2X2單元則位於該二輸入2X2單元、該二輸出2X2單元之間，且該二橋接2X2單元為上下間距層疊排列。
3. 如請求項2所述之具有保密功能之4x4光開關結構，其中：該二輸出2X2單元10，(x，y)：具四第一輸入端11各為，11A，11B，11C，11D；及四第一輸出端12各為，12A，12B，12C，12D；該二輸出2X2單元20，(p，q)：具四第二輸入端21各為，21A，21B，21C，21D；及四第二輸出端22各為，22A，22B，22C，22D； 該二橋接2X2單元30，(u，v)：具四橋接單元輸入端31各為，31A，31B，31C，31D；及四橋接單元輸出端32各為，32A，32B，32C，32D；其中，12A與31C連結，12B與31A連結，12C與31B連結，12D與31D連結；32A與21B連結，32B與21C連結，32C與21A連結，32D與21D連結；以上的連結都是光信號的連結。
4. 如請求項1至3中任一項所述之具有保密功能之4x4光開關結構，其中該二輸入2X2單元、二輸出2X2單元及該二橋接2X2單元之內部進一步分別內建透鏡單元(由聚焦形液晶透鏡組與另一群反向的聚焦液晶透鏡組在焦點處相結合)，形成一個2X2信號交換器；當兩個透鏡單元加上電壓，兩個信號交換對調；當兩個透鏡單元不加上電壓，兩個信號直通而過，不對調。
5. 如請求項4所述之具有保密功能之4x4光開關結構，其中在該光開關的該二輸入2X2單元、該二輸出2X2單元及該二橋接2X2單元進一步分別形成兩個2X2單元及二控制碼，且以

   

   運算後產生64個交換結果，其中不重複的有24個同構群，24個同構群可形成4X4完整的交換，又24個同構群可進一步形成控制碼表格(x,y,u,v,p,q)，又每個同構群可以選擇對應的控制碼群中的一個碼，並以構成一個24字的密碼；又執行保密功能時，如果輸入的控制碼與預先存在保密器內的控制碼不吻合時，則不會執行光信號變換功能。
6. 如請求項5所述之具有保密功能之4x4光開關結構，其中，(xy,uv,pq)六個碼，可以簡化為(x,uv,pq)五個碼，(xy,uv,pq)裡的y永遠為0存在一組最簡控制方法。

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