CN109039610A - 基于连续变量量子密钥分发的水下通信系统及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于连续变量量子密钥分发的水下通信系统及其实现方法，属于自由空间量子通信技术领域。通过发送端的第一激光器、第一电光强度调制器、信号源、第一光束分束器、第二电光强度调制器、第一电光相位调制器、可调谐激光衰减器的系统配合，将光信号输出并进入接收端；第二激光器产生本振光，通过第二电光相位调制器的调制，与发送端输出的光信号进入零差探测器进行检测，最终在有效距离内建立安全密钥。本发明将连续变量量子密钥分发技术应用到水下光通信系统中，光信号不易被第三方窃取信息，实现安全的水下通信系统；利用零差检测过滤环境杂光，实现在白天和有背景光的环境中同样达到很好的检测效果。

Description

基于连续变量量子密钥分发的水下通信系统及其实现方法
技术领域
本发明属于自由空间量子通信技术领域，特别是涉及一种基于连续变量量子密钥分发的水下通信系统及其实现方法。
背景技术
量子密钥分发系统可以通过不可信任的量子信道在合法双方之间共享密钥，其理论的绝对安全性是基于量子力学的测不准原理和量子不可克隆定理。目前量子密钥分发系统的实现方案主要分为离散变量和连续变量。相较于离散变量方案，连续变量具有其独特优势，包括易制备、易探测等等，这使得其在应用领域得到了很好的研究推广。
水下通信系统是海洋探索和现代通信系统中重要的一部分，传统的水下通信采用声波技术，这种技术存在固有的缺陷，比如低带宽、高延时和安全问题。在海洋军事领域，安全问题尤其重要，声波在传播过程中容易被窃取，目前的加密技术也面对着量子计算机的威胁。因此，如何将量子密钥分发系统融合到水下通信系统以实现安全通信是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于连续变量量子密钥分发的水下通信系统，结合连续变量量子密钥分发技术和水下光通信技术，以实现高带宽、低延时和安全的水下通信系统。
本发明所采用的技术方案是，提供一种基于连续变量量子密钥分发的水下通信系统，包括用于制备高斯调制相干态量子信号的发送端和用于接收和检测量子信号的接收端；所述发送端包括：
第一激光器，用于产生相干光；
信号源，用于生成调制信号的模拟电信号，并控制第一电光强度调制器、第二电光强度调制器和第一电光相位调制器的调制；
第一电光强度调制器，用于接收信号源输出的调制信号的模拟电信号，并对第一激光器产生的相关光进行脉冲调制，同时输出额定频率的脉冲相干光信号；
第一光束分束器，用于将第一电光强度调制器输出的脉冲相关光进行分离；
第二电光强度调制器，用于接收信号源输出的调制信号的模拟电信号，并对第一光束分束器输出的相干激光进行振幅调制，调制后的光信号满足瑞利分布；
第一电光相位调制器，用于接收信号源输出的调制信号的模拟电信号，对第二电光强度调制器输出的光信号进行相位调制，调制后的光信号满足瑞利分布；经过第二电光强度调制器和第一电光相位调制器的调制后，信号光呈高斯相干态；
可调谐激光衰减器，用于将第一电光相位调制器输出的光信号进一步衰减；
所述接收端包括：
第二激光器，用于生成波长、频率与第一激光器光信号相同的本地本振光信号；
第二电光相位调制器，用于对本振光进行0或π/2随机相位调制，其随机性由随机数生成器控制；
随机数生成器，用于原始密钥串生成，同时也用于控制本地本振光信号的随机相位调制信号输入；
第二光束分束器，用于将接收到的信号光与第二相位调制器输出的本地本振光信号进行干涉；
第一光电探测器和第二光电探测器，用于检测信号光与本振光干涉后的信号光强度；
差分放大器，用于将第一光电探测器和第二光电探测器的输出信号进行差分放大。
进一步地，
所述零差检测器由第二光束分束器、第一电光探测器、第二电光探测器和差分放大器构成。
进一步地，所述第一激光器输出相干光波长为520nm；
进一步地，所述信号源支持4信道，采样率最高为50GS/s，生成的脉冲信号频率为10MHz，脉冲幅度为5V，生成均匀分布信号电压范围为[0V,5V]，生成瑞利分布的电压范围为[0V,5V]，方差为4；
