CN110351068B - 一种基于波导的量子密钥分发系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于发射端接收端偏振分束的量子密钥分配系统，发射端干涉环包括对称型的Y分支波导和保偏分束器，所述Y分支波导入射端连接强度调制器，所述Y分支波导的两路分支输出端分别连接保偏分束器，其中一路加光纤延时。与现有技术相比，本发明的基于波导的量子密钥分发系统，干涉环使用Y波导与保偏分束器，且将相位调制器放置在干涉环外，降低了干涉环的制作复杂度，还可减小干涉环体积。而且Y波导制作技术较为成熟，可实现大批量生产。另外，系统使用消偏技术，可省去了纠偏系统带来的整体系统复杂性，具有较高的使用价值。

Description

一种基于波导的量子密钥分发系统及方法

技术领域

本发明涉及光传输安全通信技术领域，特别涉及一种基于波导的量子密钥分发系统及方法。

背景技术

随着互联网的大范围普及，人类之间的信息传递达到了前所未有的数量和频率，各种隐私信息越来越多地暴露在互联网上，因此，人类对保密通信的需求也到了前所未有的高度。现在的互联网信息安全的加密方式称为“公开密钥”密码体系，其原理是通过加密算法，生成网络上传播的公开密钥，以及留在计算机内部的私人密钥，两个密钥必须配合使用才能实现完整的加密和解密过程。

现代互联网使用的加密标准是20世纪70年代诞生的RSA算法，即利用大数的质因子分解难以计算来保证密钥的安全性。

量子密钥分配是1984年物理学家Bennett和密码学家Brassard提出了基于量子力学测量原理的BB84协议，量子密钥分配可以从根本上保证了密钥的安全性。

现有技术中量子密钥生成系统中，所采用的干涉环结构较为复杂，且干涉环体积较大，在实际应用中，不能大批量生产，制作成本较为昂贵。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于波导的量子密钥分发系统及方法，以解决现有技术中干涉环结构较为复杂，且干涉环体积较大，在实际应用中，不能大批量生产，制作成本较为昂贵的技术性缺陷。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于波导的量子密钥分发系统，包括发射端与接收端，所述发射端与接收端通过量子信道连接，所述发射端包括发射端驱动板、信号激光器、同步激光器、强度调制器、发射端干涉环、相位调制器、第一可调衰减器、消偏器、第二可调衰减器以及发射端波分复用器，所述发射端干涉环包括对称型的Y分支波导和保偏分束器，所述Y分支波导入射端连接强度调制器，所述Y分支波导的两路分支输出端分别连接保偏分束器，其中一路加光纤延时，所述保偏分束器连接相位调制器，所述信号激光器依次连接强度调制器、发射端干涉环、相位调制器、消偏器、第一可调衰减器以及发射端波分复用器，所述同步激光器依次连接第二可调衰减器以及发射端波分复用器，所述第一可调衰减器与第二可调衰减器连接发射端波分复用器的同一端，发射端驱动板还分别连接信号激光器、强度调制器、同步激光器、相位调制器、第一可调衰减器以及第二可调衰减器；

所述接收端包括接收端驱动板、接收端波分复用器、同步探测器、偏振分束器、两路并列的接收端干涉环以及四路单光子探测器，所述接收端干涉环与发射端干涉环结构一致，所述两路接收端干涉环前端均通过相位调制器连接偏振分束器，所述接收端波分复用器通过量子信道连接发射端波分复用器，所述接收端波分复用器的另一端分别连接同步探测器与偏振分束器，其中每路接收端干涉环的保偏分束器分别连接两路单光子探测器，所述接收端驱动板还分别连接同步探测器以及四路单光子探测器。

优选地，所述量子信道为单模光纤。

优选地，所述发射端还包括有第三衰减器，所述第三衰减器设置在消偏器以及第一可调衰减器之间。

一种基于波导的量子密钥分发方法，包括以下步骤：

1)激光器触发：发射端利用同一个时钟信号分别触发信号激光器和同步激光器发射出信号光与同步光，其中信号光作为调制光，同步光作为同步信号传输到接收端由同步探测器响应进行时钟同步；

2)诱骗态调制：信号激光器发射的信号光通过强度调制器进行随机强度调制，成为信号态、诱骗态或者真空态中的一种；

3)发射端干涉：

发射端干涉环为由铌酸锂晶体Y分支波导和保偏分束器组成的不等臂MZ干涉环，Y分支波导将信号光分为两路，分别经过干涉环长短臂，产生的两个脉冲从干涉环出射后，分别经过环外的相位调制器，通过发射端驱动板对PM加载电压的时间，对后一个脉冲随机调制{0，π/2，π，3π/2}；

