CN104065476A - 一种基于时分-波分双重复用的多功能量子保密通信节点结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于时分-波分双重复用的多功能量子保密通信节点结构，属于量子保密通信的技术领域。具体是一种采用时分复用技术实现量子保密通信节点收发功能的方法。本发明针对基于单光子方案和法拉第-迈克尔逊干涉环(F-M)结构的量子保密通信节点，仅需在节点中增加光环形器和收发功能的时分控制逻辑，即可实现节点收发双向功能。该节点结构可应用于可信任中继节点、超级节点和认证中心节点，以提高整个量子保密通信网络的可靠性和扩展性。本发明中同时使用波分复用技术实现量子保密通信网络中要求的严格时钟同步，并减少同步时延调整范围。

Description

一种基于时分-波分双重复用的多功能量子保密通信节点结构

1.技术领域

本发明涉及量子保密通信网络技术领域，特别是涉及时分复用技术在多功能量子通信节点中的应用。

2.背景技术

作为保障通信安全的一种重要手段，密码学一直受到通信领域的高度关注。现有密码体系根据加密和解密密钥是否相同主要分为“对称密码学”和“非对称密码学”两大体系。对称密码体制具有加解密速度快、密钥长度较短等优点，但密钥分发需要安全通道，而且密钥量大，难于管理。非对称密码体制分为公开的公钥和用户所持有的私钥，密钥分发较为容易，管理简单，同时可以有效实现数字签名，但存在加解密速度慢、密文长度大于明文等缺点。

现有密码体系中广泛应用的是一类基于计算安全性的加密技术，而随着各种计算、破解技术变得越来越强大，现代密码学面临着巨大的安全威胁。量子密码学成功地解决了现有密码学中依靠无法解决的数学难题而设计的安全体系的弊端。量子密钥分配被认为是替代基于计算安全性的现代密码学的有效技术方案，其安全性由量子力学三大定律保证。尽管窃听者可测量得到信道中的信息，然而该行为将改变量子所携带信息而被通信双方发现。

量子保密通信的概念最早由Bennett和Brassard于1984年提出，经过30年的实验研究，世界上关于量子通信系统的实验研究已经取得相当可观的进展，已有成熟的小规模商用量子保密通信网络出现。目前量子保密通信根据实现方案不同分为单光子方案、纠缠光子方案、连续变量方案等。国际上研究主要以光纤量子密码和单光子方案为主，也以单光子方案的光纤量子密码最为成熟。本专利中所提出的时分复用多功能量子保密通信节点实现方法是基于单光子方案提出的。

随着量子保密通信网络的规模逐渐变大，网络拓扑结构趋于复杂化，量子节点的可靠性和扩展性将会成为量子保密通信网络大规模商用的巨大挑战。量子保密通信中由于相对较低的干涉条纹可见度造成的光学误码率成为制约系统性能的原因之一，而提高量子保密通信节点中干涉条纹可见度所需要的较高维护成本会随着量子保密通信网络规模的扩大而成为主要制约因素之一。

3、发明内容

图1所示为现有技术中多功能量子保密通信节点结构示意图。该多功能节点中有两个独立的接收与发送功能模块，相应有两个F-M干涉环结构需要维护管理。本发明的目的在于提供一种可降低设备成本和维护复杂度的多功能量子保密通信节点解决方法，通过添加光环形器和收发功能控制逻辑实现时分-波分双重复用的干涉环节点结构。

为实现上述时分-波分双重复用多功能量子保密通信节点结构的目的，本专利中采取的技术方案为：节点中干涉环光路结构、收发功能控制逻辑的控制方式均与图1所示的现有多功能节点一致。唯一不同之处是在量子光信号和同步光信号传输路径上增加两个用于选择性控制光传输通道的光环形器。

图2给出基于时分-波分双重复用的多功能量子保密通信节点结构。量子保密通信节点采用法拉第-迈克尔逊干涉环结构，该结构具有偏振不敏感和较高稳定性等特点。通过调整干涉环的臂长差，要求干涉路径延迟不匹配在3μm以内。通过使用电控可变光衰减器将节点发送端的量子信号衰减到0.1光子/脉冲水平。图1中可以看出，本发明中多功能量子保密通信节点基本保持和如图1所示的现有多功能节点结构相同，仅于量子信号部分和同步信号部分分别增加一个光环形器和少量控制逻辑。前者保证干涉环和光纤信道的时分复用在物理连接上的可行性，后者完成量子保密通信收发的时分复用控制功能，并可通过更上层控制单元增加对应节点的管理策略，提高时分复用量子保密通信节点的工作效率。在所述量子信号处理模块增加一个光环形器，当量子信号处理模块处于发送状态时，量子激光源发射周期性量子光信号，通过光环形器选路输出至F-M干涉环；当量子信号处理模块处于接收状态时，波分复用器解复用得到量子光信号后，通过F-M干涉环进入光环行器选路输出至单光子探测器。在所述同步信号模块增加一个光环形器，当同步信号模块处于发送状态时，同步激光源输出同步光信号，通过光环形器选路后经由波分复用器复用到发送信道中；当同步信号模块处于接收状态时，波分复用器解复用得到同步光信号后进入光环行器选路，输出至同步光探测器得到电同步信号。