进一步地，所述第一光束分束器、第二光束分束器进行干涉的波长范围均为400nm-700nm，所述第一光束分束器分光比为1：99，所述第二光束分束器的分光比为50：50；
进一步地，所述第一电光强度调制器、第二电光强度调制器均支持C段和L段的光波长范围的调制，最高带宽均为12.5Gb/s，消光比均大于20dB；
进一步地，所述第一电光相位调制器、第二电光相位调制器的最高带宽均10GHz，消光比均大于20dB，损耗均小于2.5dB；
进一步地，所述可调谐激光衰减器衰减信号光的波长范围为450nm-600nm，衰减范围为2.5db到30dB；
进一步地，所述第一电光探测器和第二电光探测器探测的光信号波长范围400nm-900nm，共模抑制比大于20dB，带宽最高为350MHz。
基于连续变量量子密钥分发的对潜通信系统的实现方法，包括以下步骤：
步骤1)：发送端的第一激光器生成波长为520nm的相干光，光信号被第一电光强度调制器调制成脉冲光信号，电信号由信号源提供，电压幅度为[0V,5V]，电脉冲频率为10MHz，调制成的脉冲光信号频率为10MHz；光脉冲经过透过率为1％的第一光束分束器，能量为原光脉冲的1％；
步骤2)：信号源生成调制信号的模拟电信号；第一电光强度调制器接收信号源输出的调制信号的模拟电信号，对第一激光器产生的相关光进行脉冲调制；第二电光强度调制器接收信号源输出的调制信号的模拟电信号，对第一光束分束器输出的相干激光进行振幅调制；第一电光相位调制器接收信号源输出的调制信号的模拟电信号，对第二电光强度调制器输出的光信号进行相位调制；经过第二电光强度调制器和第一电光相位调制器调制后的光信号呈高斯相干态|X+jP>，即信号光光场正交分量X和正交分量P服从高斯分布，其中，X＝Acosθ，P＝Asin(θ)，A和θ分别表示信号的振幅和相位；电信号的电压范围均为[0V,5V]；
步骤3)：可调谐激光衰减器对光信号进行进一步的衰减，将每个脉冲的光子衰减到108个光子；衰减后的光信号传输过水介质到达接收端；
步骤4)：接收端利用零差检测技术和本地本振光技术对信号光进行检测，具体为：第二激光器生成本地本振光，其频率及波长与第一激光器保持一致；第二电光相位调制器对本振光进行随机0或π/2的相位偏移；经过相位偏移后的本振光与接收到的信号光在第二光束分束器中进行干涉，所述第二光束分束器的信号输出分别被第一光电探测器和第二光电探测器检测；第一光电探测器和第二光电探测器的信号输出均输入到差分放大器进行查分放大得到检测结果；经过后续的反向协商和私密放大过程，发送端和接收端获得一组相同的密钥。
本发明的有益效果是
1、将连续变量量子密钥分发技术应用到水下光通信系统中，光信号不易被第三方窃取信息，实现安全的水下通信系统。
2、利用零差检测可以天然的过滤环境杂光，在白天和有背景光的环境中同样可以达到很好的检测效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明系统流程图；
图2是安全密钥率在不同水质下随距离变化曲线示意图。
图中，1-发送端、2-接收端、3-第一激光器、4-第一电光强度调制器、5-信号源、6-第一光束分束器、7-第二电光强度调制器、8-第一电光相位调制器、9-可调谐激光衰减器、10-第二激光器、11-第二电光相位调制器、12-随机数生成器、13-第二光束分束器、14-第一光电探测器、15-第二光电探测器、16-差分放大器、17-零差探测器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
(一)本发明的系统组成及实现方法
基于连续变量量子密钥分发的水下通信系统，如图1所示，包括发送端1和接收端2，发送端1包括：
第一激光器3，用于产生相干光；
信号源5，用于生成调制信号的模拟电信号，并控制第一电光强度调制器4、第二电光强度调制器7和第一电光相位调制器8的调制；
第一电光强度调制器4，用于接收信号源5输出的调制信号的模拟电信号，并对第一激光器3产生的相关光进行脉冲调制，同时输出额定频率的脉冲相干光信号，脉冲频率为10MHz；
