CN109039594A - 一种快速偏振反馈补偿装置及复杂信道量子密钥分发系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速偏振反馈补偿装置，其中，发送方偏振参考光制备模块连接到发送方波分复用装置，发送方波分复用装置通过量子信道连接电偏振控制器，电偏振控制器输出端连接接收方波分复用装置，接收方波分复用装置的输出端连接接收方偏振检测模块，接收方偏振检测模块中的探测器通过反馈控制装置连接到电偏振控制器。本发明还公开一种基于上述补偿装置的量子密钥分发系统。本发明相比现有技术具有以下优点：采用单一波长制备的固定延时、45°夹角的两种非正交态线偏振参考光，接收方实现同时对两种不同偏振态线偏振参考光的高速、实时检测及同步反馈补偿。
Description
技术领域
本发明主要涉及通信技术领域，也包括经典光通信方面，对偏振特性较为敏感的光传输链路实现高速偏振反馈补偿，实现复杂信道的量子密钥分发。
背景技术
在光系统中，BB84协议使用四个光子的偏振态来传输信息，这四个量子态又可以分成相互非正交的两组，而且每组中的两个光子的偏振态是正交的同时这两组又是相互共轭的。如果是单光子通信系统，则这四个量子态分别为光子的水平偏振态H|(记作→)、垂直偏振态V(记作↑)、4π偏振方向的偏振态P|(记作↗)、4π-偏振方向的偏振态N|(记作↘)。其中，前两个态为一组测量基，后两个态为一组测量基。当发送方Alice与接收者Bob进行通信时，不是只使用某一组测量基，而是按照一定的概率同时使用两组测量基。BB84协议的工作过程如下：
第一阶段
量子通信
1)Alice以线偏振光子的四个偏振方向为基础产生一个随机量子比特串S＝﹛S1，S2，S3，……Sn﹜，其中Si∈﹛|→〉，|↑〉，|↗〉，|↘〉﹜(i＝1，2，3，……n)。
2)Alice通过量子传输信道将该量子比特串发送给Bob，其中相邻量子比特间的时间间隔为Δτ。
3)接收者Bob接收信息发送方Alice传输的信息，并选定一个随机测量基序列M测量他收到的光子，其中M＝﹛m1，m2，m3，……mn﹜，其中mi∈﹛+，x﹜，+，x分别为针对两组状态光子的测量基。
第二阶段
经典通信
4)接收者Bob发送信息给信息发送方Alice，并告知他自己在哪些量子比特位上使用了哪一个测量基。
5)信息发送方Alice在接收到Bob发送的信息之后，与本人发送时采用的基逐一比对，并通知接收者Bob在哪些位置上选择的基是正确的，哪些是错误的。
6)信息发送方Alice和接收者Bob丢掉测量基选择有分歧的部分并保存下来使用了同一测量基的粒子比特位，并从保存的信息中选取相同部分在经典信道中作对比。信道安全的情况下信息发送方Alice和接收者Bob的数据应当是没有分歧的。若存在窃听，则Alice和Bob的数据会出现不同的部分。
7)如果没有窃听，双方将保留下来的剩余的位作为最终密钥，Alice和Bob按照下面的方式将量子态编码成二进制比特：|→〉＝|↗〉＝0，|↑〉＝|↘〉＝1获得原始密钥。
基于偏振编码的诱骗态BB84方案具有技术易控、工作频率高、成码率高等优势；但在诸如电力架空光缆、桥梁架空光缆、高速公路通信光缆、铁路通信光缆、山区通信光缆和海底光缆等恶劣环境中，光子的偏振态因剧烈环境影响而发生不可预见的偏振变化，严重影响正常的量子密钥分发过程。因此基于偏振编码的量子保密通信需开发出快速偏振反馈补偿系统来解决这个重要难题，保障量子通信设备在全地理条件和全天候条件的环境适应性。
在现有的技术方案中，信道偏振反馈补偿一般采用与量子信道共信道传输(同向/背向)来实现链路偏振态检测并进行反馈补偿，主要包括通过对单一偏振态参考光进行偏振变化跟踪，通过旋转波片或者其他调制补偿方式来实现链路传输偏振补偿；另外，也有相关研究人员采用两个不同中心波长的非正交偏振态进行偏振和跟踪反馈方案。
