CN103618597B - 一种基于快速偏振反馈的量子密钥分发系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于快速偏振反馈的量子密钥分发系统，包括设置在电力架空光缆两端的量子密钥分发发射装置和量子密钥分发接收装置；量子密钥分发发射装置包括QKD发射端和快速偏振反馈接收端；量子密钥分发接收装置包括QKD接收端和快速偏振反馈发射端；QKD接收端用于接收量子密钥；快速偏振反馈发射端用于发射和调制线偏振光；QKD发射端用于发射量子密钥；快速偏振反馈接收端用于接收和解调所述线偏振光。和现有技术相比，本发明提供的一种基于快速偏振反馈的量子密钥分发系统，采用与正常QKD相反的光纤链路用于快速偏振跟踪反馈，能够迅速检测架空光缆中的量子密钥传输信号的偏振变化并补偿该变化量，保证架空光缆另一端的QKD设备正常工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种量子密钥分发系统，具体涉及一种基于快速偏振反馈的量子密钥分发系统。
背景技术
量子保密通信与经典加解密相比，其保密通信原理是无条件安全的。将量子保密通信运用于电力传输网络，可以确保电力传输网络的核心数据安全。量子保密通信通常使用光纤信道作为传输途径；然而在电力网中，光纤链路通常采用架空光缆铺设；使用架空光缆传输QKD信号时，由于光缆本身的行业特点以及电力架空线路通常铺设在几十米高的铁塔上，线路受到大风、霜冻等天气环境的扰动，使电力架空线路中光偏振发生剧烈变化，这对使用单光子偏振态作为密钥成码的量子密钥分配系统造成很大的影响，甚至导致电力架空线路无法正常工作。因此，提供一种能够在电力架空环境下确保量子保密稳定、可靠通信的量子密钥分发系统显得尤为重要。
发明内容
为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种基于快速偏振反馈的量子密钥分发系统，所述系统包括设置在电力架空光缆两端的量子密钥分发发射装置和量子密钥分发接收装置；所述量子密钥分发发射装置包括通过单模光纤分别与光环行器相连的QKD发射端和快速偏振反馈接收端；所述量子密钥分发接收装置包括通过单模光纤分别与光环行器相连的QKD接收端和快速偏振反馈发射端；
所述QKD接收端用于接收量子密钥；所述快速偏振反馈发射端用于发射和调制线偏振光；所述QKD发射端用于发射所述量子密钥；所述快速偏振反馈接收端用于接收和解调所述线偏振光。
优选的，所述量子密钥分发发射装置的光环行器通过所述单模光纤与所述电力架空光缆相连；所述量子密钥分发接收装置的光环行器通过单模光纤与电控偏振控制器相连；所述快速偏振反馈接收端通过反馈回路与所述电控偏振控制器相连；所述电控偏振控制器通过单模光纤与所述电力架空光缆相连；
所述电控偏振控制器依据所述快速偏振反馈接收端输出的偏振参考光测试数据反馈补偿所述电力架空光缆中的所述线偏振光；
优选的，所述快速偏振反馈接收端通过激光器输出的线偏振光作为偏振反馈参考光，所述线偏振光的偏振度为1；
优选的，所述电控偏振控制器为压电陶瓷挤压光纤型偏振控制器；所述电控偏振控制器包括依次设置在光纤传输方向上的0°压电陶瓷挤压件、45°压电陶瓷挤压件和0°压电陶瓷挤压件；
优选的，所述电控偏振控制器的偏振反馈控制方法为：
步骤1：依据所述偏振参考光测试数据设置电控偏振控制器挤压轴的偏压值，量子密钥传输信号的入射偏振态依据所述偏压值改变传输方向；所述偏压值不超过所述电控偏振控制器挤压轴的驱动电压；
步骤2：获取单光子探测器的光子计数值Cr；
步骤3：将所述光子计数值Cr与阈值Cth进行比较；若Cr≥Cth，则返回步骤1设置另一个所述电控偏振控制器挤压轴的偏压值，执行步骤2；若Cr＜Cth，则结束偏振反馈控制；
优选的，所述电控偏振控制器挤压轴包括0°挤压轴、45°挤压轴和0°挤压轴；依次增加三个所述电控偏振控制器挤压轴的偏压值，从而获得满足Cr＜Cth的所述偏压值，所述入射偏振态依据所述偏压值改变传输方向。