第一光束分束器6，用于将第一电光强度调制器4输出的脉冲相干光信号进行分离；
第二电光强度调制器7，用于接收信号源5输出的调制信号的模拟电信号，并对第一光束分束器6输出的相干激光进行振幅调制，调制后的光信号满足瑞利分布，即其中，e为自然对数，x的值是信号光的振幅大小，瑞利分布的方差σ2取值4；
第一电光相位调制器8，用于接收信号源(5)输出的调制信号的模拟电信号，对第二电光强度调制器7输出的光信号进行相位调制，调制后的光信号满足均匀分布U(0,2π)；经过第二电光强度调制器7和第一电光相位调制器8的调制后，信号光呈高斯相干态|X+jP>，其中，X＝Acosθ，P＝Asin(θ)，A和θ分别表示信号的振幅和相位；
可调谐激光衰减器9，用于将第一电光相位调制器(8)输出的光信号进一步衰减；使得每个脉冲有108个光子；
接收端2包括：
第二激光器10，用于生成波长、频率与第一激光器光信号相同的本地本振光信号；
第二电光相位调制器11，用于对本振光进行0或π/2随机相位调制，其随机性由随
机数生成器12控制；
随机数生成器12，用于原始密钥串生成，同时也用于控制本地本振光信号的随机相位调制信号输入；
第二光束分束器13，用于将接收到的信号光与第二相位调制器输出的本地本振光信号进行干涉；干涉后的两束光分别发送至第一光电探测器14和第二光电探测器15，第二光束分束器13的透过率为50/50；
第一光电探测器14和第二光电探测器15，用于检测信号光与本振光干涉后的信号光强度；
差分放大器16，用于将第一光电探测器14和第二光电探测器15的电信号进行差分放大操作。
零差探测器17由第一光电探测器14、第二光电探测器15、差分放大器16和第二光束分束器13构成。
基于连续变量量子密钥分发的水下通信系统，其实现方法按照以下步骤进行：
步骤1)：发送端1的第一激光器3生成波长为520nm的相干光，光信号被第一电光强度调制器4调制成脉冲光信号，电信号由信号源5提供，幅度为[0V,5V]，电脉冲频率为10MHz，调制成的脉冲光信号频率为10MHz；光脉冲经过透过率为1％的第一光束分束器，能量为原光脉冲的1％；
步骤2)：信号源5生成调制信号的模拟电信号；第一电光强度调制器4接收信号源5输出的调制信号的模拟电信号，对第一激光器3产生的相关光进行脉冲调制；第二电光强度调制器7接收信号源5输出的调制信号的模拟电信号，对第一光束分束器6输出的相干激光进行振幅调制；第一电光相位调制器8接收信号源5输出的调制信号的模拟电信号，对第二电光强度调制器7输出的光信号进行相位调制；经过第二电光强度调制器7和第一电光相位调制器8调制后的光信号呈高斯相干态|X+jP>，即信号光光场正交分量X和正交分量P服从高斯分布，其中，X＝Acosθ，P＝Asin(θ)，A和θ分别表示信号的振幅和相位；电信号的电压范围均为[0V,5V]；
步骤3)：利用可调谐激光衰减器9对光信号进行进一步的衰减，将每个脉冲的光子衰减到108个光子；衰减后的光信号传输过一段距离的水介质到达接收端2；
步骤4)：接收端2利用零差检测技术和本地本振光技术对信号光进行检测，具体为：第二激光器10生成本地本振光，其频率及波长与第一激光器3保持一致，即频率为10MHz，波长为520nm；第二电光相位调制器11对本振光进行随机0或π/2的相位偏移，等同于随机测量光场的正交分量X或正交分量P，其随机性由随机数生成器12控制；经过相位偏移后的本振光与接收到的信号光在第二光束分束器13中进行干涉，第二光束分束器13的输出分别被第一光电探测器14和第二光电探测器15检测；第一光电探测器14和第二光电探测器15的输出均输入到差分放大器16进行查分放大得到检测结果；经过后续的反向协商和私密放大过程，发送端1和接收端2可以获得一组相同的密钥。
(二)型号选择
第一激光器3和第二激光器10均采用Agilent N7714A可调谐激光器，输出波长均为520nm的相干光；
信号源5采用Tektronix AWG7000A任意波形发生器，支持4信道，采样率最高达50GS/s，生成的脉冲信号频率为10MHz，脉冲幅度为5V，生成均匀分布信号电压范围为[0V,5V]，生成瑞利分布的电压范围为[0V,5V]，方差为4；