在现有的技术方案中，利用单一偏振态的参考光进行偏振补偿很难对链路进行比较准确的偏振态补偿还原，一般使用一对正交偏振光(H和V)进行复用通信，仅需使用稳偏器件对单偏振态进行跟踪反馈即可。而量子保密通信使用BB84协议的二对非正交偏振态(H，P和V，N)进行偏振复用。在同一根光纤中传输，不仅H偏振态和P偏振态在邦加球上变化关系为Stokes矢量夹角45*2度约束关系(比如H若定义为邦加球S1轴，则P可能变化到S2所在径线上任意一点)，而且电偏振控制器每一轴对偏振调节是相互关联影响，因此实现快速全偏振态复原至少需同时对两个非正交偏振态(FH和FP)进行跟踪和反馈才能补偿链路偏振变化。偏振补偿方式应对外界偏振变化频率高、扰动较大的环境也存在响应频率较慢的问题，难以保证QKD系统稳定持续的运行成码。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供了一种能够解决上述链路偏振补偿及响应速率慢的问题，较大提高复杂信道量子密钥分发系统的环境适应性的快速偏振反馈补偿装置及复杂信道量子密钥分发系统。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种快速偏振反馈补偿装置，包括发送方偏振参考光制备模块、发送方波分复用装置、电偏振控制器、接收方波分复用装置、接收方偏振检测模块，以及反馈控制装置；
发送方偏振参考光制备模块连接到发送方波分复用装置，发送方波分复用装置通过量子信道连接电偏振控制器，电偏振控制器输出端连接接收方波分复用装置，接收方波分复用装置的输出端连接接收方偏振检测模块，接收方偏振检测模块中的探测器通过反馈控制装置连接到电偏振控制器；
发送方偏振参考光制备模块用于制备固定延时、45°夹角的两个非正交线偏振参考光，接收方偏振检测模块用于接收和反馈补偿两个非正交线偏振参考光，接收端通过对参考光的偏振态进行计数探测并以此作为反馈依据实时调节接收端电偏振控制器，恢复信号光的偏振态。
所述反馈控制装置可以是DSP、高性能MCU、ARM等微型CPU。
优化的，所述发送方偏振参考光制备模块包括分布反馈式激光器、保偏可调衰减器、第一50:50保偏分束器、固定偏振光纤，以及第一45°保偏偏振分束器；
其中所述分布反馈式激光器的输出端连接至保偏可调衰减器输入端，保偏可调衰减器输出端连接到第一50:50保偏分束器的输入端，第一50:50保偏分束器的输出端分别连接固定偏振光纤以及第一45°保偏偏振分束器，固定偏振光纤输出端连接到第一45°保偏偏振分束器；
第一45°保偏偏振分束器的输出端连接到发送方波分复用装置。
优化的，所述接收方偏振检测模块包括第二90:10分束器、第三50:50的45°保偏分束器、第二90°保偏偏振分束器、第三90°保偏偏振分束器，以及第零探测器、第一探测器、第二探测器、第三探测器、第四探测器；
第二90:10分束器的输出90％能量的一端连接到第三50:50的45°保偏分束器，输出10％能量的一端连接到第四探测器，第三50:50的45°保偏分束器的输出端分别连接第二90°保偏偏振分束器和第三90°保偏偏振分束器，第二90°保偏偏振分束器输出端分别接第零探测器、第一探测器，第三90°保偏偏振分束器输出端分别接第二探测器和第三探测器，采用90:10分束器的目的在于保证10％分束能量即同步参考信号能够在第四探测器甄别阈值范围内，同时在主链路(即90％传输路径)也不引入较大的损耗，使得第零探测器、第一探测器、第二探测器、第三探测器的探测计数值在可甄别范围内微调至最佳值；
第零探测器、第一探测器、第二探测器、第三探测器的输出端通过反馈控制装置连接到电偏振控制器。
具体的，快速偏振反馈的过程包括：
发送方偏振参考光制备过程：由分布反馈式激光器产生的一定周期参考光，根据接收方功率检测值，利用保偏可调衰减器实时、自动调整参考光至合适水平，经过第一50:50保偏分束器分束成两路光，其中一路经过固定偏振光纤延时，在时序上能够区别两个非正交态线偏振光，另一路光直接进入第一45°保偏偏振分束器，最后经过第一45°保偏偏振分束器将两路光进行合束；
量子信道传输过程：合束以后的两路光利用发送方波分复用装置复用至量子信道，量子信道经过电偏振控制器后，利用接收方波分复用装置解复用分离出偏振参考光；
