CN110120903A - 一种基于多芯光纤的量子接入网架构及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多芯光纤的量子接入网架构及方法，该架构适用于多用户、大容量的下一代接入网。馈线光纤为多芯光纤，引入光纤为单芯单模光纤。量子信号和经典信号在多芯光纤和单芯单模光纤中均共纤传输，自发拉曼散射噪声和芯间串扰噪声是该共纤传输量子接入网中量子信道的主要噪声干扰。本发明提出了一种纤芯与波长分配方法，有效地降低了经典信号对量子信道的噪声干扰；提出了一种量子信号波‑时分复用的方法，适用于具有大量量子用户的接入网。本发明提出的接入网架构可支持大量量子用户接入，可推动量子密钥分发向实用化的方向发展。

Description

一种基于多芯光纤的量子接入网架构及方法
技术领域
本专利涉及量子通信领域，尤其涉及接入网中与经典光网络融合的量子密钥分发技术。该方法提供了基于多芯光纤的量子密钥分发和经典光通信融合的量子接入网架构，所提架构可支持大量用户接入，具有大容量、低干扰等优势，可推动量子密钥分发技术向实用化方向的发展。
背景技术
自1984年量子密钥分发协议首次被提出以来，量子密钥分发(Quantum KeyDistribution,QKD)技术在理论和实践上均取得了重大突破。如今，QKD理论发展日趋完善，逐步从理论走向实践。推动QKD技术广泛应用的重要一步是建立量子网络，并扩大量子网络中的用户数量。其中接入网具有点到多点的结构特性，可用于扩大量子网络用户数量。2013年量子接入网的概念被首次提出并得到了实验验证。在该架构中，所有的光网络单元(Optical Network Unit,ONU)都通过一个光耦合器连接到光线路终端(Optical LineTerminal,OLT)，不同的量子信号发射机通过时分复用(Time Division Multiplexing,TDM)的方式工作。由于光耦合器插入损耗和QKD发送速率对QKD成码率的影响，安全密钥生成率(Secure Key Rate,SKR)随着ONU数量的增加而显著降低，限制了量子接入网的发展规模。为节约接入网的光纤部署成本，研究者提出量子信号与经典信号共纤传输的量子接入网架构，但是高功率的经典信号产生的噪声，尤其是自发拉曼散射(Spontaneous RamanScattering,SRS)噪声，对量子信号产生了巨大干扰。
日益增长的传输容量需求接近现有单芯单模光纤(Single-core Single-modeFiber,SSMF)100Tbps的理论容量极限，同时，下一代光接入网需要支持大量用户的高带宽传输。为了进一步提高光纤传输容量，空分复用(Space Division Multiplexing,SDM)作为一种解决传统SSMF容量瓶颈问题的方法已经被提出并得到了深入的研究，其中多芯光纤(Multicore Fiber,MCF)是实现SDM的有效手段，目前研究者已经提出许多基于MCF的下一代经典接入网架构。但是MCF纤芯之间存在随机功率耦合现象，即芯间串扰(Inter-coreCrosstalk,IC-XT)噪声。IC-XT噪声是影响多芯光纤性能的主要因素，对具有大量量子用户接入网的建立具有较大的威胁性。
综上所述，如何提高接入网的SKR并降低量子接入网的光纤部署成本是建立具有大量量子用户接入网的最大障碍之一，需尽快得到解决。
发明内容
本专利针对量子接入网中量子信号与经典信号共纤传输这一应用场景，设计了一种基于MCF的量子接入网架构。主要考虑了如何实现多量子用户接入，降低量子接入网的成本和提高SKR的目标。包含三个技术要点：1、提出了一种基于MCF的量子接入网架构；2、针对经典信号产生的SRS噪声和IC-XT噪声，提出了一种抑制量子信道噪声的纤芯和波长分配方法；3、针对量子用户数量较多的场景，提出了一种对量子信号适宜使用的波-时分复用方法。
针对所述的第一个技术要点具体说明如下：
提出的一种基于MCF的量子接入网架构如图1所示。该接入网中，馈线光纤为MCF，其中每根纤芯编号为n(n＝1,2…N)，引入光纤为SSMF，量子信号与经典信号在馈线光纤和引入光纤中共纤传输。在光线路终端中，每个传输经典信号的多芯光纤纤芯连接一个粗波分复用器和两个密集型波分复用器，传输量子信号的纤芯连接一个粗波分复用器；在光配线网中，每个传输经典信号的多芯光纤纤芯同样连接一个粗波分复用器和两个密集型波分复用器，传输量子信号的纤芯连接一个粗波分复用器和多个耦合器。每个单向信道对应一个波长，MCF具有丰富的空间及波长资源，具有大容量且可支持多用户接入等优势。量子信号和同步信号在MCF的第N个纤芯中传输，其余N-1个纤芯用来传输经典信号，每根纤芯的下行信号波长数为T，上行信号波长数也为T。在经典信道中，每根纤芯利用粗波分复用(Coarse Wavelength Division Multiplexing,CWDM)技术复用T个下行信号波长与T个上行信号波长，下行信道采用密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing,DWDM)技术复用OLT的T个下行信号波长，同理，上行信道同样采用DWDM技术复用OLT的T个上行信号波长。上行信道和下行信道使用不同的波长范围，该量子接入网架构可以支持(N-1)×T个用户的经典通信。
