CN109150515B - 基于连续变量量子密钥分发的对潜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对潜通信系统及其实现方法，属于水下通信技术领域。通过发送端的第一激光器、第一电光强度调制器、第二电光强度调制器、第一电光相位调制器、衰减器和第一准直器调制的系统配合，将光信号输出并进入接收端；第二激光器产生本振光，通过第三电光强度调制器和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。本发明将连续变量变量量子密钥分发技术应用到自由空间对潜通信中，克服单纯的水下光通信距离短的弱点，保证了系统安全性；同时提供了自由空间设备与水下设备点对点的传输方式和以自由空间设备为中转站的多个水下设备之间的信息传输方式。

Description

基于连续变量量子密钥分发的对潜通信系统及其实现方法
技术领域
本发明属于水下通信技术领域，特别是涉及一种基于连续变量量子密钥分发的对潜通信系统及其实现方法。
背景技术
水下通信技术在海洋探索、军事通信等领域应用广泛，传统的水下通信采用声波技术实现。声波技术存在许多固有的缺陷，例如带宽低、易展宽、延时高和安全性低等。现代水下通信逐渐开始采用光通信技术，光通信具有高频带、指向性好等优点，但也存在很难克服的缺点。由于光在水中传播的衰减相较于自由空间和光纤要高很多，因此水下光通信系统往往只能运行在很短的距离，大约在百米的范围内，因此在实际应用中收到了很大的局限。此外，传统光通信系统中，由于光在水中传播时也会发生展宽，因此第三者可以通过一定的技术手段窃取到部分信息，对通信系统的安全性产生威胁。
量子密钥分发是一种可以建立在不可信量子信道上的加密通信协议，通信双方共享的安全密钥是由量子力学的不可克隆和测不准原理得到保证的。在实际的量子密钥分发系统中，如果由第三方的窃听者加入，必定会增加系统的额外噪声，通信双方通过对信道的估计和监测可以及时发现窃听者的存在。目前，量子密钥分发主要由离散变量和连续变量两种实现方案。相较于离散变量量子密钥分发技术，连续变量方案有其独特的优势：无需制备单光子，对相干光进行衰减调制即可制备量子态；更贴近经典的光通信系统，适合在实际应用中使用；在接收端可使用零差平衡探测器进行量子信号的接收测量，检测效率更高。
量子通信在自由空间和水介质中的可行性已经得到实验证明，如何通过结合量子密钥分发技术实现自由空间对潜通信系统，实现长距离、安全的对潜通信系统对现代通信领域来说具有非常重大的意义。
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对潜通信系统及其实现方法，结合连续变量量子密钥分发技术，自由空间光通信技术和水下光通信技术，解决现有技术中存在的水下光通信技术距离有限、通信系统不安全的问题，从而实现长距离、安全的对潜通信系统。
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对潜通信系统，由位于自由空间中的发送端和位于水中的接收端构成；所述发送端包括：
第一激光器，用于产生原始的连续相干激光；
第一电光强度调制器，用于将第一激光器生成的连续相干激光调制成脉冲光信号；
第二电光强度调制器，用于调制脉冲光信号的振幅，将振幅大小调制成服从瑞利分布；
第一电光相位调制器，用于将光信号在相位上进行调制，将相位大小调制成服从均匀分布；
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|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；
衰减器，用于对光信号的能量进一步衰减；
第一准直器，用于将光纤中的光信号切换成在自由空间中传输，且用于将光束对准第二准直器；
所述接收端包括：
第二准直器，用于接收光信号，将采集到的光信号转成光纤传输并输入到零差探测器；
零差探测器，用于对光信号进行零差检测；
分束器，用于将接收到的信号光与本振光进行干涉；
第二激光器，用于产生本振光；
第三电光强度调制器，用于调制本振光的振幅；
第二电光相位调制器，用于调制本振光的相位；
第一光电探测器、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、第二光电探测器的电信号进行差分放大操作；
所述零差探测器由分束器、第一光电探测器、第二光电探测器和差分放大器构成。
进一步地，所述第一激光器输出波长为550nm的相干激光；所述第二激光器输出波长为550nm的本振光。
进一步地，所述分束器进行干涉的波长范围为400nm-700nm，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和第三电光强度调制器均支持C段和L段光波长范围的调制，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和第二电光相位调制器的最高带宽均为10GHz，消光比均大于20dB，损耗均小于2.5dB。