接收方偏振参考光检测过程：发送方制备两路参考光时域上相对独立，两路光以固定延时差分别到达接收方，由第二90:10分束器分束10％的能量直接到达第四探测器，到达第四探测器的光作为整个偏振反馈补偿装置的同步参考时钟信号；另一部分能量经第三50:50的45°保偏分束器分成等强度的两路光，分别经第二90°保偏偏振分束器和第三90°保偏偏振分束器分束成四路至对应的四路探测器；
反馈补偿的过程：通过第零探测器与第一探测器的光强计数比，以及第二探测器与第三探测器的光强计数比来判断链路变化情况，任一组比值低于设定阈值时，通过反馈控制装置对电偏振控制器进行电压控制信号下发，保证两组计数比维稳在设定阈值之上。
优化的，所述电偏振控制器采用的是六轴电偏振控制器。
本发明还提供了一种基于上述的快速偏振反馈补偿装置的复杂信道的量子密钥分发系统，包括通过量子信道连接的发射装置以及接收装置，所述发射装置包括QKD发射端Alice、发送方偏振参考光制备模块、发送方波分复用模块，QKD发射端Alice以及发送方偏振参考光制备模块均连接到发送方波分复用模块；
所述接收装置包括电偏振控制器、接收方波分复用模块、接收方偏振检测模块、反馈控制装置，以及QKD接收端Bob，电偏振控制器的输出端连接到接收方波分复用模块，接收方波分复用模块的输出端同时连接到接收方偏振检测模块以及QKD接收端Bob，接收方偏振检测模块的输出端通过反馈控制装置连接到电偏振控制器；
发送方波分复用模块通过量子信道连接电偏振控制器；
QKD发射端Alice用于发射量子信号光，发送方偏振参考光制备模块用于制备固定延时、45°夹角的两个非正交线偏振参考光，发送方波分复用模块将QKD信号光和参考光耦合入同一光纤进行传输，利用时分复用技术保证量子信道信号光与线偏振参考光在不同时序中发送；
QKD接收端Bob用于接收量子信号光，接收方偏振检测模块用于接收和反馈补偿两个非正交线偏振参考光，接收端通过对参考光的偏振态进行计数探测并以此作为反馈依据实时调节接收端电偏振控制器，恢复信号光的偏振态。
优化的，所述发送方偏振参考光制备模块包括分布反馈式激光器、保偏可调衰减器、第一50:50保偏分束器、固定偏振光纤，以及第一45°保偏偏振分束器；
其中所述分布反馈式激光器的输出端连接至保偏可调衰减器输入端，保偏可调衰减器输出端连接到第一50:50保偏分束器的输入端，第一50:50保偏分束器的输出端分别连接固定偏振光纤以及第一45°保偏偏振分束器，固定偏振光纤输出端连接到第一45°保偏偏振分束器；
第一45°保偏偏振分束器的输出端连接到发送方波分复用模块。
优化的，所述接收方偏振检测模块包括第二90:10分束器、第三50:50的45°保偏分束器、第二90°保偏偏振分束器、第三90°保偏偏振分束器，以及第零探测器、第一探测器、第二探测器、第三探测器、第四探测器；
第二90:10分束器的输出90％能量的一端连接到第三50:50的45°保偏分束器，输出10％能量的一端连接到第四探测器，第三50:50的45°保偏分束器的输出端分别连接第二90°保偏偏振分束器和第三90°保偏偏振分束器，第二90°保偏偏振分束器输出端分别接第零探测器、第一探测器，第三90°保偏偏振分束器输出端分别接第二探测器和第三探测器；
第零探测器、第一探测器、第二探测器、第三探测器的输出端通过反馈控制装置连接到电偏振控制器。
具体的，系统的工作过程包括：
发送方偏振参考光制备过程：由分布反馈式激光器产生的一定周期参考光，根据接收方功率检测值，利用保偏可调衰减器实时、自动调整参考光至合适水平，经过第一50:50保偏分束器分束成两路光，其中一路经过固定偏振光纤延时，在时序上能够区别两个非正交态线偏振光，另一路光直接进入第一45°保偏偏振分束器，最后经过第一45°保偏偏振分束器将两路光进行合束；
量子信道传输过程：合束以后的两路光以及QKD发射端Alice发送的量子信号光利用发送方波分复用模块复用至量子信道，量子信道经过电偏振控制器后，利用接收方波分复用模块解复用分离出偏振参考光以及量子信号光，量子信号光到达QKD接收端Bob；