4)消偏器消偏：两路脉冲分别经过消偏器之后，偏振状态随机变化，偏振度为0；

5)电控可调衰减器对信号光进行衰减：信号光经过第一可调衰减器将光脉冲衰减至单光子量级，同步光经过第二可调衰减器将同步光调节至接收端可响应的强度范围；

6)信号光与同步光通过量子信道传输：将波长不同的信号光和同步光在发射端经过发射端波分复用器合入一根信道传输，并在接收端通过接收端波分复用器重新分解；

7)偏振分束器分束：将不同偏振的光经过偏振分束器分解为水平偏振方向和垂直偏振方向；

8)接收端干涉：利用Y波导和保偏分束器制作与发射端臂长差相等的不等臂MZ干涉环，相应地在接收端干涉环之前加上相位调制器，在接收端通过接收端驱动板控制加载到PM电压的时间，对前一个脉冲调相{0，π/2}，随后两个脉冲在进入干涉环之后走过路径相等的两个脉冲在BS处干涉；

9)单光子探测器探测：单光子探测器探测出光信号，用于后续处理产生安全密钥。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

本发明的基于波导的量子密钥分发系统，干涉环使用Y波导与保偏分束器，且将相位调制器放置在干涉环外，降低了干涉环的制作复杂度，还可减小干涉环体积。而且Y波导制作技术较为成熟，可实现大批量生产。另外，系统使用消偏技术，可省去了纠偏系统带来的整体系统复杂性，具有较高的使用价值。

附图说明

图1为本发明基于波导的量子密钥分发系统的原理框图；

图2为本发明基于波导的量子密钥分发方法的流程图。

图中：发射端100、发射端驱动板101、信号激光器102、同步激光器103、强度调制器104、发射端干涉环105、Y分支波导1051、保偏分束器1052、相位调制器106、第一可调衰减器107、消偏器108、第二可调衰减器109、发射端波分复用器110、第三衰减器111、接收端200、接收端驱动板201、接收端波分复用器202、同步探测器203、偏振分束器204、接收端干涉环205、单光子探测器206、量子信道300。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种基于波导的量子密钥分发系统，包括发射端100与接收端200，所述发射端100与接收端200通过量子信道300连接，所述发射端100包括发射端驱动板101、信号激光器102、同步激光器103、强度调制器104、发射端干涉环105、相位调制器106、第一可调衰减器107、消偏器108、第二可调衰减器109以及发射端波分复用器110，所述发射端干涉环105包括对称型的Y分支波导1051和保偏分束器1052，所述Y分支波导1051入射端连接强度调制器104，所述Y分支波导1051的两路分支输出端分别连接保偏分束器1052，其中一路加光纤延时，所述保偏分束器1052连接相位调制器106，所述信号激光器102依次连接强度调制器104、发射端干涉环105、相位调制器106、消偏器108、第一可调衰减器107以及发射端波分复用器110，所述同步激光器103依次连接第二可调衰减器109以及发射端波分复用器110，所述107与第二可调衰减器109连接发射端波分复用器110的同一端，发射端驱动板101还分别连接信号激光器102、强度调制器104、同步激光器103、相位调制器106、第一可调衰减器107以及第二可调衰减器109；

所述接收端200包括接收端驱动板201、接收端波分复用器202、同步探测器203、偏振分束器204、两路并列的接收端干涉环205以及四路单光子探测器206，所述接收端干涉环205与发射端干涉环105结构一致，所述两路接收端干涉环205前端均通过相位调制器连接偏振分束器204，所述接收端波分复用器202通过量子信道300连接发射端波分复用器110，所述接收端波分复用器202的另一端分别连接同步探测器203与偏振分束器204，其中每路接收端干涉环205的保偏分束器分别连接两路单光子探测器206，所述接收端驱动板201还分别连接同步探测器203以及四路单光子探测器206。所述量子信道300为单模光纤。所述发射端100还包括有第三衰减器111，所述第三衰减器111设置在消偏器108以及第一可调衰减器107之间。

一种基于波导的量子密钥分发方法，包括以下步骤：

1)激光器触发：发射端利用同一个时钟信号分别触发信号激光器和同步激光器发射出信号光与同步光，其中信号光作为调制光，同步光作为同步信号传输到接收端由同步探测器响应进行时钟同步；

2)诱骗态调制：信号激光器发射的信号光通过强度调制器进行随机强度调制，成为信号态、诱骗态或者真空态中的一种；

3)发射端干涉：

发射端干涉环为由铌酸锂晶体Y分支波导和保偏分束器组成的不等臂MZ干涉环，Y分支波导将信号光分为两路，分别经过干涉环长短臂，产生的两个脉冲从干涉环出射后，分别经过环外的相位调制器，通过发射端驱动板对PM加载电压的时间，对后一个脉冲随机调制{0，π/2，π，3π/2}；