进一步地，所述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，所述零差探测器探测的光信号波长范围为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550nm的连续相干激光，光信号被第一电光强度调制器调制成脉冲光信号，幅度为[0V,5V]，电脉冲频率为10MHz，脉冲光信号频率为10MHz；
步骤2)：步骤1)中的脉冲光信号依次经过第二电光强度调制器和第一电光相位调制器；所述第二电光强度调制器将光信号的振幅大小调制成服从瑞利分布，即
Figure GDA0002782668280000031
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；所述第一电光相位调制器将光信号的相位大小调制成服从均匀分布U(0,2π)；最终使调制后的信号光光场正交分量X和正交分量P服从高斯分布；
步骤3)：利用衰减器将步骤2)中完成高斯调制后的光信号进行衰减；所述衰减器将每个脉冲的光子衰减到108个光子；衰减后的光信号发送到第一准直器，所述第一准直器(8)将光信号切换后在自由空间中传输，并到达第二准直器；
步骤4)：接收端的第二准直器将接收到的信号光切换为光纤传输；第二激光器产生波长与第一激光器生成的光信号波长相同的本振光信号，即波长为550nm；本振光信号依次经过第三电光强度调制器和第二电光相位调制器；所述第三电光强度调制器将本振光信号的振幅调成周期的脉冲形式，脉冲频率同第一电光强度调制器调制的频率一致，即为10MHz；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；经过相位调制后的本振光与接收到的信号光通过分束器进行干涉，所述分束器将相位调制后的本振光与接收到的信号光进行干涉，所述分束器的信号输出分别经第一光电探测器和第二光电探测器检测；所述第一电光探测器的输出、第二光电探测器的输出均输入到差分放大器中进行差分放大得到检测结果；
步骤5)：使用步骤4)得到的检测结果中50％的采样数据用于估计信道参数，利用CM模型估计信号光穿过水面后的衰减；在信道估计参数安全范围内，经过后续的反向协商和私密放大，发送端与接收端即获得一组相同的密钥。
本发明的有益效果
1、将连续变量变量量子密钥分发技术应用到自由空间对潜通信中，建立自由空间对潜的量子通信通道，克服单纯的水下光通信距离短的弱点，同时保证了系统安全性。
2、可以应用在船舶、飞行器或者卫星等自由空间设备与潜艇等水下设备建立点对点的安全通信。
3、可以将自由空间设备作为中转站，建立水下设备安全通信网络，水下设备无需浮出水面即可完成通信过程，使距离遥远的两个水下设备通过自由空间的中转站进行安全的信息传输。
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随着海面风速和水深变化曲线示意图。
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-第二电光强度调制器、6-第一电光相位调制器、7-衰减器、8-第一准直器、9-第二准直器、10-第二激光器、11-第三电光强度调制器、12-第二电光相位调制器、13-零差探测器、14-分束器、15-第一光电探测器、16-第二光电探测器、17-差分放大器。
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对潜通信系统，如图1所示，该系统由位于自由空间中的发送端1和位于水中的接收端2构成；发送端1包括：
第一激光器3，用于产生原始的连续相干激光；
第一电光强度调制器4，用于将第一激光器生成的相关光调制成脉冲光信号；
第二电光强度调制器5，用于调制脉冲光信号的振幅；
第一电光相位调制器6，用于将光信号在相位上进行调制；
经过第二电光强度调制器5和第一电光相位调制器6的共同作用后，信号光呈高斯相干态|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；
衰减器7，用于对信号光能量进一步衰减；
第一准直器8，用于将光纤中的光信号切换成在自由空间中传输，且用于将光束对准第二准直器9；
接收端2包括：
第二准直器9，用于接收光信号，将采集到的光信号转成光纤传输并输入到用于对光信号进行零差检测的零差探测器13；
分束器14，用于将接收到的信号光与本地产生的本振光进行干涉；
第二激光器10，用于产生本振光；
第三电光强度调制器11，用于调制本振光的振幅；
第二电光相位调制器12，用于调制本振光的相位；
第一光电探测器15、第二光电探测器16，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17，用于将第一光电探测器15、第二光电探测器16的电信号进行差分放大操作。
进一步地，零差探测器13由分束器14、第一光电探测器15、第二光电探测器16和差分放大器17构成。
进一步地，
第一激光器3和第二激光器10的输出波长均为550nm的相干光；
分束器14进行干涉的波长范围为400nm-700nm，分光比为50：50；