接收方偏振参考光检测过程：发送方制备两路参考光时域上相对独立，两路光以固定延时差分别到达接收方，由第二90:10分束器分束10％的能量直接到达第四探测器，到达第四探测器的光作为同步参考时钟信号；另一部分能量经第三50:50的45°保偏分束器分成等强度的两路光，分别经第二90°保偏偏振分束器和第三90°保偏偏振分束器分束成四路至对应的四路探测器；
反馈补偿的过程：通过第零探测器与第一探测器的光强计数比，以及第二探测器与第三探测器的光强计数比来判断链路变化情况，任一组比值低于设定阈值时，通过反馈控制装置对电偏振控制器进行电压控制信号下发，保证两组计数比维稳在设定阈值之上。
优化的，所述电偏振控制器采用的是六轴电偏振控制器。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1、采用单一波长制备的固定延时、45°夹角的两种非正交态线偏振参考光，接收方实现同时对两种不同偏振态线偏振参考光的高速、实时检测及同步反馈补偿。
2、利用六轴电偏振控制器进行高速率、实时的偏振补偿，保证了系统能够高效率稳定运行。
3、接收方根据光强计数检测，收发两端协商，通过VOA实时自动调整至合适光强水平。
4、利用时分复用技术保证量子信道信号光与线偏振参考光在不同时序中发送，提高了量子信道对参考光光强的可容忍性及后端检测反馈效率。
附图说明
图1是本发明实施例中的快速偏振反馈补偿装置的结构原理图；
图2是本发明实施例中的六轴电偏振控制器的结构原理图；
图3是本发明实施例中的复杂信道量子密钥分发系统的结构原理图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
快速偏振反馈补偿装置的光路系统结构原理如图1所示，偏振反馈补偿装置包括发送方偏振参考光制备模块、发送方波分复用装置、电偏振控制器、接收方波分复用装置、接收方偏振检测模块，以及DSP(数字信号处理)反馈控制装置。
所述发送方偏振参考光制备模块包括分布反馈式激光器(DFB)、保偏可调衰减器(VOA)、第一50:50保偏分束器(BS1)、固定偏振光纤(PMF)，以及第一45°保偏偏振分束器(PBS1)。
其中所述分布反馈式激光器(DFB)的输出端连接至保偏可调衰减器(VOA)输入端，保偏可调衰减器(VOA)输出端连接到第一50:50保偏分束器(BS1)的输入端，第一50:50保偏分束器(BS1)的输出端分别连接固定偏振光纤(PMF)以及第一45°保偏偏振分束器(PBS1)，固定偏振光纤(PMF)输出端连接到第一45°保偏偏振分束器(PBS1)。
第一45°保偏偏振分束器(PBS1)的输出端连接到发送方波分复用装置WDM。
发送方波分复用装置WDM通过量子信道连接电偏振控制器，电偏振控制器输出端连接接收方波分复用装置，接收方波分复用装置的输出端连接接收方偏振检测模块。
所述接收方偏振检测模块包括第二90:10分束器(BS2)、第三50:50的45°保偏分束器(BS3)、第二90°保偏偏振分束器(PBS2)、第三90°保偏偏振分束器(PBS3)，以及第零探测器D0、第一探测器D1、第二探测器D2、第三探测器D3、第四探测器D4。
第二90:10分束器(BS2)的输出90％能量的一端连接到第三50:50的45°保偏分束器(BS3)，输出10％能量的一端连接到第四探测器D4，第三50:50的45°保偏分束器(BS3)的输出端分别连接第二90°保偏偏振分束器(PBS2)和第三90°保偏偏振分束器(PBS3)，第二90°保偏偏振分束器(PBS2)输出端分别接第零探测器D0、第一探测器D1，第三90°保偏偏振分束器(PBS3)输出端分别接第二探测器D2和第三探测器D3。
第零探测器D0、第一探测器D1、第二探测器D2、第三探测器D3的输出端通过DSP(数字信号处理)反馈控制装置连接到电偏振控制器。
快速偏振反馈的过程包括：
发送方偏振参考光制备过程：由分布反馈式激光器(DFB)产生的一定周期参考光，根据接收方功率检测值，利用保偏可调衰减器(VOA)实时、自动调整参考光至合适水平，经过第一50:50保偏分束器(BS1)分束成两路光，其中一路经过固定偏振光纤(PMF)延时，在时序上能够区别两个非正交态线偏振光，另一路光直接进入第一45°保偏偏振分束器(PBS1)，最后经过第一45°保偏偏振分束器(PBS1)将两路光进行合束。
