CN108092767A - 一种适用于复杂信道环境的量子密钥分发系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于复杂信道环境的量子密钥分发系统及控制方法，包括：设置在架空光纤两端的量子密钥分发系统发送端和量子密钥分发系统接收端；量子密钥分发系统发送端包括QKD发射端、偏振反馈信号发射端以及时分复用装置；量子密钥分发系统接收端包括QKD接收端和偏振反馈信号接收端；QKD发射端、偏振反馈信号发射端的发射端分别于时分复用装置的接收端连接，时分复用装置的发射端与偏振反馈信号接收端通过光纤信道连接，偏振反馈信号接收端的发射端与QKD接收端的接收端连接。本发明通过在量子密钥分发系统发送端中增加时分复用装置，在需要偏振反馈时通过时分复用方式传输信号光与参考光，可以防止参考光和信号光之间的相互干扰。

Description

一种适用于复杂信道环境的量子密钥分发系统及控制方法
技术领域
本发明涉及量子通信技术领域，特别涉及一种适用于复杂信道环境的量子密钥分发系统及控制方法。
背景技术
量子通信以其高效安全的信息传输日益受到人们的关注，量子通信利用量子态的不确定性、不可分割性和偏振性来实现无条件安全通信。在电力通信网络中使用量子保密通信技术可以确保电力通信系统的信息安全。目前，在电力通信网络中，使用量子技术进行通信的双方都是使用光纤信道来传输密钥，而在电力系统中为了充分利用电网已有的基础设施，通常将光纤采用架空的方式进行铺设。
但是在架空的光纤中传输OKD信号时，由于光纤收到大风、雨雪等外界环境的干扰，使得架空光纤中的光偏振发生剧烈的变化，从而对利用单光子偏振态来传输密钥信息的量子密钥分发系统造成很大影响，甚至造成通信瘫痪。
针对上述问题，目前普遍采用的解决方案如图1所示：在偏振反馈系统中采用光环行器这个装置,偏振反馈发射端发送的反馈参考光(以下简称参考光)和原来的光量子信号(以下简称信号光)的传输方向相反,并且参考光和信号光的波长相同。
目前的这种解决方案存在的弊端在于：一是，相同波长的信号光和参考光虽然传输方向相反，但这不能保证信号光和参考光之间互不影响，当参考光的光子在光纤中遇到信号光的光子发生碰撞或者干扰时，很可能会影响光子的偏振态，系统自身反而引入了误差。
二是，由于参考光和信号光的传输方向相反，依据参考光的偏振变化利用偏振控制器对光纤做相应挤压以改变参考光光子的偏振态，不能说明光纤的形变对信号光具有同样的改变偏振态的作用。
还有某些解决方案是利用波分复用的方式在同一跟光纤信道中传输和信号光不同波长的参考光以用作偏振反馈。这种解决方案存在的弊端在于：目前电力架空线缆中使用的光纤是单模光纤，不支持同时传输多种波长的光信号。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于复杂信道环境的量子密钥分发系统及控制方法，以适用电力架空线缆复杂的信道环境。
为实现以上目的，第一方面，本发明提供一种适用于复杂信道环境的量子密钥分发系统，包括：设置在架空光纤两端的量子密钥分发系统发送端和量子密钥分发系统接收端；
量子密钥分发系统发送端包括QKD发射端、偏振反馈信号发射端以及时分复用装置；
量子密钥分发系统接收端包括QKD接收端和偏振反馈信号接收端；
QKD发射端、偏振反馈信号发射端的发射端分别于时分复用装置的接收端连接，时分复用装置的发射端与偏振反馈信号接收端通过光纤信道连接，偏振反馈信号接收端的发射端与QKD接收端的接收端连接。
其中，所述的偏振反馈信号发射端包括激光器和起偏器，激光器的输出端与起偏器的接收端连接，起偏器的输出端与时分复用装置的接收端连接。
其中，所述的偏振反馈信号接收端包括偏振控制器、解时分复用器、光分束器、偏振分束器以及单光子计数器；
偏振控制器的接收端与时分复用装置的发射端连接、输出端解时分复用装置的接收端连接；
解时分复用装置的输出端与分别与QKD接收端的接收端、光分束器的接收端连接；