第一电光强度调制器4、第二电光强度调制器5和第三电光强度调制器11均支持C段和L段光波长范围的调制，最高带宽均为12.5Gb/s，消光比均大于20dB；
第一电光相位调制器6和第二电光相位调制器12的最高带宽均为10GHz，消光比均大于20dB，损耗均小于2.5dB；
衰减器7衰减信号光的波长范围为450nm-600nm，衰减范围为2.5db到30dB；
零差探测器13探测的光信号波长范围为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1的第一激光器3生成连续相干光，光信号被第一电光强度调制器4调制成脉冲光信号，脉冲频率为10MHz，脉冲光信号频率为10MHz；
步骤2)：步骤1)中的脉冲光信号依次经过第二电光强度调制器5和第一电光相位调制器6；第二电光强度调制器5将信号光的振幅大小调制成服从瑞利分布，即
Figure GDA0002782668280000061
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6将信号光的相位大小调制成服从均匀分布U(0,2π)；经过振幅和相位上的调制后，信号光场呈高斯相干态|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；
步骤3)：利用衰减器7将步骤2)中完成高斯调制后的光信号进行衰减；衰减器7将每个脉冲的光子衰减到108个光子；衰减后的光信号发送到第一准直器8，第一准直器8将光信号切换后在自由空间中传输，并穿过水面在水中传输到达第二准直器9；
步骤4)：接收端2的第二准直器9接收水中传播的信号光，并将信号光切换为光纤传输；第二激光器10产生波长与第一激光器3波长相同的本振光信号，本振光信号依次经过第三电光强度调制器11和第二电光相位调制器12；第三电光强度调制器11将本振光信号的振幅调成周期的脉冲形式，脉冲频率同第一电光强度调制器4调制的频率一致；第二电光相位调制器12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；经过相位调制后的本振光与接收到的信号光通过分束器11进行干涉，分束器11输出后分别经第一光电探测器15和第二光电探测器16检测；第一电光探测器15的输出和第二光电探测器16的输出均输入到差分放大器17进行差分放大得到检测结果；
步骤5)：使用步骤4)得到的检测结果中50％的采样数据(因常规采用一半的数据用来做估计，一半用的数据来生成密钥)用于估计信道参数，利用CM模型(全称为Cox andMunk模型)估计信号光穿过水面后的衰减；如果建立密钥过程中估计的信道过噪声小于或等于系统初始化得到的信道过噪声，则为安全；经过后续的反向协商和私密放大，发送端与接收端即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，输出波长为550nm的相干激光；
分束器14采用Thorlabs BSN系列，波长范围为400nm-700nm，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5和第三电光强度调制器11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6和第二电光相位调制器12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；
衰减器7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13，包括分束器7、第一电光探测器15、第二电光探测器16和差分放大器17组合，采用Thorlabs PDA435A平衡放大光电探测器，波长范围400nm-900nm，其共模抑制比大于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，如图2所示为本发明在纯净海水、深洋海水和海岸海水三种水质中，密钥率随着海面风速和水下设备深度变化而变化的示意图。从图中可以看出，在三种水质中，风速变化范围为[0m/s,12m/s]，本发明在深度80m以内都可以达到有效的密钥率，即密钥率大于零。说明本发明的通信系统双方可以在有效的距离内建立安全的密钥，有效的距离包括长距离的自由空间和短距离的水介质。从图2中可以判断水介质中的传输距离需要在80m以内才能保证系统的安全性，即密钥率大于0；而光在自由空间(空气)可以传输很长的距离，甚至可以从卫星到地面。
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 (8)

1.一种基于连续变量量子密钥分发的对潜通信系统，其特征在于，该系统由位于自由空间中的发送端(1)和位于水中的接收端(2)构成；所述发送端(1)包括：
第一激光器(3)，用于产生原始的连续相干激光；
第一电光强度调制器(4)，用于将第一激光器生成的连续相干激光调制成脉冲光信号；
第二电光强度调制器(5)，用于调制脉冲光信号的振幅，将振幅大小调制成服从瑞利分布；
第一电光相位调制器(6)，用于将光信号在相位上进行调制，将相位大小调制成服从均匀分布U；