量子信道传输过程：合束以后的两路光利用发送方波分复用装置WDM复用至量子信道，量子信道经过电偏振控制器(EPC)后，利用接收方波分复用装置WDM解复用分离出偏振参考光。
接收方偏振参考光检测过程：发送方制备两路参考光时域上相对独立，两路光以固定延时差分别到达接收方，由第二90:10分束器(BS2)分束10％的能量直接到达第四探测器D4，到达第四探测器D4的光作为整个偏振反馈补偿装置的同步参考时钟信号；另一部分能量经第三50:50的45°保偏分束器(BS3)分成等强度的两路光，分别经第二90°保偏偏振分束器(PBS2)和第三90°保偏偏振分束器(PBS3)分束成四路至对应的四路探测器D0、D1、D2、D3。
反馈补偿的过程：通过第零探测器D0、第一探测器D1、第二探测器D2、第三探测器D3端光强计数比D0/D1、D2/D3来判断链路变化情况，在D0/D1、D2/D3任一组比值低于设定阈值时，通过DSP(数字信号处理)反馈控制装置对电偏振控制器(EPC)进行电压控制信号下发，保证两组计数比维稳在设定阈值之上。
当环境对光纤链路施加一个剧烈扰动M时，量子密钥分发的信号光子偏振态将变为{H'，P'}＝M{H，P}，快速偏振反馈参考光偏振亦变为{FH'，FP'}＝M{FH，FP}。快速偏振反馈系统通过检测光纤链路中参考光偏振变化，根据反馈算法快速调节光纤链路中的偏振控制器，给光纤施加一个快速的相反作用M'，使得参考光偏振复原为{FH”，FP”}＝M'{FH'，FP'}＝M'M{FH，FP}＝{FH，FP}。则量子密钥分发的信号光子偏振态同时亦被补偿变为{H”，P”}＝M'{H'，P'}＝M'M{H，P}＝{H，P}。总之，快速偏振反馈技术实现了在通常量子密钥分发光纤链路中加入一对非正交偏振态参考光，通过对参考光偏振态变化进行实时监测，并根据偏振反馈算法高速调节光纤链路中偏振控制器，从而实现对光纤链路中量子密钥分发光子的偏振态进行快速实时的跟踪补偿，保障量子通信的稳定持续运转。
该实施例中，电偏振控制器采用的是六轴电偏振控制器，如图2所示，六轴电偏振控制器具有六个压电挤压模块，依次给光纤施加0度和45度方向压力。六轴电偏振控制器不仅邦加球上表现更全面更均匀的偏振调节能力，而且多个挤压轴减少了三轴偏振调节过程反复复位问题，加快了两个非正交参考光的反馈效率。当然，使用三轴电偏振控制器或者四轴电偏振控制器同样能够实现本发明的目的，只是经过试验验证，使用六轴电偏振控制器达到的偏振调节能力更全面更均匀，反馈效率更高。
基于上述快速偏振反馈补偿装置实现了复杂信道的量子密钥分发系统的实现，该复杂信道的量子密钥分发系统的原理结构如图3所示。
该复杂信道的量子密钥分发系统包括通过量子信道连接的发射装置以及接收装置。
所述发射装置包括QKD发射端Alice、发送方偏振参考光制备模块、发送方波分复用模块。QKD发射端Alice以及发送方偏振参考光制备模块均连接到发送方波分复用模块。
所述接收装置包括电偏振控制器、接收方波分复用模块、接收方偏振检测模块、DSP(数字信号处理)反馈控制装置，以及QKD接收端Bob。电偏振控制器的输出端连接到接收方波分复用模块，接收方波分复用模块的输出端同时连接到接收方偏振检测模块以及QKD接收端Bob，接收方偏振检测模块的输出端通过DSP(数字信号处理)反馈控制装置连接到电偏振控制器。
QKD发射端Alice用于发射量子信号光，发送方偏振参考光制备模块用于制备固定延时、45°夹角的两个非正交线偏振参考光，发送方波分复用模块将QKD信号光和线偏振参考光耦合入同一光纤进行传输，利用时分复用技术保证量子信道信号光与线偏振参考光在不同时序中发送，降低线偏振参考光对量子信号光的影响。
QKD接收端Bob用于接收量子信号光，接收方偏振检测模块用于接收和反馈补偿两个非正交线偏振参考光，接收端通过对参考光的偏振态进行计数探测并以此作为反馈依据实时调节接收端的电偏振控制器，恢复信号光的偏振态。