与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：
1、本发明技术方案中，采用与正常QKD相反的光纤链路用于快速偏振跟踪反馈，能够迅速检测架空光缆中的量子密钥传输信号的偏振变化并补偿该变化量，保证架空光缆另一端的QKD设备正常工作；
2、本发明技术方案中，采用光环行器耦合偏振反馈光和量子密钥分发信号光，可以实现不同方向上传输同一波长的偏振参考光，以保证偏振变化对波长的一致性；
3、本发明技术方案中，采用快速偏振反馈发射端发射和调制线偏振光；快速偏振反馈接收端接收和解调线偏振光，可以与QKD密钥分发的同时，实现线路偏振的稳定，而不中断QKD系统，提高密钥分发的效率；
4、本发明技术方案中，采用电控偏振控制器依据快速偏振反馈接收端输出的偏振参考光测试数反馈补偿电力架空光缆中的线偏振光，实现快速的偏振补偿功能，且电控偏振控制器插损损耗低，不影响QKD系统整体链路插损；
5、本发明技术方案中，本发明采用最小阈值搜索算法，可以避免系统串扰对单光子探测器计数的干扰，当光子计数值变化时，最小值反映了偏振态在所要求的测量基矢正交投影分量；将该基矢正交投影分量调至最小值，即能将所跟踪的偏振态反馈回发送方发射的偏振态，从而有效找到最佳偏振反馈位置。
6、本发明提供的一种基于快速偏振反馈的量子密钥分发系统，实现实时并行的偏振反馈，在QKD分发密钥时实时补偿该线路偏振的变化，保证了电力架空光缆偏振变化时QKD的正常工作，及降低了QKD密钥分发错误率，有效解决了电力架空光缆上QKD成码难的技术问题。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是：本发明实施例中提供的一种基于快速偏振反馈的量子密钥分发系统结构图；
图2是：本发明实施例中量子密钥分发发射装置结构图；
图3是：本发明实施例中量子密钥分发接收装置结构图；
图4是：本发明实施例中电控偏振控制器结构图；
图5是：本发明实施例中偏振反馈控制方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供的一种基于快速偏振反馈的量子密钥分发系统包括量子密钥分发发射装置和量子密钥分发接收装置；如图1所示量子密钥分发发射装置和量子密钥分发接收装置分别设置在电力架空光缆两端。
量子密钥分发发射装置包括QKD发射端、快速偏振反馈接收端、光环行器和电控偏振控制器；QKD发射端用于发射量子密钥，快速偏振反馈接收端用于接收和解调线偏振光；
图2示出了本实施例中量子密钥分发发射装置结构图：光环行器一端通过单模光纤分别与QKD发射端和快速偏振反馈接收端相连，另一端通过单模光纤与电控偏振控制器相连；电控偏振控制器通过单模光纤与电力架空光缆相连；快速偏振反馈接收端通过反馈回路与电控偏振控制器相连；
快速偏振反馈接收端采用激光器输出特定的线偏振光作为偏振反馈参考光，线偏振光的偏振度为1；电控偏振控制器依据快速偏振反馈接收端输出的偏振参考光测试数据反馈补偿电力架空光缆中的线偏振光；电控偏振控制器检测线偏振光在经过偏振分束器后单光子探测器上的光子计数值；当电力架空光缆中线偏振光发生偏振变化时，光子计数值发生改变；电控偏振控制器依据光子计数值的改变量实时调整快速偏振反馈接收端发出的偏振反馈参考光。
电控偏振控制器为压电陶瓷挤压光纤型偏振控制器；如图4所示电控偏振控制器包括依次设置在光纤传输方向上的0°压电陶瓷挤压件、45°压电陶瓷挤压件和0°压电陶瓷挤压件；压力F1和F2挤压方向相同，压力F3的挤压方向与F1、F2相差45°。
量子密钥分发接收装置包括QKD接收端、快速偏振反馈发射端和快速偏振反馈发射端；QKD接收端用于接收量子密钥；快速偏振反馈发射端用于发射和调制线偏振光；
