CN105680948A - 一种用于量子信号与经典光信号共纤传输的波长分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于量子信号与经典光信号共纤传输的波长分配方法。本方法考虑了量子信号在信号功率上与经典光信号的巨大差异,针对二者共纤传输中光纤的非线性效应(主要包括四波混频和拉曼散射)及串扰的影响,设计了用户信道交织的、所有信道频率间隔互不相等的、相邻量子信道与同步光信道之间频率间隔最大的波长分配方法。本方法设计简单,同时与等频率间隔的波分复用系统相比,在保证相同的带宽利用率的前提下,可以完全避免四波混频对量子信号和经典光信号的影响,同时减少拉曼散射和串扰对量子信号的干扰,实现更远的安全传输距离,提高系统性能。

Description

一种用于量子信号与经典光信号共纤传输的波长分配方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域,尤其涉及一种用于量子信号与经典光信号共纤传输中消除四波混频影响的用户信道交织的非等间隔波长分配方法。该方法主要用于量子密钥分配网络与经典光网络通过波分复用技术融合的网络中,是一种能有效避免四波混频对量子信号影响的方法,尤其涉及光通信技术领域。
背景技术
随着因特网的应用和发展,信息安全已经成为一个日益严重的问题。而计算机计算能力的不断提高使得传统的对称和非对称加密算法正在经受严峻的考验,传统加密手段越来越不能满足人们对通信安全性的要求。量子密码学是量子力学和密码学结合的产物,量子密钥分配(QKD)使得通信双方能够通过不安全的信道共享实时的安全密钥。密钥信息被单光子携带,根据海森堡不确定性原理,窃听者不能获取光子的全部信息,他对光子的测量会破坏部分信息,最终会被原本通信的双方发现,以此可以检测窃听者的存在。同时,结合“一次一密”的加密方式,可以实现无条件安全的信息传输。在过去的几年里,基于单光子的点对点光纤QKD系统已经取得了巨大的进步。由于量子信号极其微弱,为了防止其受到经典光信号的干扰,在这种QKD系统中,量子信号基本上是在专用的光纤链路中传输的。但是,当QKD系统从点对点链路扩展成网络时,大规模铺设专用光纤线路将非常昂贵,为了使QKD更具可行性,应将QKD与现存的光网络融合。
未来的量子密钥分配网络将会支持更多的用户,针对多用户共纤传输这种情况,每个用户一般需要三个信道来传输三种类型的信号,分别是传输量子密钥的量子信号、用于接收端探测量子信号的同步信号以及传输与协议相关的数据信号。其中同步信号和数据信号的功率比量子信号大得多,可以视为经典光信号。此外还有一些应用场景是将数据信号和同步信号复用到一根光纤中,或者将量子信号和数据信号经时分复用到一个信道上。本方法主要研究每个用户均有三个信道来传输信号的一般场景。
波分复用(WDM)是经典光网络中增加系统容量、节约光纤资源的一项典型技术。因此,为了实现QKD更大规模的应用,可以通过WDM技术将量子信号与经典光信号在现存的光网络中进行共纤传输。为试图减少量子信号受到经典光信号的干扰,以前的工作常常将量子信号放置在1310nm波段,将经典光信号放置在1550nm波段,这样虽然可以有效降低经典光信号对量子信号的串扰,但是如此大的波长间隔也降低了频谱利用率,而且在很多情况下,将量子信号和经典光信号都放置在1550nm波段更具吸引力,这样既可以提高频谱利用率,而且1550nm波段大大降低的光纤损耗也可以保证QKD更远的安全传输距离。
在使用WDM技术将量子信号与经典光信号进行共纤传输的过程中,由于光纤与光信号之间的相互作用,再加上量子信号与经典光信号的频率间隔很窄,会导致量子信号受到串扰以及非线性效应的影响。非线性效应中对量子信号影响比较严重的就是四波混频(FWM)和拉曼散射。由于反斯托克斯光谱比斯托克斯光谱弱很多,所以可以采用将量子信号放在短波长(高频)的方法来削弱拉曼散射的影响;同时提高WDM信道的隔离度,可以进一步降低拉曼散射和串扰的影响。
四波混频是光纤中不同波长的光波相互作用而导致在其它波长上产生所谓混频产物或边带的新光波的一种非线性效应。假设三个光信道频率分别为fi,fj,fk(k≠i,j),则四波混频产生的新频率为
fijk=fi+fj-fk(1)
从公式(1)中可以看出,对于等频率间隔的WDM系统,FWM产生的新频率分量将与信号频率重叠,尤其对于量子信号将产生极大的干扰,严重影响系统的性能。而且单纯通过降低经典光信号功率或者增大频率间隔并不能有效地减少四波混频的影响。
发明内容
本发明提供了一种用于量子信号与经典光信号共纤传输的用户信道交织的非等间隔波长分配方法,旨在消除量子信号与经典光信号共纤传输时四波混频对量子信号的影响,并对拉曼散射和串扰有一定程度的抑制。
本发明提供了一种用于量子信号与经典光信号共纤传输的用户信道交织的非等间隔波长分配方法,其主要思想是利用拉曼散射和四波混频的产生都与信道的频率分布有关这一特性,将不同的信号放置于不同的波长。
主要分为三个步骤:1.将每个用户的量子信号、同步信号和数据信号交织排列。2.所有用户的信道采用非等间隔的波长分配方案。3.找出最佳波长分配方案。
使用图1进行说明。由于1550nm波段光纤的损耗最低,所以首先将量子信号和经典光信号都放置在1550nm波段。其次由于量子信号与经典光信号(包括数据信号和同步信号)相比,信号功率要小得多,而同步信号功率可以设定的比数据信号稍小,所以将三种信号交织排列,同步信号放在中间,使量子信号从频率上远离功率较大的数据信号,减少经典光信号对量子信号的串扰。并将所有用户的量子信号、同步信号和数据信号被分别安排在高频、中频和低频处,以有效减少拉曼散射对量子信号的影响。
最后所有信道使用非等间隔的波长分配方案,保证任意两个信道的频率间隔与其他信道不相等,根据方程(1),非等间隔的信道产生的FWM将完全落不到已有信道上,即可完全避免FWM对量子信号的影响,提高系统性能。因此本方法的关键就是找出最优的频率间隔,该问题可以简化为一个整数线性规划问题,利用穷举法可以在用户数(或信道数)一定的情况下,得到多种非等间隔的波长分配方案,通过筛选将相邻的量子信道与同步光信道之间的频率间隔最大的波长分配方案选为最优的用户信道交织的非等间隔波长分配方法,可以进一步降低串扰对量子信号的影响。
所述方法可以有效避免共纤传输中四波混频对量子信号的影响,并从两个方面减少拉曼散射和串扰对量子信号的干扰,同时,在用户数(或信道数)一定的情况下,可以设定本方法所占据的总带宽与用户信道交织的等间隔波长分配方法相等,即在相同的带宽利用率下可以大幅降低四波混频对量子信号的影响,实现更远的密钥安全传输距离,提高系统整体性能。
附图说明
图1为用户信道交织的非等间隔波长分配方法。
图2为实施例中的基于波分复用的量子密钥分配网络架构。
图3为用户信道交织的等间隔波长分配方法中四波混频产生的新频率分布情况。
图4为本方法中四波混频产生的新频率分布情况。
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仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本实施例是基于如图2所示的网络拓扑图进行说明。主要说明在基于波分复用技术的量子信号与经典光信号共纤传输中用户信道交织的非等间隔波长分配的过程,并通过仿真结果来验证本方法的优势。
多个用户的数据信号、同步信号、量子信号通过DWDM复用后经光纤进行共纤传输一定距离,然后通过DWDM解复用,将不同用户的信号送到不同的接收端进行解调,实现量子信号与经典光信号的共纤传输。
以2个用户(6条信道)为例,每个用户的数据信号功率、同步信号功率、量子信号功率分别为0dBm、0dBm、-82dBm。假设在用户信道交织的等间隔波长分配方案中,相邻信道的间隔均为200GHz,第一个用户的数据信道、同步信道、量子信道分别占据192.3THz、192.7THz、193.1THz;第二个用户的数据信道、同步信道、量子信道分别占据192.5THz、192.9THz、193.3THz;总带宽为1THz。通过仿真可以得出此种波长分配方案下FWM产生的新频率分布情况,仿真结果如图3所示。从图中可以看出在此种波长分配方案下FWM产生的部分新频率正好与量子信道重叠,必然对量子信号产生严重影响。
仍以2个用户(6条信道)为例,每个用户的数据信号功率、同步信号功率、量子信号功率分别为0dBm、0dBm、-82dBm。在本专利提出的用户信道交织的非等间隔波长分配方法中,第一个用户的数据信道、同步信道、量子信道分别占据192.2THz、192.55THz、193.1THz;第二个用户的数据信道、同步信道、量子信道分别占据192.35THz、192.8THz、193.2THz。相邻信道的频率间隔分别为150GHz、200GHz、250GHz、300GHz、100GHz,总带宽仍为1THz。依然通过仿真得出此种波长分配方案下FWM产生的新频率分布情况,仿真结果如图4所示。从图中可以看出本方法中FWM产生的噪声与已有的6条信道完全没有重叠,即可完全避免FWM对量子信号和经典光信号的影响,提高系统性能。
通过分析,用户信道交织的非等间隔波长分配方法可以在相同的带宽利用率下,完全避免四波混频对量子信号和经典光信号的影响,同时减少拉曼散射和串扰对量子信号的干扰,在量子信号与经典光信号共纤传输中,这种方法是一种较优化的设计方法。