具体的，所述发送方偏振参考光制备模块包括分布反馈式激光器(DFB)、保偏可调衰减器(VOA)、第一50:50保偏分束器(BS1)、固定偏振光纤(PMF)，以及第一45°保偏偏振分束器(PBS1)。
其中所述分布反馈式激光器(DFB)的输出端连接至保偏可调衰减器(VOA)输入端，保偏可调衰减器(VOA)输出端连接到第一50:50保偏分束器(BS1)的输入端，第一50:50保偏分束器(BS1)的输出端分别连接固定偏振光纤(PMF)以及第一45°保偏偏振分束器(PBS1)，固定偏振光纤(PMF)输出端连接到第一45°保偏偏振分束器(PBS1)。
第一45°保偏偏振分束器(PBS1)的输出端连接到发送方波分复用模块。
发送方波分复用模块通过量子信道连接电偏振控制器，电偏振控制器输出端连接接收方波分复用模块，接收方波分复用模块的输出端连接接收方偏振检测模块。
所述接收方偏振检测模块包括第二90:10分束器(BS2)、第三50:50的45°保偏分束器(BS3)、第二90°保偏偏振分束器(PBS2)、第三90°保偏偏振分束器(PBS3)，以及第零探测器D0、第一探测器D1、第二探测器D2、第三探测器D3、第四探测器D4。
第二90:10分束器(BS2)的输出90％能量的一端连接到第三50:50的45°保偏分束器(BS3)，输出10％能量的一端连接到第四探测器D4，第三50:50的45°保偏分束器(BS3)的输出端分别连接第二90°保偏偏振分束器(PBS2)和第三90°保偏偏振分束器(PBS3)，第二90°保偏偏振分束器(PBS2)输出端分别接第零探测器D0、第一探测器D1，第三90°保偏偏振分束器(PBS3)输出端分别接第二探测器D2和第三探测器D3。
第零探测器D0、第一探测器D1、第二探测器D2、第三探测器D3的输出端通过DSP(数字信号处理)反馈控制装置连接到电偏振控制器。
该复杂信道的量子密钥分发系统的工作过程如下：
发送方偏振参考光制备过程：由分布反馈式激光器(DFB)产生的一定周期参考光，根据接收方功率检测值，利用保偏可调衰减器(VOA)实时、自动调整参考光至合适水平，经过第一50:50保偏分束器(BS1)分束成两路光，其中一路经过固定偏振光纤(PMF)延时，在时序上能够区别两个非正交态线偏振光，另一路光直接进入第一45°保偏偏振分束器(PBS1)，最后经过第一45°保偏偏振分束器(PBS1)将两路光进行合束。
量子信道传输过程：合束以后的两路光以及QKD发射端Alice发送的量子信号光利用发送方波分复用模块复用至量子信道，量子信道经过电偏振控制器(EPC)后，利用接收方波分复用模块解复用分离出偏振参考光以及量子信号光，量子信号光到达QKD接收端Bob。
接收方偏振参考光检测过程：发送方制备两路参考光时域上相对独立，两路光以固定延时差分别到达接收方，由第二90:10分束器(BS2)分束10％的能量直接到达第四探测器D4，到达第四探测器D4的光作为同步参考时钟信号；另一部分能量经第三50:50的45°保偏分束器(BS3)分成等强度的两路光，分别经第二90°保偏偏振分束器(PBS2)和第三90°保偏偏振分束器(PBS3)分束成四路至对应的四路探测器D0、D1、D2、D3。
反馈补偿的过程：通过第零探测器D0、第一探测器D1、第二探测器D2、第三探测器D3端光强计数比D0/D1、D2/D3来判断链路变化情况，在D0/D1、D2/D3任一组比值低于设定阈值时，通过DSP(数字信号处理)反馈控制装置对电偏振控制器(EPC)进行电压控制信号下发，保证两组计数比维稳在设定阈值之上。
本方案通过单一波长制备固定延时、45°夹角的两种线偏振光作为参考光，在接收方监测偏振态并通过六轴电偏振控制器对链路实现高速偏振补偿。本方案中的光路实现方式不仅仅局限于光纤光学器件，也包括空间光学等其他实施例来实现。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种快速偏振反馈补偿装置，其特征在于，包括发送方偏振参考光制备模块、发送方波分复用装置、电偏振控制器、接收方波分复用装置、接收方偏振检测模块，以及反馈控制装置；