光分束器的输出端与偏振分束器的接收端连接，偏振分束器的输出端与单光子计数器的接收端连接，单光子计数器的输出端与偏振控制器的接收端连接。
第二方面，本发明提供一种适用于复杂信道环境的量子密钥分发系统的控制方法，包括：
S1、判断所述QKD接收端误码率Er是否大于阈值E0；
S2、若是，通过时分复用方式传输信号光与参考光；
S3、若否，控制光纤信道仅传输信号光。
其中，所述的步骤S2，包括：
a、启用所述偏振控制器进行偏振反馈控制，改变参考光的偏振态；
b、获取所述单光子探测器一个计数周期内的偏振变化比值Nr；
c、判断Nr是否大于阈值N0；
d、若否，则判断Er和E0的关系；
e、若是，则继续执行步骤b进行偏振反馈控制，直到满足Nr≤N0；
f、判断Er是否大于E0；
g、若否，则结束反馈过程；
h、若是，则继续继续执行步骤b进行偏振反馈控制。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：本发明通过在量子密钥分发系统发送端中增加时分复用装置，在需要偏振反馈时通过时分复用方式传输信号光与参考光，可以防止参考光和信号光之间的相互干扰，保证偏振控制器对光纤的操作对参考光和信号光来说没有区别，并且遵循当前电力架空线缆使用单模光纤的现状，实现实时的偏振反馈，在QKD分发密钥时实时纠正线路偏振的变化，保证了电力架空光缆在受环境干扰导致光子偏振态变化时QKD依然正常工作，解决QKD在电力架空线缆进行密钥分发时的误码率增加问题。
附图说明
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：
图1是本发明中背景技术部分述及的偏振反馈的示意图；
图2是本发明中一种适用于复杂信道环境的量子密钥分发系统的结构示意图；
图3是本发明中一种适用于复杂信道环境的量子密钥分发系统控制方法的流程示意图；
图4是本发明中对偏振反馈进行控制的流程示意图。
具体实施方式
为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。
如图2所示，本发明公开了一种适用于复杂信道环境的量子密钥分发系统，包括：设置在架空光纤两端的量子密钥分发系统发送端10和量子密钥分发系统接收端20；
量子密钥分发系统发送端10包括QKD发射端11、激光器12和起偏器13以及时分复用装置14；
量子密钥分发系统接收端20包括QKD接收端21、偏振控制器22、解时分复用器23、光分束器24、偏振分束器25以及单光子计数器26；
激光器12的输出端与起偏器13的接收端连接，起偏器13的输出端与时分复用装置14的接收端连接；
偏振控制器22的接收端与时分复用装置14的发射端连接、输出端解时分复用装置23的接收端连接；
解时分复用装置23的输出端与分别与QKD接收端21的接收端、光分束器24的接收端连接；
光分束器24的输出端与偏振分束器25的接收端连接，偏振分束器25的输出端与单光子计数器26的接收端连接，单光子计数器26的输出端与偏振控制器22的接收端连接。
需要说明的是，为了防止参考光和信号光之间的相互干扰，保证偏振控制器对光纤的操作对参考光和信号光来说没有区别，并且遵循当前电力架空线缆使用单模光纤的现状，本实施例通过增加时分复用装置和解时分复用装置，在信号光和参考光在同一光纤信道中采用时分复用的方式进行传输，保证双方互不干扰。在不进行偏振反馈时，全部传输时隙都用来传输信号光。
如图3所示，本实施例公开了一种适用于复杂信道环境的量子密钥分发系统的控制方法，包括如下步骤S1至S3：
S1、判断所述QKD接收端误码率Er是否大于阈值E0；
S2、若是，通过时分复用方式传输信号光与参考光；
S3、若否，控制光纤信道仅传输信号光。
进一步地，如图4所示，步骤S2具体包括：
a、启用所述偏振控制器进行偏振反馈控制，改变参考光的偏振态；
b、获取所述单光子探测器一个计数周期内的偏振变化比值Nr；
c、判断Nr是否大于阈值N0；
d、若否，则判断Er和E0的关系；