针对所述的第二个技术要点，即针对经典信号对量子信道的SRS噪声和IC-XT噪声，提出了一种抑制量子信道噪声的纤芯和波长分配方法，具体说明如下：
为抑制量子接入网中共纤传输系统中量子信道的SRS噪声和IC-XT噪声，本专利提出了一种纤芯波长分配方法(Core and Wavelength Assignment Scheme,CWAS)。在馈线光纤中，由于同一纤芯内经典信号产生的SRS噪声对量子信号影响较大，所以本方法中单独使用一根纤芯传输量子信号。同时，IC-XT噪声的功率(约-60dBm/km)高于量子信号功率(约小于-80dBm)，为避免量子信号受IC-XT噪声的影响，本方法将量子信号波长和经典信号波长分别设置在不同波长范围，使IC-XT噪声转化为带外噪声，并通过带通滤波器滤波。在SSMF中，经典上行信号的功率大于经典下行信号功率，因此经典上行信号产生的SRS噪声比经典下行信号产生的SRS噪声对量子信号的影响更大，并且量子信号波长小于经典信号波长时，经典信号产生的SRS噪声系数较小，SRS噪声也会较小，故使量子信号波长小于经典上行信号波长。如附图2所示，上行经典信号波长范围从1550nm到1560nm，信道间隔为Δf1；下行经典信号波长范围从1540nm到1550nm，信道间隔为Δf2；量子信号波长范围从1530nm到1540nm，信道间隔为Δf3；各波长范围之间的保护带宽为△fG Hz，该方法可以抑制系统中经典信号对量子信道的SRS噪声和IC-XT噪声。
针对所述的第三个技术要点，即针对量子用户数量较多的场景，提出的对量子信号适宜使用的波-时分复用技术，具体说明如下：
由于单光子探测器(Single Photon Detector,SPD)价格昂贵且操作困难，因此将量子信号接收机置于OLT中，由多个ONU共享。目前为止，SPD的最大接收频率比量子信号发射机的最大发送频率低很多，因此量子信号采用TDM的工作方式会导致每个ONU的传输频率均降低。例如，SPD的接收频率为1GHz，那么两个ONU采用TDM的方式同时工作时，每个ONU工作的频率为500MHz。因此，当用户数量较多时，每个ONU的SKR会大大降低。此外，使用TDM的工作方式时，需要一个耦合器将量子信号耦合进MCF中，用户每增加一倍，耦合器的插入损耗就增加3dB，一个32用户的接入网在量子信道中至少有15dB的插入损耗，将导致量子接入网的SKR显著降低，因此，量子信号的传输不适宜采用TDM的工作方式。相反，在基于波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)的方法中，可使用波分复用器耦合量子信号，其插入损耗比耦合器小(32通道波分复用器的插入损耗约为3dB)。但是，分配给量子信号的波长无法被经典信号使用，尤其当量子用户数较多时，就会浪费大量的波长资源，因此在多量子用户的场景下为每个ONU单独分配一个波长是不现实的，本架构中量子信号采用波-时分复用(Wavelength-time Division Multiplexing,W-TDM)的工作方式，如图1所示。通过图1中的DWDM模块和耦合器(coupler)实现W-TDM方法，其中，P为每个耦合器对应的量子信号发射机的数量，Q为每个CWDM模块复用的波长数，即每个CWDM模块对应的耦合器数量。连接到同一耦合器的P个量子信号发射机采用TDM的工作方式传输量子信号，而连接到不同耦合器的量子信号发射机采用WDM的工作方式传输量子信号，共占用Q个波长。这样既可以避免因耦合器的插入损耗过大而导致量子接入网中的SKR降低，又可以节省波长资源。同步信号设置在与量子信号相同的波长范围，量子信号和同步信号反向传输，即量子信号从ONU传输到OLT，同步信号从OLT传输到ONU。因此，连接到同一耦合器的量子信号发射机可实现同步。该方法可以支持P×Q个用户的量子通信，应满足P×Q≥(N-1)×T。
本专利所述架构可以应用于量子信号与经典信号共纤传输的MCF量子接入网中，具有抑制量子信道中的SRS噪声和IC-XT噪声，并提高量子接入网SKR的优势。本架构有助于促进多用户量子接入网的发展，为多用户量子接入网的广泛应用奠定基础。
附图说明
图1为基于MCF的量子接入网架构示意图。SSMF：单芯单模光纤；DWDM：密集波分复用模块；CWDM：粗波分复用模块；OLT：光线路终端；ODN：光配线网；ONU：光网络单元；MCF：多芯光纤；SS：同步信号；QS：量子信号；Tx：信号发射机；Rx：信号接收机。