发送方偏振参考光制备模块连接到发送方波分复用装置，发送方波分复用装置通过量子信道连接电偏振控制器，电偏振控制器输出端连接接收方波分复用装置，接收方波分复用装置的输出端连接接收方偏振检测模块，接收方偏振检测模块中的探测器通过反馈控制装置连接到电偏振控制器；
发送方偏振参考光制备模块用于制备固定延时、45°夹角的两个非正交线偏振参考光，接收方偏振检测模块用于接收和反馈补偿两个非正交线偏振参考光，接收端通过对参考光的偏振态进行计数探测并以此作为反馈依据实时调节接收端电偏振控制器，恢复信号光的偏振态。
2.根据权利要求1所述的一种快速偏振反馈补偿装置，其特征在于，所述发送方偏振参考光制备模块包括分布反馈式激光器、保偏可调衰减器、第一50:50保偏分束器、固定偏振光纤，以及第一45°保偏偏振分束器；
其中所述分布反馈式激光器的输出端连接至保偏可调衰减器输入端，保偏可调衰减器输出端连接到第一50:50保偏分束器的输入端，第一50:50保偏分束器的输出端分别连接固定偏振光纤以及第一45°保偏偏振分束器，固定偏振光纤输出端连接到第一45°保偏偏振分束器；
第一45°保偏偏振分束器的输出端连接到发送方波分复用装置。
3.根据权利要求2所述的一种快速偏振反馈补偿装置，其特征在于，所述接收方偏振检测模块包括第二90:10分束器、第三50:50的45°保偏分束器、第二90°保偏偏振分束器、第三90°保偏偏振分束器，以及第零探测器、第一探测器、第二探测器、第三探测器、第四探测器；
第二90:10分束器的输出90％能量的一端连接到第三50:50的45°保偏分束器，输出10％能量的一端连接到第四探测器，第三50:50的45°保偏分束器的输出端分别连接第二90°保偏偏振分束器和第三90°保偏偏振分束器，第二90°保偏偏振分束器输出端分别接第零探测器、第一探测器，第三90°保偏偏振分束器输出端分别接第二探测器和第三探测器；
第零探测器、第一探测器、第二探测器、第三探测器的输出端通过反馈控制装置连接到电偏振控制器。
4.根据权利要求3所述的一种快速偏振反馈补偿装置，其特征在于，快速偏振反馈的过程包括：
发送方偏振参考光制备过程：由分布反馈式激光器产生的一定周期参考光，根据接收方功率检测值，利用保偏可调衰减器实时、自动调整参考光至合适水平，经过第一50:50保偏分束器分束成两路光，其中一路经过固定偏振光纤延时，在时序上能够区别两个非正交态线偏振光，另一路光直接进入第一45°保偏偏振分束器，最后经过第一45°保偏偏振分束器将两路光进行合束；
量子信道传输过程：合束以后的两路光利用发送方波分复用装置复用至量子信道，量子信道经过电偏振控制器后，利用接收方波分复用装置解复用分离出偏振参考光；
接收方偏振参考光检测过程：发送方制备两路参考光时域上相对独立，两路光以固定延时差分别到达接收方，由第二90:10分束器分束10％的能量直接到达第四探测器，到达第四探测器的光作为整个偏振反馈补偿装置的同步参考时钟信号；另一部分能量经第三50:50的45°保偏分束器分成等强度的两路光，分别经第二90°保偏偏振分束器和第三90°保偏偏振分束器分束成四路至对应的四路探测器；
反馈补偿的过程：通过第零探测器与第一探测器的光强计数比，以及第二探测器与第三探测器的光强计数比来判断链路变化情况，任一组比值低于设定阈值时，通过反馈控制装置对电偏振控制器进行电压控制信号下发，保证两组计数比维稳在设定阈值之上。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种快速偏振反馈补偿装置，其特征在于，所述电偏振控制器采用的是六轴电偏振控制器。
6.一种复杂信道的量子密钥分发系统，包括通过量子信道连接的发射装置以及接收装置，其特征在于，
所述发射装置包括QKD发射端Alice、发送方偏振参考光制备模块、发送方波分复用模块，QKD发射端Alice以及发送方偏振参考光制备模块均连接到发送方波分复用模块；