波分复用器将量子信号、同步光信号复用用至一根光纤传输，提高时钟同步精度和光纤信道的带宽利用率，减少同步时延调整幅度。因为量子光信号强度非常微弱，易受到光纤信道中噪声光子的干扰而提高量子误码率。因此，于量子保密通信节点接收部分使用窄带光滤波器(NBF)以减少噪声光子对量子误码率的影响。通过使用波分复用技术，该量子保密通信网络可以很容易地部署至现有的全光网络中。

附图说明

图1：现有技术中多功能量子保密通信节点结构示意图

图2：本发明所涉及的基于时分-波分双重复用的多功能量子保密通信节点结构

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施

参见图2，该基于时分-波分双重复用的多功能量子保密通信节点装置，包括两个光环形器、控制逻辑模块以及共用的F-M干涉环系统；其特征在于，本发明中基于时分-波分双重复用的多功能量子保密通信节点结构与现有多功能节点结构基本保持相同，。本发明中多功能量子保密通信节点共有发送和接收两个工作状态。当节点量子信号部分处于发送状态下时，量子激光源发射周期性量子光信号，于图2中环形器端口1输入，通过环形器2(CIR2)由端口2输出至F-M干涉环。当量子信号部分处于接收状态下时，通过从波分复用器中解复用得到的量子光信号，经过共用的F-M干涉环进入CIR2的端口2，在端口3输出后进入单光子探测器(SPD)探测得到量子光信号探测结果。当同步信号部分处于发送状态下时，同步光信号激光源(CLK)发射同步光脉冲，于图2中环形器1(CIR1)的端口1输入，通过端口2输出，经由波分复用器复用到发送信道中。当同步信号部分处于接收状态下时，通过从波分复用器中解复用得到的同步光信号，进入CIR1的端口2，在端口3输出后进入同步光探测器(PD)探测得到同步时钟信号。

本发明中基于时分复用的多功能量子保密通信节点收发功能的控制逻辑由FPGA实现，其内部有发送和接收两个功能控制模块。FPGA通过与量子保密通信网络中其他节点通信，获取该多功能量子保密节点所属的工作状态，切换FPGA内部的发送和接收模块。当多功能量子保密通信节点处于发送状态下时，FPGA输出方波触发信号，周期性地触发同步激光源和量子激光源发光，并将可控衰减器(ATT)的衰减设置为固定值。FPGA控制逻辑根据通信协议输出对应电压控制相位调制器(PM)调制进入干涉环的单光子。当多功能量子保密通信节点处于接收状态下，相应的相位调制器、光电探测器(PD)和单光子探测器(SPD)进入工作状态，FPGA通过检测由光电探测器接收到的同步时钟，控制相位调制器和单光子探测器完成量子保密通信工作。

量子信号、同步光信号可分别使用1530nm、1550nm，通过一个粗波分复用器(CWDM)复用至一根光纤传输，提高时钟同步精度和带宽利用率，减少同步时延调整范围。

Claims (2)

1.一种可实现收发双向的基于时分-波分双重复用的量子保密通信节点实现方法，其特征在于：通过在收发双向上时分复用量子保密通信节点的F-M干涉环和波分复用量子信号和同步信号，减少设备成本和维护复杂度。

2.如权利要求书1所述的基于时分复用的量子保密通信节点，由量子信号处理模块和同步信号处理模块构成，其特征在于：

(1)所述量子信号处理模块由光环形器实现基于时分复用的双向收发功能，即当量子信号处理模块处于发送状态时，量子激光源发射周期性量子光信号，通过光环形器选路输出至F-M干涉环；

当量子信号处理模块处于接收状态时，波分复用器解复用得到的量子信号，通过F-M干涉环进入光环行器选路输出至单光子探测器；

(2)所述同步信号模块由光环形器实现同步信号的时分复用；

当同步信号模块处于接收状态时，同步激光源输出同步光信号，通过光环形器选路后经由波分复用器复用到发送信道中；

当同步信号模块处于接收状态时，波分复用器解复用得到同步光信号后进入光环行器选路，输出至同步光探测器得到电同步信号。