Claims (3)

1.一种用于量子信号与经典光信号共纤传输的波长分配方法,主要过程包括:
A.将同一用户的数据信道、同步信道、量子信道交织排列;
B.将多个用户的数据信道、同步信道、量子信道分别安排在低频、中频和高频;
C.求出使所有信道占据的波长间隔互不相等的分配方案;
D.找出相邻的量子信道与同步光信道之间的频率间隔最大的分配方案。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,量子信号与经典光信号(包括数据信号和同步信号)相比,信号功率要小得多,而同步信号功率可以设定的比数据信号稍小,因此将三种信号交织排列,同步信号放在中间,使量子信号从频率上远离功率较大的数据信号,减少经典光信号对量子信号的串扰、降低四波混频产生效率,同时由于拉曼散射中反斯托克斯光谱比斯托克斯光谱弱很多,所以将功率较小的量子信道放置在短波长(高频),以削弱拉曼散射对量子信号的影响。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,对于等频率间隔的波分复用系统,四波混频产生的部分新频率将与已有信道重叠,对信号产生严重干扰,基于此,通过保证所有信道占据的波长间隔互不相等,可以有效避免四波混频产生的新频率出现在量子信道和经典光信道上,从而消除四波混频带来的影响,在求出的使所有信道占据的波长间隔互不相等的分配方案中,找出相邻的量子信道与同步光信道之间的频率间隔最大的波长分配方案作为最优波长分配方法,可以进一步降低串扰对量子信号的影响,改善系统性能。
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