第一光束分束器6和第二光束分束器13均采用Thorlabs BSN系列，波长范围均为400nm-700nm，其中第一光束分束器6采用型号BSN04，分光比为1：99，第二光束分束器13采用BSW04，分光比为50：50；
第一电光强度调制器4和第二电光强度调制器7均采用AVANEX Powerbit F10，最高带宽均为12.5Gb/s，消光比均大于20dB，均支持c段和L段的光波长范围的调制；
第一电光相位调制器8和第二电光相位调制器11均采用MPZ-LN-10，最高带宽均为10GHz，消光比均大于20dB，损耗均小于2.5dB；
可调谐激光衰减器9采用Thorlabs V450A，波长范围为450nm-600nm，衰减范围为2.5db到30dB，通过调节输入功率可将光信号衰减至每个脉冲约为108个光子；
零差探测器17，包括第二光束分束器13、第一电光探测器14、第二电光探测器15和差分放大器16组合，采用Thorlabs PDA435A平衡放大光电探测器，波长范围400nm-900nm，共模抑制比大于20dB，带宽最高为350MHz，完全满足对脉冲频率为10MHz的光信号进行探测。
(三)效果验证
衡量量子密钥分发的一个关键参数是密钥率，图2所示为本发明在不同水质中，密钥率与传输距离的关系(密钥率必须大于零)；可以看出在纯净海水中，量子光信号最远可以传输80m左右；在不常见的海岸海水和浑浊海水中，通信双方的通信距离小于20m；而在常见的深洋海水中通信双方也可以实现20m以上的安全通信，这种短距离的通信系统可以应用在海底联网探测器中，也可以用在对潜通信系统中，比如船舶对潜艇通信，水下设备无需浮出水面即可完成安全指令传达。图2得到的结果是基于连续变量量子密钥分发协议得到的，协议本身保证了光信号不会被第三方窃取，密钥率大于0说明在对应的距离以内通信系统是安全的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于连续变量量子密钥分发的水下通信系统，其特征在于，包括用于制备高斯调制相干态量子信号的发送端(1)和用于接收和检测量子信号的接收端(2)；所述发送端(1)包括：
第一激光器(3)，用于产生相干光；
信号源(5)，用于生成调制信号的模拟电信号，并控制第一电光强度调制器(4)、第二电光强度调制器(7)和第一电光相位调制器(8)的调制；
第一电光强度调制器(4)，用于接收信号源(5)输出的调制信号的模拟电信号，并对第一激光器(3)产生的相关光进行脉冲调制，同时输出额定频率的脉冲相干光信号；
第一光束分束器(6)，用于将第一电光强度调制器(4)输出的脉冲相干光信号进行分离；
第二电光强度调制器(7)，用于接收信号源(5)输出的调制信号的模拟电信号，并对第一光束分束器(6)输出的相干激光进行振幅调制，调制后的光信号满足瑞利分布；
第一电光相位调制器(8)，用于接收信号源(5)输出的调制信号的模拟电信号，对第二电光强度调制器(7)输出的光信号进行相位调制，调制后的光信号满足均匀分布；经过第二电光强度调制器(7)和第一电光相位调制器(8)的调制后，信号光呈高斯相干态；
可调谐激光衰减器(9)，用于将第一电光相位调制器(8)输出的光信号进一步衰减；
所述接收端(2)包括：
第二激光器(10)，用于生成波长、频率与第一激光器光信号相同的本地本振光信号；
第二电光相位调制器(11)，用于对本振光信号进行0或π/2随机相位调制，其随机性由随机数生成器(12)控制；
随机数生成器(12)，用于原始密钥串生成，同时也用于控制本地本振光信号的随机相位调制信号输入；
第二光束分束器(13)，用于将接收到的光信号与第二电光相位调制器(11)输出的本地本振光信号进行干涉；
第一光电探测器(14)和第二光电探测器(15)，用于检测光信号与本振光信号干涉后的信号光强度；
差分放大器(16)，用于将第一光电探测器(14)和第二光电探测器(15)的输出信号进行差分放大。