图2为经典信号和量子信号波长分配示意图。T：经典上行(下行)信号波长数；Q：量子信号波长数；Δf1：经典上行信道间隔；Δf2：经典下行信道间隔；Δf3：量子信道间隔；ΔfG：保护带宽。
图3为7芯光纤的纤芯分布截面图，其中纤芯上的数字为纤芯编号n(n＝1,2…7)。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方法及优点更加清楚明白，以下结合附图2和附图3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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本专利提出的基于MCF的量子接入网架构具体实施例中，馈线光纤为如图3所示的7芯光纤，即N＝7，引入光纤为SSMF。在馈线光纤和引入光纤中，量子信号与经典信号共纤传输。MCF的3芯用于传输量子信号和同步信号，其余6根芯(1芯、2芯、4芯、5芯、6芯和7芯)用于传输经典信号。经典信号和量子信号波长分配示意图如图2所示，取ΔfG为200，即保护带宽为200GHz。在经典信道中，取T值为10，OLT的上行信道包含10个波长，波长范围从1550.12nm(193.4THz)到1557.36nm(192.5THz)，波长间隔Δf1取100GHz；下行信道和上行信道使用不同的波长范围，10个下行信号波长从1540.56nm(194.6THz)到1547.72nm(193.7THz)，波长间隔Δf2取100GHz。每根纤芯传输10个下行信号波长与10个上行信号波长。在量子信道中，取P为5，Q为12，量子信号发射机位于ONU中，量子信号接收机置于OLT中，每5个ONU采用TDM的工作方式连接在同一耦合器上，WDM时共需12个量子信号波长，且小于经典上行信号波长，量子信号波长范围从1530.33nm(195.9THz)到1534.64nm(195.35THz)，波长间隔Δf3取50GHz，同步信号与量子信号设置在同一波长范围。量子信号从ONU传输到OLT,同步信号从OLT传输到ONU，因此，连接到同一耦合器的量子信号发射机就可以实现同步。该量子接入网架构可以支持60个ONU。
通过以上实施例可以看出，本专利提出的基于MCF的量子接入网架构可支持大量量子用户，可推动QKD向实用化的方向发展。

Claims (4)

1.一种基于多芯光纤的量子接入网架构及方法，目的在于扩大接入网中量子用户数量，推动量子密钥分发向实用化方向发展，主要内容包括：
A、基于多芯光纤的量子接入网架构；
B、针对量子信道噪声抑制的纤芯和波长分配方法；
C、针对多量子用户的波-时分复用方法。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，量子接入网中馈线光纤为多芯光纤，引入光纤为单芯单模光纤，在馈线光纤和引入光纤中，量子信号与经典信号共纤传输；在光线路终端中，每个传输经典信号的多芯光纤纤芯连接一个粗波分复用器和两个密集型波分复用器，传输量子信号的纤芯连接一个粗波分复用器；在光配线网中，每个传输经典信号的多芯光纤纤芯同样连接一个粗波分复用器和两个密集型波分复用器，传输量子信号的纤芯连接一个粗波分复用器和多个耦合器；其中，多芯光纤的纤芯数量为N，每根纤芯的下行信号波长数为T，上行信号波长数也为T，量子信号和同步信号波长数均为Q；多芯光纤的N-1根纤芯传输经典信号，每个纤芯中传输T个波长的上行信号和T个波长的下行信号，第N芯传输Q个波长的量子信号和Q个波长的同步信号，该量子接入网架构可以支持(N-1)×T个用户。
3.如权利要求2所述方法，其特征在于，为降低经典信号产生的自发拉曼散射和芯间串扰两种噪声对量子信号的影响，提出了一种纤芯波长分配方法，在多芯光纤中采用单独纤芯传输量子信号以降低自发拉曼散射噪声对量子信号的影响，同时，对量子信号和经典信号分别设置不同的波长范围，将芯间串扰噪声转化为带外噪声，并通过带通滤波器滤除芯间串扰噪声；使量子信号波长小于经典上行信号波长，降低单芯单模光纤(引入光纤)中经典上行信号产生的自发拉曼散射噪声对量子信号的影响；上行经典信号波长范围从1550nm到1560nm，信道间隔为Δf1；下行经典信号波长范围从1540nm到1550nm，信道间隔为Δf2；量子信号波长范围从1530nm到1540nm，信道间隔为Δf3，Δf1、Δf2和Δf3可以不相等。
4.如权利要求2所述方法，其特征在于，为扩大量子接入网中量子用户接入量，提出了一种波-时分复用方法，连接到同一耦合器的量子信号发射机采用时分复用的工作方式传输量子信号，耦合后的量子信号连接到粗波分复用模块的不同端口；将量子信号接收机置于光线路终端中，量子信号发射机置于光网络单元中，量子信号由光网络单元发送至光线路终端，同步信号由光线路终端发送至光网络单元，对多个量子信号发射机进行同步。
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