所述接收装置包括电偏振控制器、接收方波分复用模块、接收方偏振检测模块、反馈控制装置，以及QKD接收端Bob，电偏振控制器的输出端连接到接收方波分复用模块，接收方波分复用模块的输出端同时连接到接收方偏振检测模块以及QKD接收端Bob，接收方偏振检测模块的输出端通过反馈控制装置连接到电偏振控制器；
发送方波分复用模块通过量子信道连接电偏振控制器；
QKD发射端Alice用于发射量子信号光，发送方偏振参考光制备模块用于制备固定延时、45°夹角的两个非正交线偏振参考光，发送方波分复用模块将QKD信号光和参考光耦合入同一光纤进行传输，利用时分复用技术保证量子信道信号光与线偏振参考光在不同时序中发送；
QKD接收端Bob用于接收量子信号光，接收方偏振检测模块用于接收和反馈补偿两个非正交线偏振参考光，接收端通过对参考光的偏振态进行计数探测并以此作为反馈依据实时调节接收端电偏振控制器，恢复信号光的偏振态。
7.根据权利要求6所述的复杂信道的量子密钥分发系统，其特征在于，所述发送方偏振参考光制备模块包括分布反馈式激光器、保偏可调衰减器、第一50:50保偏分束器、固定偏振光纤，以及第一45°保偏偏振分束器；
其中所述分布反馈式激光器的输出端连接至保偏可调衰减器输入端，保偏可调衰减器输出端连接到第一50:50保偏分束器的输入端，第一50:50保偏分束器的输出端分别连接固定偏振光纤以及第一45°保偏偏振分束器，固定偏振光纤输出端连接到第一45°保偏偏振分束器；
第一45°保偏偏振分束器的输出端连接到发送方波分复用模块。
8.根据权利要求7所述的复杂信道的量子密钥分发系统，其特征在于，所述接收方偏振检测模块包括第二90:10分束器、第三50:50的45°保偏分束器、第二90°保偏偏振分束器、第三90°保偏偏振分束器，以及第零探测器、第一探测器、第二探测器、第三探测器、第四探测器；
第二90:10分束器的输出90％能量的一端连接到第三50:50的45°保偏分束器，输出10％能量的一端连接到第四探测器，第三50:50的45°保偏分束器的输出端分别连接第二90°保偏偏振分束器和第三90°保偏偏振分束器，第二90°保偏偏振分束器输出端分别接第零探测器、第一探测器，第三90°保偏偏振分束器输出端分别接第二探测器和第三探测器；
第零探测器、第一探测器、第二探测器、第三探测器的输出端通过反馈控制装置连接到电偏振控制器。
9.根据权利要求8所述的复杂信道的量子密钥分发系统，其特征在于，系统的工作过程包括：
发送方偏振参考光制备过程：由分布反馈式激光器产生的一定周期参考光，根据接收方功率检测值，利用保偏可调衰减器实时、自动调整参考光至合适水平，经过第一50:50保偏分束器分束成两路光，其中一路经过固定偏振光纤延时，在时序上能够区别两个非正交态线偏振光，另一路光直接进入第一45°保偏偏振分束器，最后经过第一45°保偏偏振分束器将两路光进行合束；
量子信道传输过程：合束以后的两路光以及QKD发射端Alice发送的量子信号光利用发送方波分复用模块复用至量子信道，量子信道经过电偏振控制器后，利用接收方波分复用模块解复用分离出偏振参考光以及量子信号光，量子信号光到达QKD接收端Bob；
接收方偏振参考光检测过程：发送方制备两路参考光时域上相对独立，两路光以固定延时差分别到达接收方，由第二90:10分束器分束10％的能量直接到达第四探测器，到达第四探测器的光作为同步参考时钟信号；另一部分能量经第三50:50的45°保偏分束器分成等强度的两路光，分别经第二90°保偏偏振分束器和第三90°保偏偏振分束器分束成四路至对应的四路探测器；
反馈补偿的过程：通过第零探测器与第一探测器的光强计数比，以及第二探测器与第三探测器的光强计数比来判断链路变化情况，任一组比值低于设定阈值时，通过反馈控制装置对电偏振控制器进行电压控制信号下发，保证两组计数比维稳在设定阈值之上。
10.根据权利要求6至9任一项所述的复杂信道的量子密钥分发系统，其特征在于，所述电偏振控制器采用的是六轴电偏振控制器。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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