经过第二电光强度调制器(5)和第一电光相位调制器(6)的调制后，信号光呈高斯相干态|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；
衰减器(7)，用于对光信号的能量进一步衰减；
第一准直器(8)，用于将光纤中的光信号切换成在自由空间中传输，且用于将光束对准第二准直器(9)；
所述接收端(2)包括：
第二准直器(9)，用于接收光信号，将采集到的光信号转成光纤传输并输入到零差探测器(13)；
零差探测器(13)，用于对光信号进行零差检测；
分束器(14)，用于将接收到的信号光与本振光进行干涉；
第二激光器(10)，用于产生本振光；
第三电光强度调制器(11)，用于调制本振光的振幅；
第二电光相位调制器(12)，用于调制本振光的相位；
第一光电探测器(15)、第二光电探测器(16)，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(17)，用于将第一光电探测器(15)、第二光电探测器(16)的电信号进行差分放大操作；
所述零差探测器(13)由分束器(14)、第一光电探测器(15)、第二光电探测器(16)和差分放大器(17)构成。
2.根据权利要求1所述的基于连续变量量子密钥分发的对潜通信系统，其特征在于，所述第一激光器(3)输出波长为550nm的相干激光；所述第二激光器(10)输出波长为550nm的本振光。
3.根据权利要求1所述的基于连续变量量子密钥分发的对潜通信系统，其特征在于，所述分束器(14)进行干涉的波长范围为400nm-700nm，分光比为50：50。
4.根据权利要求1所述的基于连续变量量子密钥分发的对潜通信系统，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(5)和第三电光强度调制器(11)均支持C段和L段光波长范围的调制，最高带宽均为12.5Gb/s，消光比均大于20dB。
5.根据权利要求1所述的基于连续变量量子密钥分发的对潜通信系统，其特征在于，所述第一电光相位调制器(6)和第二电光相位调制器(12)的最高带宽均为10GHz，消光比均大于20dB，损耗均小于2.5dB。
6.根据权利要求1所述的基于连续变量量子密钥分发的对潜通信系统，其特征在于，所述衰减器(7)衰减信号光的波长范围为450nm-600nm，衰减范围为2.5db到30dB。
7.根据权利要求1所述的基于连续变量量子密钥分发的对潜通信系统，其特征在于，所述零差探测器(13)探测的光信号波长范围为400nm-900nm，共模抑制比大于20dB，带宽最高为350MHz。
8.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550nm的连续相干激光，光信号被第一电光强度调制器(4)调制成脉冲光信号，幅度为[0V,5V]，电脉冲频率为10MHz，脉冲光信号频率为10MHz；
步骤2)：步骤1)中的脉冲光信号依次经过第二电光强度调制器(5)和第一电光相位调制器(6)；所述第二电光强度调制器(5)将光信号的振幅大小调制成服从瑞利分布，即
Figure FDA0002782668270000021
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；所述第一电光相位调制器(6)将光信号的相位大小调制成服从均匀分布U(0,2π)；经过振幅和相位上的调制后，信号光场呈高斯相干态|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；
步骤3)：利用衰减器(7)将步骤2)中完成高斯调制后的光信号进行衰减；所述衰减器(7)将每个脉冲的光子衰减到108个光子；衰减后的光信号发送到第一准直器(8)，所述第一准直器(8)将光信号切换后在自由空间中传输，并到达第二准直器(9)；
步骤4)：接收端(2)的第二准直器(9)将接收到的信号光切换为光纤传输；第二激光器(10)产生波长与第一激光器(1)生成的光信号波长相同的本振光信号，即波长为550nm；本振光信号依次经过第三电光强度调制器(11)和第二电光相位调制器(12)；所述第三电光强度调制器(11)将本振光信号的振幅调成周期的脉冲形式，脉冲频率同第一电光强度调制器(4)调制的频率一致，即为10MHz；第二电光相位调制器(12)对本振光进行随机0或π/2的相位偏移；经过相位调制后的本振光与接收到的信号光通过分束器(14)进行干涉，所述分束器(14)将相位调制后的本振光与接收到的信号光进行干涉，所述分束器(14)的信号输出分别经第一光电探测器(15)和第二光电探测器(16)检测；所述第一电光探测器(15)的输出、第二光电探测器(16)的输出均输入到差分放大器(17)中进行差分放大得到检测结果；
步骤5)：使用步骤4)得到的检测结果中50％的采样数据用于估计信道参数，利用CM模型估计信号光穿过水面后的衰减；在信道估计参数安全范围内，经过后续的反向协商和私密放大，发送端(1)与接收端(2)即获得一组相同的密钥，CM模型为Cox and Munk模型。
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