e、若是，则继续执行步骤b进行偏振反馈控制，直到满足Nr≤N0；
f、判断Er是否大于E0；
g、若否，则结束反馈过程；
h、若是，则继续继续执行步骤b进行偏振反馈控制。
需要说明的是，本实施例中的阈值E0、阈值N0是本领域技术人员通过大量实验得到的分别用于与QKD接收端误码率Er、单光子探测器一个计数周期内的偏振变化比值Nr进行比较的一个经验值。
由于在实际应用中，参考光和信号光通过光纤信道到达接收端，在经过解时分复用装置后，信号光被QKD接收端所接收，参考光进入偏振反馈信号接收端，H（水平偏振态）参考光和P（45°偏振态）参考光经过光分束器后进入不同的光路，再经过偏振分束器，由于光纤信道受环境影响，H光在V(竖直偏振态)路上有投影，P光在N（-45°偏振态）路上有投影，因此导致单光子探测器V路、N路计数值不为零，这就是偏振态变化引起误码率升高的原因。
本实施例中在不需要偏振反馈时，光纤信道只传输信号光，在需要偏振反馈时通过时分复用方式传输信号光与参考光，可以防止参考光和信号光之间的相互干扰，保证偏振控制器对光纤的操作对参考光和信号光来说没有区别，并且遵循当前电力架空线缆使用单模光纤的现状，实现实时的偏振反馈，在QKD分发密钥时实时纠正线路偏振的变化，保证了电力架空光缆在受环境干扰导致光子偏振态变化时QKD依然正常工作，解决QKD在电力架空线缆进行密钥分发时的误码率增加问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种适用于复杂信道环境的量子密钥分发系统，其特征在于：包括设置在架空光纤两端的量子密钥分发系统发送端和量子密钥分发系统接收端；
量子密钥分发系统发送端包括QKD发射端、偏振反馈信号发射端以及时分复用装置；
量子密钥分发系统接收端包括QKD接收端和偏振反馈信号接收端；
QKD发射端、偏振反馈信号发射端的发射端分别于时分复用装置的接收端连接，时分复用装置的发射端与偏振反馈信号接收端通过光纤信道连接，偏振反馈信号接收端的发射端与QKD接收端的接收端连接。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的偏振反馈信号发射端包括激光器和起偏器，激光器的输出端与起偏器的接收端连接，起偏器的输出端与时分复用装置的接收端连接。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述的偏振反馈信号接收端包括偏振控制器、解时分复用器、光分束器、偏振分束器以及单光子计数器；
偏振控制器的接收端与时分复用装置的发射端连接、输出端解时分复用装置的接收端连接；
解时分复用装置的输出端与分别与QKD接收端的接收端、光分束器的接收端连接；
光分束器的输出端与偏振分束器的接收端连接，偏振分束器的输出端与单光子计数器的接收端连接，单光子计数器的输出端与偏振控制器的接收端连接。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的适用于复杂信道环境的量子密钥分发系统的控制方法，其特征在于，包括：
S1、判断所述QKD接收端误码率Er是否大于阈值E0；
S2、若是，通过时分复用方式传输信号光与参考光；
S3、若否，控制光纤信道仅传输信号光。
5.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述的步骤S2，包括：
a、启用所述偏振控制器进行偏振反馈控制，改变参考光的偏振态；
b、获取所述单光子探测器一个计数周期内的偏振变化比值Nr；
c、判断Nr是否大于阈值N0；
d、若否，则判断Er和E0的关系；
e、若是，则继续执行步骤b进行偏振反馈控制，直到满足Nr≤N0；
f、判断Er是否大于E0；
g、若否，则结束反馈过程；
h、若是，则继续继续执行步骤b进行偏振反馈控制。
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