CN101800636B - 一种用于量子密钥分发的同步装置及同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于量子密钥分发的同步装置及同步方法，同步信号编码模块信号输出端与同步激光发射模块信号输入端连接；同步激光发射模块的信号输出端通过光纤与比较器电路模块信号输入端连接；光探测器和比较器电路模块的信号输出端分别与用于产生门控信号并且可调延时的可调延时电路模块和使用一个帧计数器进行计数，对同步信息进行编码的同步检出和编码模块的信号输入端连接。本发明提供一种高性能的量子密钥分发系统。该系统在频率为几十兆的系统中使用一根光纤传输信号光和同步光，实现系统双方的准确同步，并在同步丢失的情况下能实时重新同步，提升了系统的容错能力。
Description
技术领域
本发明涉及量子保密通信方法，具体涉及量子密钥分发装置和分发方法。
背景技术
量子密钥分发系统的一项关键技术是发送方和接收方信息的同步，只有信息同步比对上了，才能进行后续的密钥提取工作，同时要求能尽量的去除暗计数，以减少误码率。由于整个系统要求在高精度下工作，信息精确同步需要得到保证。为了保证单光子计数的准确无误，需要将发送端的同步信号准确无误的传送到接收端，并且与单光子探测器的检出信号保持同步。如果光子的同步性越好，则单光子计数越准确，能去除的暗计数也就越多，量子密钥分发系统的性能也就越好。
目前，国内外已经完成了不少量子密钥分发的实验，一种是使用原子钟进行同步，此种同步方式一般是使用秒信号进行同步，对于频率为几兆甚至几十兆的系统，使用秒信号同步是比较粗的方案，且无法做到双方很好的同步性，而且由于原子钟比较昂贵，所以用的相对比较少。另外一种是使用简单的光同步，专门使用一根光纤作为同步光的传送，频率也能做到和发射的信号频率一样，但是由于使用2根光纤(另一根作为信号光的传输)，大大加大了使用成本。
发明内容
本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种高性能的量子密钥分发系统。该系统在频率为几十兆的系统中使用一根光纤传输信号光和同步光，实现系统双方的准确同步，并在同步丢失的情况下能实时重新同步，提升了系统的容错能力。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于量子密钥分发的同步装置，用于同步信号产生和编码的同步信号编码模块信号输出端与用以产生同步激光的同步激光发射模块信号输入端连接；所述同步激光发射模块的信号输出端通过光纤与用于光电转换的光探测器和用于甄别的比较器电路模块信号输入端连接；光探测器和比较器电路模块的信号输出端分别与用于产生门控信号并且可调延时的可调延时电路模块和使用一个帧计数器进行计数，对同步信息进行编码的同步检出和编码模块的信号输入端连接。
一种用于量子密钥分发的同步装置，发送和接收方都在所述的同步检出和编码模块内置一个帧计数器，并对同步信息和态信息进行编码。
一种用于量子密钥分发的同步装置，所述可调延时电路模块由粗细两级组成。
用于量子密钥分发同步装置的同步方法，包括以下步骤：
(1)使用同步信号编码模块对信号进行编码，产生同步光激光器的驱动信号；
(2)所述驱动信号进入同步光激光发射模块，进行电平转换，对信号整形，并将同步激光发射；
(3)发射的同步光和信号光耦合到同一根光纤中，从发送方传送到接收方；
(4)在接收方，使用同步光探测和甄别模块中的光电二极管完成同步光的接收和光电转换，并使用高性能比较器完成信号的甄别；
(5)使用独立可调延时电路，对步骤(4)采集到的信号进行延时，作为门控信号输给单光子探测器；
(6)对步骤(4)采集到的信号进行同步检出，并结合单光子探测器得到的信号计数进行编码。
用于量子密钥分发同步装置的同步方法，基础频率由量子态发射频率决定；每过一段脉冲序列后停发若干个脉冲。