4)消偏器消偏：两路脉冲分别经过消偏器之后，偏振状态随机变化，偏振度为0；

5)电控可调衰减器对信号光进行衰减：信号光经过第一可调衰减器将光脉冲衰减至单光子量级，同步光经过第二可调衰减器将同步光调节至接收端可响应的强度范围；

6)信号光与同步光通过量子信道传输：将波长不同的信号光和同步光在发射端经过发射端波分复用器合入一根信道传输，并在接收端通过接收端波分复用器重新分解；

7)偏振分束器分束：将不同偏振的光经过偏振分束器分解为水平偏振方向和垂直偏振方向；

8)接收端干涉：利用Y波导和保偏分束器制作与发射端臂长差相等的不等臂MZ干涉环，相应地在接收端干涉环之前加上相位调制器，在接收端通过接收端驱动板控制加载到PM电压的时间，对前一个脉冲调相{0，π/2}，随后两个脉冲在进入干涉环之后走过路径相等的两个脉冲在BS处干涉；

9)单光子探测器探测：单光子探测器探测出光信号，用于后续处理产生安全密钥。

综合本发明的结构与原理可知，本发明的基于波导的量子密钥分发系统，干涉环使用Y波导与保偏分束器，且将相位调制器放置在干涉环外，降低了干涉环的制作复杂度，还可减小干涉环体积。而且Y波导制作技术较为成熟，可实现大批量生产。另外，系统使用消偏技术，可省去了纠偏系统带来的整体系统复杂性，具有较高的使用价值。

Claims (4)

1.一种基于波导的量子密钥分发系统，包括发射端与接收端，所述发射端与接收端通过量子信道连接，所述发射端包括发射端驱动板、信号激光器、同步激光器、强度调制器、发射端干涉环、相位调制器、第一可调衰减器、消偏器、第二可调衰减器以及发射端波分复用器，其特征在于，所述发射端干涉环包括对称型的Y分支波导和保偏分束器，所述Y分支波导入射端连接强度调制器，所述Y分支波导的两路分支输出端分别连接保偏分束器，其中一路加光纤延时，所述保偏分束器连接相位调制器，所述信号激光器依次连接强度调制器、发射端干涉环、相位调制器、消偏器、第一可调衰减器以及发射端波分复用器，所述同步激光器依次连接第二可调衰减器以及发射端波分复用器，所述第一可调衰减器与第二可调衰减器连接发射端波分复用器的同一端，发射端驱动板还分别连接信号激光器、强度调制器、同步激光器、相位调制器、第一可调衰减器以及第二可调衰减器；

所述接收端包括接收端驱动板、接收端波分复用器、同步探测器、偏振分束器、两路并列的接收端干涉环以及四路单光子探测器，所述接收端干涉环与发射端干涉环结构一致，两路接收端干涉环前端均通过相位调制器连接偏振分束器，所述接收端波分复用器通过量子信道连接发射端波分复用器，所述接收端波分复用器的另一端分别连接同步探测器与偏振分束器，其中每路接收端干涉环的保偏分束器分别连接两路单光子探测器，所述接收端驱动板还分别连接同步探测器以及四路单光子探测器。

2.如权利要求1所述的基于波导的量子密钥分发系统，其特征在于，所述量子信道为单模光纤。

3.如权利要求1所述的基于波导的量子密钥分发系统，其特征在于，所述发射端还包括有第三衰减器，所述第三衰减器设置在消偏器以及第一可调衰减器之间。

4.一种基于波导的量子密钥分发方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)激光器触发：发射端利用同一个时钟信号分别触发信号激光器和同步激光器发射出信号光与同步光，其中信号光作为调制光，同步光作为同步信号传输到接收端由同步探测器响应进行时钟同步；

2)诱骗态调制：信号激光器发射的信号光通过强度调制器进行随机强度调制，成为信号态、诱骗态或者真空态中的一种；

3)发射端干涉：

发射端干涉环为由铌酸锂晶体Y分支波导和保偏分束器组成的不等臂MZ干涉环，Y分支波导将信号光分为两路，分别经过干涉环长短臂，产生的两个脉冲从干涉环出射后，分别经过环外的相位调制器，通过发射端驱动板对PM加载电压的时间，对后一个脉冲随机调制{0，π/2，π，3π/2}；

4)消偏器消偏：两路脉冲分别经过消偏器之后，偏振状态随机变化，偏振度为0；

5)电控可调衰减器对信号光进行衰减：信号光经过第一可调衰减器将光脉冲衰减至单光子量级，同步光经过第二可调衰减器将同步光调节至接收端可响应的强度范围；

6)信号光与同步光通过量子信道传输：将波长不同的信号光和同步光在发射端经过发射端波分复用器合入一根信道传输，并在接收端通过接收端波分复用器重新分解；

7)偏振分束器分束：将不同偏振的光经过偏振分束器分解为水平偏振方向和垂直偏振方向；

8)接收端干涉：利用Y波导和保偏分束器制作与发射端臂长差相等的不等臂MZ干涉环，相应地在接收端干涉环之前加上相位调制器，在接收端通过接收端驱动板控制加载到PM电压的时间，对前一个脉冲调相{0，π/2}，随后两个脉冲在进入干涉环之后走过路径相等的两个脉冲在BS处干涉；

9)单光子探测器探测：单光子探测器探测出光信号，用于后续处理产生安全密钥。