一種基於時分-波分雙重複用的多功能量子保密通信節點結構的製作方法

2023-09-23 18:35:35

一種基於時分-波分雙重複用的多功能量子保密通信節點結構的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種基於時分-波分雙重複用的多功能量子保密通信節點結構，屬於量子保密通信的【技術領域】。具體是一種採用時分復用技術實現量子保密通信節點收發功能的方法。本發明針對基於單光子方案和法拉第-麥可遜幹涉環(F-M)結構的量子保密通信節點，僅需在節點中增加光環形器和收發功能的時分控制邏輯，即可實現節點收發雙向功能。該節點結構可應用於可信任中繼節點、超級節點和認證中心節點，以提高整個量子保密通信網絡的可靠性和擴展性。本發明中同時使用波分復用技術實現量子保密通信網絡中要求的嚴格時鐘同步，並減少同步時延調整範圍。
【專利說明】一種基於時分-波分雙重複用的多功能量子保密通信節點 結構 1.

【技術領域】
[0001] 本發明涉及量子保密通信網絡【技術領域】，特別是涉及時分復用技術在多功能量子 通信節點中的應用。 2.

【背景技術】
[0002] 作為保障通信安全的一種重要手段，密碼學一直受到通信領域的高度關注。現有 密碼體系根據加密和解密密鑰是否相同主要分為"對稱密碼學"和"非對稱密碼學"兩大體 系。對稱密碼體制具有加解密速度快、密鑰長度較短等優點，但密鑰分發需要安全通道，而 且密鑰量大，難於管理。非對稱密碼體制分為公開的公鑰和用戶所持有的私鑰，密鑰分發較 為容易，管理簡單，同時可以有效實現數字籤名，但存在加解密速度慢、密文長度大於明文 等缺點。
[0003] 現有密碼體系中廣泛應用的是一類基於計算安全性的加密技術，而隨著各種計 算、破解技術變得越來越強大，現代密碼學面臨著巨大的安全威脅。量子密碼學成功地解 決了現有密碼學中依靠無法解決的數學難題而設計的安全體系的弊端。量子密鑰分配被認 為是替代基於計算安全性的現代密碼學的有效技術方案，其安全性由量子力學三大定律保 證。儘管竊聽者可測量得到信道中的信息，然而該行為將改變量子所攜帶信息而被通信雙 方發現。
[0004] 量子保密通信的概念最早由Bennett和Brassard於1984年提出，經過30年的實 驗研究，世界上關於量子通信系統的實驗研究已經取得相當可觀的進展，已有成熟的小規 模商用量子保密通信網絡出現。目前量子保密通信根據實現方案不同分為單光子方案、糾 纏光子方案、連續變量方案等。國際上研究主要以光纖量子密碼和單光子方案為主，也以單 光子方案的光纖量子密碼最為成熟。本專利中所提出的時分復用多功能量子保密通信節點 實現方法是基於單光子方案提出的。
[0005] 隨著量子保密通信網絡的規模逐漸變大，網絡拓撲結構趨於複雜化，量子節點的 可靠性和擴展性將會成為量子保密通信網絡大規模商用的巨大挑戰。量子保密通信中由於 相對較低的幹涉條紋可見度造成的光學誤碼率成為制約系統性能的原因之一，而提高量子 保密通信節點中幹涉條紋可見度所需要的較高維護成本會隨著量子保密通信網絡規模的 擴大而成為主要制約因素之一。 3.


【發明內容】

[0006] 圖1所示為現有技術中多功能量子保密通信節點結構示意圖。該多功能節點中有 兩個獨立的接收與發送功能模塊，相應有兩個F-M幹涉環結構需要維護管理。本發明的目 的在於提供一種可降低設備成本和維護複雜度的多功能量子保密通信節點解決方法，通過 添加光環形器和收發功能控制邏輯實現時分-波分雙重複用的幹涉環節點結構。
[0007] 為實現上述時分-波分雙重複用多功能量子保密通信節點結構的目的，本專利中 採取的技術方案為：節點中幹涉環光路結構、收發功能控制邏輯的控制方式均與圖1所示 的現有多功能節點一致。唯一不同之處是在量子光信號和同步光信號傳輸路徑上增加兩個 用於選擇性控制光傳輸通道的光環形器。
[0008] 圖2給出基於時分-波分雙重複用的多功能量子保密通信節點結構。量子保密通 信節點採用法拉第-麥可遜幹涉環結構，該結構具有偏振不敏感和較高穩定性等特點。 通過調整幹涉環的臂長差，要求幹涉路徑延遲不匹配在3 μ m以內。通過使用電控可變光衰 減器將節點發送端的量子信號衰減到〇. 1光子/脈衝水平。圖1中可以看出，本發明中多 功能量子保密通信節點基本保持和如圖1所示的現有多功能節點結構相同，僅於量子信號 部分和同步信號部分分別增加一個光環形器和少量控制邏輯。前者保證幹涉環和光纖信道 的時分復用在物理連接上的可行性，後者完成量子保密通信收發的時分復用控制功能，並 可通過更上層控制單元增加對應節點的管理策略，提高時分復用量子保密通信節點的工作 效率。在所述量子信號處理模塊增加一個光環形器，當量子信號處理模塊處於發送狀態時， 量子雷射源發射周期性量子光信號，通過光環形器選路輸出至F-M幹涉環；當量子信號處 理模塊處於接收狀態時，波分復用器解復用得到量子光信號後，通過F-M幹涉環進入光環 行器選路輸出至單光子探測器。在所述同步信號模塊增加一個光環形器，當同步信號模塊 處於發送狀態時，同步雷射源輸出同步光信號，通過光環形器選路後經由波分復用器復用 到發送信道中；當同步信號模塊處於接收狀態時，波分復用器解復用得到同步光信號後進 入光環行器選路，輸出至同步光探測器得到電同步信號。
[0009] 波分復用器將量子信號、同步光信號復用用至一根光纖傳輸，提高時鐘同步精度 和光纖信道的帶寬利用率，減少同步時延調整幅度。因為量子光信號強度非常微弱，易受到 光纖信道中噪聲光子的幹擾而提高量子誤碼率。因此，於量子保密通信節點接收部分使用 窄帶光濾波器（NBF)以減少噪聲光子對量子誤碼率的影響。通過使用波分復用技術，該量 子保密通信網絡可以很容易地部署至現有的全光網絡中。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1 :現有技術中多功能量子保密通信節點結構示意圖
[0011] 圖2 :本發明所涉及的基於時分-波分雙重複用的多功能量子保密通信節點結構