用于量子密钥分发同步装置的同步方法，由发送方产生的同步信号脉冲上升沿触发，产生同步的激光脉冲；光脉冲的宽度可调；同步光与态信号光在同一光纤中传送至接收方。
用于量子密钥分发同步装置的同步方法，同步光到达接收方后，要经过高灵敏度的PIN-TIA探测器转换为差分的电信号，然后由高灵敏的快速比较器接收此差分信号，转换为后续可用的电平信号。
本发明的优点在于对同步光信号进行了编码，使得在同步丢失的情况下能很快的重新同步；对驱动信号进行窄脉冲成形，使得同步信号的强度仅稍大于噪声，减小同步光在光纤传输中对信号光的影响；使用一根光纤进行同步光和信号光的传送，简单易行，且大大降低了成本；使用高性能甄别电路完成弱同步信号的低晃动信号采集；延时电路的高精度宽范围，使得延迟之后的同步光能准确地和信号光同步，有效得到信号计数。
附图说明
附图1为本发明的模块结构框图。
附图2为本发明中的发射方的功能模块示意图。
附图3为本发明中的同步帧的时序示意图。
附图4为本发明中的接收方的功能模块示意图。
具体实施方式
参见附图1、2、3、4所示。
本发明用于量子密钥分发的装置，其中，用于同步信号产生和编码的同步信号编码模块1信号输出端与用以产生同步激光的同步激光发射模块2信号输入端连接；同步激光发射模块2的信号输出端通过光纤与用于光电转换的光探测器31和用于甄别的比较器电路模块3信号输入端连接；光探测器31和比较器电路模块3的信号输出端分别与用于产生门控信号并且可调延时的可调延时电路模块5和使用一个帧计数器进行计数，对同步信息进行编码的同步检出和编码模块4的信号输入端连接。
由同步信号编码模块1，驱动同步激光放射模块2发光，并耦合到光路上。在接收端，同步光从光路中分离出来，经过同步光探测和甄别3进行同步光信号采集。由于每路信号光通过电子学路径以及光路之后，相对于同步光的时间延迟是不一样的，因此通过对同步信号进行不同的延迟控制，使得每路信号在光探测器31上形成lns左右的时间窗。同时同步光信号进入帧同步检出和编码模块43，结合信号光的信号，进行同步单光子计数，同时检出帧同步信号，利用此帧同步信号，即使在同步丢失的情况下，仍然能重新同步上。
如图2所示，同步信号在发送方同步检出和编码模块内部由硬件描述语言编写的逻辑模块产生，并在接收方被接收，通过高精度甄别之后进入接收方同步检出和编码模块，基础频率由量子态发射频率决定；每过一段脉冲序列后停发若干个脉冲，如图3所示，同步光按量子发射频率生成，但不完全一样，中间每过K个脉冲，停发N个脉冲N＜＜K，作为K+N为单位的帧的同步信号，如此即使在某个地方丢失同步之后，在下一个帧还能重新同步上。同时发送和接收方都在同步检出和编码模块内置一个帧计数器，并对同步信息和态信息进行编码。这样，即使由于在同步信息传递过程中出现错误而造成同步丢失，也能通过帧计数器的信息恢复同步。产生的同步电脉冲信号发送给激光器。由于信号要成形为lns左右的脉冲，所以必须使用快信号电平标准。激光发射模块首先使用电平转换21功能，把TTL信号转换为ECL信号，进入窄脉冲成形22，驱动激光器23发射同步光，同步光和信号光耦合到一根光纤传输到接收方。由发送方产生的同步信号脉冲上升沿触发，产生同步的激光脉冲；光脉冲的宽度可调；同步光与态信号光在同一光纤中传送至接收方。
图4为接收方的功能框图。使用光探测器31对同步光进行接收然后进入甄别32。为了防止同步光对信号光的干扰，同步光的光功率会被衰减到很低的水平。同步光到达接收方后，要经过高灵敏度的PIN-TIA探测器转换为差分的电信号。然后由高灵敏的快速比较器接收此差分信号，转换为后续可用的电平信号。整个装置要求有高的灵敏度和低时间晃动。对甄别出的同步信号接收42后进行帧信号检出和编码43，检出规则和生成规则一致，如图3所示，并结合探测器对信号光的探测信号进行编码。编码后的数据通过密钥提取接口44进行密钥的提取。