2.根据权利要求1所述的一种基于连续变量量子密钥分发的水下通信系统，其特征在于，所述第一激光器(3)输出相干光波长为520nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于连续变量量子密钥分发的水下通信系统，其特征在于，所述信号源(5)支持4信道，采样率最高为50GS/s，生成的脉冲信号频率为10MHz，脉冲幅度为5V，生成均匀分布信号电压范围为[0V,5V]，生成瑞利分布的电压范围为[0V,5V]，方差为4。
4.根据权利要求1所述的一种基于连续变量量子密钥分发的水下通信系统，其特征在于，所述第一光束分束器(6)、第二光束分束器(13)进行干涉的波长范围均为400nm-700nm，所述第一光束分束器(6)分光比为1：99，所述第二光束分束器(13)的分光比为50：50。
5.根据权利要求1所述的一种基于连续变量量子密钥分发的水下通信系统，其特征在于，所述第一电光强度调制器(4)、第二电光强度调制器(7)均支持C段和L段的光波长范围的调制，最高带宽均为12.5Gb/s，消光比均大于20dB。
6.根据权利要求1所述的一种基于连续变量量子密钥分发的水下通信系统，其特征在于，所述第一电光相位调制器(8)、第二电光相位调制器(11)的最高带宽均为10GHz，消光比均大于20dB，损耗均小于2.5dB。
7.权利要求1所述的一种基于连续变量量子密钥分发的水下通信系统，其特征在于，所述可调谐激光衰减器(9)衰减信号光的波长范围为450nm-600nm，衰减范围为2.5db到30dB。
8.权利要求1所述的一种基于连续变量量子密钥分发的水下通信系统，其特征在于，所述第一电光探测器(14)和第二电光探测器(15)探测的光信号波长范围均为400nm-900nm，共模抑制比均大于20dB，带宽最高均为350MHz。
9.如权利要求1所述的基于连续变量量子密钥分发的对潜通信系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：发送端(1)的第一激光器(3)生成波长为520nm的相干光，光信号被第一电光强度调制器(4)调制成10Mhz的脉冲相干光信号，模拟电信号由信号源(5)提供，电压幅度为[0V,5V]，电脉冲频率为10MHz，调制成的脉冲相干光信号频率为10MHz；脉冲相干光信号经过透过率为1％的第一光束分束器(6)，能量为原光脉冲的1％；
步骤2)：信号源(5)生成调制信号的模拟电信号；第一电光强度调制器(4)接收信号源(5)输出的调制信号的模拟电信号，对第一激光器(3)产生的相关光进行脉冲调制；第二电光强度调制器(7)接收信号源(5)输出的调制信号的模拟电信号，对第一光束分束器(6)输出的相干激光进行振幅调制；第一电光相位调制器(8)接收信号源(5)输出的调制信号的模拟电信号，对第二电光强度调制器(7)输出的光信号进行相位调制；经过第二电光强度调制器(7)和第一电光相位调制器(8)调制后的光信号呈高斯相干态|X+jP>，即信号光光场正交分量X和正交分量P服从高斯分布，其中，X＝Acosθ，P＝Asin(θ)，A和θ分别表示信号的振幅和相位；电信号的电压范围均为[0V,5V]；
步骤3)：可调谐激光衰减器(9)对光信号进行进一步的衰减，将每个脉冲的光子衰减到108个光子；衰减后的光信号传输过水介质到达接收端(2)；
步骤4)：第二激光器(10)生成本地本振光，其频率及波长与第一激光器(3)保持一致；第二电光相位调制器(11)对本振光进行随机0或π/2的相位偏移；所述第二电光相位调制器(11)的相位调制随机性由随机数生成器(12)控制；经过相位偏移后的本振光与接收到的光信号在第二光束分束器(13)中进行干涉，所述第二光束分束器(13)的信号输出分别被第一光电探测器(14)和第二光电探测器(15)检测；第一光电探测器(14)和第二光电探测器(15)的信号输出均输入到差分放大器(16)进行查分放大得到检测结果；经过后续的反向协商和私密放大过程，发送端(1)和接收端(2)获得一组相同的密钥。
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