图3示出了本实施例中量子密钥分发接收装置结构图：光环行器一端通过单模光纤分别与QKD接收端和快速偏振反馈发射端相连，另一端通过单模光纤与电力架空光缆相连；
快速偏振反馈发射端采用偏振分束器分束线偏振光投影到测量基矢上，并将测量基矢中与偏振反馈参考光正交的基矢部分使用单光子探测器进行测量。
图5示出了本实施例中量子密钥分发系统的电控偏振控制器的偏振反馈控制方法为：
步骤1：依据快速偏振反馈接收端输出的偏振反馈参考光测试数据设置电控偏振控制器挤压轴的偏压值；量子密钥分发系统中的量子密钥传输信号的入射偏振态依据偏压值改变传输方向；电控偏振控制器挤压轴包括0°挤压轴、45°挤压轴和0°挤压轴；
步骤2：增加一个电控偏振控制器挤压轴的偏压值获取单光子探测器的计数值Cr，偏压值不超过电控偏振控制器挤压轴的驱动电压；Cr为单光子探测器V路和N路计数和；
步骤3：将计数值Cr与阈值Cth进行比较；若Cr≥Cth，则返回步骤1设置下一个电控偏振控制器挤压轴的偏压值，继续执行步骤2和3；若Cr＜Cth，偏振态H光和偏振态P光在V路探测器和N路探测器上的投影最小，可以认为此时偏振反馈已达到要求，则结束偏振反馈控制，入射偏振态依据所述单偏压值改变传输方向；针对每个电控偏振控制器控制轴依次调节，直到计数值满足阈值要求。
最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
Claims (5)
1.一种基于快速偏振反馈的量子密钥分发系统，其特征在于，所述系统包括设置在电力架空光缆两端的量子密钥分发发射装置和量子密钥分发接收装置；所述量子密钥分发发射装置包括通过单模光纤分别与光环行器相连的QKD发射端和快速偏振反馈接收端；所述量子密钥分发接收装置包括通过单模光纤分别与光环行器相连的QKD接收端和快速偏振反馈发射端；
所述QKD接收端用于接收量子密钥；所述快速偏振反馈发射端用于发射和调制线偏振光；所述QKD发射端用于发射所述量子密钥；所述快速偏振反馈接收端用于接收和解调所述线偏振光；
所述量子密钥分发发射装置的光环行器通过所述单模光纤与电控偏振控制器相连；所述量子密钥分发接收装置的光环行器通过单模光纤与所述电力架空光缆相连；所述快速偏振反馈接收端通过反馈回路与所述电控偏振控制器相连；所述电控偏振控制器通过单模光纤与所述电力架空光缆相连；
所述电控偏振控制器依据所述快速偏振反馈接收端输出的偏振参考光测试数据反馈补偿所述电力架空光缆中的所述线偏振光。
2.如权利要求1所述的一种基于快速偏振反馈的量子密钥分发系统，其特征在于，所述快速偏振反馈接收端通过激光器输出的线偏振光作为偏振反馈参考光，所述线偏振光的偏振度为1。
3.如权利要求1所述的一种基于快速偏振反馈的量子密钥分发系统，其特征在于，所述电控偏振控制器为压电陶瓷挤压光纤型偏振控制器；所述电控偏振控制器包括依次设置在光纤传输方向上的0°压电陶瓷挤压件、45°压电陶瓷挤压件和0°压电陶瓷挤压件。
4.如权利要求1所述的一种基于快速偏振反馈的量子密钥分发系统，其特征在于，所述电控偏振控制器的偏振反馈控制方法为：
步骤1：依据所述偏振参考光测试数据设置电控偏振控制器挤压轴的偏压值，量子密钥传输信号的入射偏振态依据所述偏压值改变传输方向；所述偏压值不超过所述电控偏振控制器挤压轴的驱动电压；
步骤2：获取单光子探测器的光子计数值Cr；
步骤3：将所述光子计数值Cr与阈值Cth进行比较；若Cr≥Cth，则返回步骤1设置另一个所述电控偏振控制器挤压轴的偏压值，执行步骤2；若Cr＜Cth，则结束偏振反馈控制。
5.如权利要求4所述的一种基于快速偏振反馈的量子密钥分发系统，其特征在于，所述电控偏振控制器挤压轴包括0°挤压轴、45°挤压轴和0°挤压轴；依次增加三个所述电控偏振控制器挤压轴的偏压值，从而获得满足Cr＜Cth的所述偏压值，所述入射偏振态依据所述偏压值改变传输方向。
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