如果接收方的探测器工作在GATE模式下，需要由态信号来确定GATE开启的时间。由于发送方到接收方的量子信道存在一些不确定的因素，各态信号到达的时间并不一致。和态信号相关的同步信号经甄别后，进入可调延时的电路，来产生探测器工作所需要的门控信号。此可调延时电路由粗细两级组成，使得延时调节范围宽，并且调节精度高；延时可编程，整个延迟分为脉冲形成51、粗延时52和细延时54，四路电路延时独立可调；延时设置通过延时控制57来完成。经过延时后的同步信号再经过电平转换55整形，脉冲形成56输入到探测器。
Claims (7)
1.一种用于量子密钥分发的同步系统，其特征在于：包括有同步信号编码模块、同步激光发射模块、同步光探测和甄别模块、可调延时电路模块、同步检出和编码模块；
用于同步信号产生和编码的同步信号编码模块信号输出端与用以产生同步激光的同步激光发射模块信号输入端连接；
所述同步激光发射模块的信号输出端通过光纤与同步光探测和甄别模块的信号输入端连接，其中光探测器用于光电转换，比较器电路用于信号的甄别；
同步光探测和甄别模块的信号输出端分别与用于产生门控信号并且可调延时的可调延时电路模块和使用一个帧计数器进行计数，对同步信息进行编码的同步检出和编码模块的信号输入端连接；
用于量子密钥分发的同步系统按照以下步骤实现同步：
(1)使用同步信号编码模块对信号进行编码，产生同步激光发射模块的驱动信号；
(2)所述驱动信号进入同步激光发射模块，进行电平转换，对信号整形，并将同步光发射；
(3)发射的同步光和信号光耦合到同一根光纤中，从发送方传送到接收方；
(4)在接收方，使用同步光探测和甄别模块中的光电二极管完成同步光的接收和光电转换，并使用高性能比较器完成信号的甄别；
(5)使用独立可调延时电路，对步骤(4)采集到的信号进行延时，作为门控信号输给单光子探测器；
(6)对步骤(4)采集到的信号进行同步检出，并结合单光子探测器得到的信号计数进行编码。
2.根据权利要求1所述的一种用于量子密钥分发的同步系统，其特征在于：在发送方同步信号编码模块和接收方对同步信息进行编码的同步检出和编码模块，均内置一个帧计数器，并对同步信息和态信息进行编码。
3.根据权利要求1所述的一种用于量子密钥分发的同步系统，其特征在于：所述可调延时电路模块由粗细两级组成。
4.用于量子密钥分发同步系统的同步方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)使用同步信号编码模块对信号进行编码，产生同步激光发射模块的驱动信号；
(2)所述驱动信号进入同步激光发射模块，进行电平转换，对信号整形，并将同步光发射；
(3)发射的同步光和信号光耦合到同一根光纤中，从发送方传送到接收方；
(4)在接收方，使用同步光探测和甄别模块中的光电二极管完成同步光的接收和光电转换，并使用高性能比较器完成信号的甄别；
(5)使用独立可调延时电路，对步骤(4)采集到的信号进行延时，作为门控信号输给单光子探测器；
(6)对步骤(4)采集到的信号进行同步检出，并结合单光子探测器得到的信号计数进行编码。
5.根据权利要求4所述的用于量子密钥分发同步系统的同步方法，其特征在于：基础频率由量子态发射频率决定；每过一段脉冲序列后停发若干个脉冲。
6.根据权利要求4所述的用于量子密钥分发同步系统的同步方法，其特征在于：使用同步信号编码模块对信号进行编码，产生同步激光发射模块的驱动信号脉冲上升沿触发，产生同步的激光脉冲；光脉冲的宽度可调；同步光与态信号光在同一光纤中传送至接收方。
7.根据权利要求4所述的用于量子密钥分发同步系统的同步方法，其特征在于：同步光到达接收方后，要经过高灵敏度的PIN-TIA探测器转换为差分的电信号，然后由高灵敏的快速比较器接收此差分信号，转换为后续可用的电平信号。
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