【具體實施方式】
[0012] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不 用於限定本發明。
[0013] 實施
[0014] 參見圖2,該基於時分-波分雙重複用的多功能量子保密通信節點裝置，包括兩個 光環形器、控制邏輯模塊以及共用的F-M幹涉環系統；其特徵在於，本發明中基於時分-波 分雙重複用的多功能量子保密通信節點結構與現有多功能節點結構基本保持相同，。本發 明中多功能量子保密通信節點共有發送和接收兩個工作狀態。當節點量子信號部分處於發 送狀態下時，量子雷射源發射周期性量子光信號，於圖2中環形器埠 1輸入，通過環形器 2(CIR2)由埠 2輸出至F-M幹涉環。當量子信號部分處於接收狀態下時，通過從波分復用 器中解復用得到的量子光信號，經過共用的F-M幹涉環進入CIR2的埠 2,在埠 3輸出後 進入單光子探測器（SPD)探測得到量子光信號探測結果。當同步信號部分處於發送狀態下 時，同步光信號雷射源（CLK)發射同步光脈衝，於圖2中環形器1(CIR1)的埠 1輸入，通 過埠 2輸出，經由波分復用器復用到發送信道中。當同步信號部分處於接收狀態下時，通 過從波分復用器中解復用得到的同步光信號，進入CIR1的埠 2,在埠 3輸出後進入同步 光探測器（PD)探測得到同步時鐘信號。
[0015] 本發明中基於時分復用的多功能量子保密通信節點收發功能的控制邏輯由FPGA 實現，其內部有發送和接收兩個功能控制模塊。FPGA通過與量子保密通信網絡中其他節 點通信，獲取該多功能量子保密節點所屬的工作狀態，切換FPGA內部的發送和接收模塊。 當多功能量子保密通信節點處於發送狀態下時，FPGA輸出方波觸發信號，周期性地觸發同 步雷射源和量子雷射源發光，並將可控衰減器（ATT)的衰減設置為固定值。FPGA控制邏 輯根據通信協議輸出對應電壓控制相位調製器（PM)調製進入幹涉環的單光子。當多功能 量子保密通信節點處於接收狀態下，相應的相位調製器、光電探測器（PD)和單光子探測器 (SPD)進入工作狀態，FPGA通過檢測由光電探測器接收到的同步時鐘，控制相位調製器和 單光子探測器完成量子保密通信工作。
[0016] 量子信號、同步光信號可分別使用1530nm、1550nm，通過一個粗波分復用器 (CWDM)復用至一根光纖傳輸，提高時鐘同步精度和帶寬利用率，減少同步時延調整範圍。
【權利要求】
1. 一種可實現收發雙向的基於時分-波分雙重複用的量子保密通信節點實現方法，其 特徵在於：通過在收發雙向上時分復用量子保密通信節點的F-M幹涉環和波分復用量子信 號和同步信號，減少設備成本和維護複雜度。
2. 如權利要求書1所述的基於時分復用的量子保密通信節點，由量子信號處理模塊和 同步信號處理模塊構成，其特徵在於： (1) 所述量子信號處理模塊由光環形器實現基於時分復用的雙向收發功能，即當量子 信號處理模塊處於發送狀態時，量子雷射源發射周期性量子光信號，通過光環形器選路輸 出至F-M幹涉環； 當量子信號處理模塊處於接收狀態時，波分復用器解復用得到的量子信號，通過F-M 幹涉環進入光環行器選路輸出至單光子探測器； (2) 所述同步信號模塊由光環形器實現同步信號的時分復用； 當同步信號模塊處於接收狀態時，同步雷射源輸出同步光信號，通過光環形器選路後 經由波分復用器復用到發送信道中； 當同步信號模塊處於接收狀態時，波分復用器解復用得到同步光信號後進入光環行器 選路，輸出至同步光探測器得到電同步信號。
【文檔編號】H04J14/02GK104065476SQ201410323020
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月8日 優先權日:2014年7月8日
【發明者】孫詠梅, 詹鐳, 紀越峰 申請人:北京郵電大學