CN111245514A - 量子-经典信号共纤传输型qkd系统发射装置 - Google Patents

量子-经典信号共纤传输型qkd系统发射装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种量子‑经典信号共纤传输型QKD系统发射装置，包括量子信号激光器、同步信号激光器、经典信号激光器、波长复用器和偏振调节器，所述量子信号激光器产生并输出量子光，所述同步信号激光器产生并输出同步光，所述经典信号激光器产生并输出经典光；所述同步信号激光器和经典信号激光器的输出端均连接偏振调节器，所述偏振调节器的输出端和量子信号激光器的输出端均连接至波长复用器的输入端；所述偏振调节器用于调节所述同步光和经典光的偏振方向，使得接入所述波长复用器的同步光和经典光的偏振方向相同、且两者与所述量子光的偏振垂直。本发明的量子‑经典信号共纤传输型QKD系统发射装置，实现自动抑制由经典信号引起的四波混频噪声，方案易于实现，降低商用化难度。

Description

量子-经典信号共纤传输型QKD系统发射装置
技术领域
本发明涉及量子与经典信号共纤传输技术领域，具体涉及一种量子-经典信号共纤传输型QKD系统发射装置。
背景技术
随着计算机计算能力的不断提高，当前信息安全问题及事件层出不穷。今年10月份谷歌又号称实现量子霸权，量子计算机的计算能力对信息保密的威胁正逐渐变成现实。而量子密钥分配(Quantum key distribution,QKD)能够以无条件安全的方式在合法通信双方之间分发密钥，再结合一次一密对称加密算法，从而理论上可以实现无条件安全的保密信息传输。
通常一个QKD协议由量子过程和经典后处理过程组成，为了避免经典后处理过程中的强光信号对单光子水平的量子信号产生干扰，在大多数QKD设备中，量子信号往往单独占用一根光纤，而经典后处理过程在另一根光纤中进行。这就造成在量子保密通信组网过程中，需要重新铺设或者租用专门的光纤来完成QKD协议，增加了成本。
为了解决这个问题，有学者提出了在一根光纤中同时传输量子信号和经典信号的方案。截止目前，量子与经典信号共纤传输的主要方案包括波分复用、时分复用、空分复用等。其中，时分复用实现较为复杂，而空分复用共纤需要部署多模多芯光纤，实际应用很少。目前，基于波分复用的共纤传输技术最为成熟，应用也最为广泛。
当采用波分复用的量子-经典信号共纤传输方案时，在同一根光纤中传输的经典信号产生的拉曼散射噪声光、四波混频噪声光会对QKD设备的信噪比产生很大的影响，需要采取措施去减少这些噪声，在密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)系统中尤其需要考虑减噪措施。
公开号为CN109120400A、以及公告号为CN106487508B的中国专利，提到消除共纤传输时四波混频噪声对QKD系统影响的方案，这两个专利采用的是波长非等间隔方案，但是该方案改动了光通信标准DWDM系统的波长间隔标准，需要采用定制专用的波长非等间隔波分复用器，提高了方案的商用化难度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种量子-经典信号共纤传输型QKD系统发射装置，实现自动抑制由经典信号引起的四波混频噪声，方案易于实现，能够降低商用化难度。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种量子-经典信号共纤传输型QKD系统发射装置，包括量子信号激光器、同步信号激光器、经典信号激光器和波长复用器，所述量子信号激光器产生并输出量子光，所述同步信号激光器产生并输出同步光，所述经典信号激光器产生并输出经典光，其还包括偏振调节器，所述同步信号激光器和经典信号激光器的输出端均连接偏振调节器，所述偏振调节器的输出端和量子信号激光器的输出端均连接至波长复用器的输入端；所述偏振调节器用于调节所述同步光和经典光的偏振方向，使得接入所述波长复用器的同步光和经典光的偏振方向相同、且两者与所述量子光的偏振垂直。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述偏振调节器包括光环形器和法拉第旋转镜，所述光环形器的第一端口连接同步信号激光器或者经典信号激光器、其第二端口连接法拉第旋转镜、其第三端口连接所述波长复用器；接入所述第一端口的同步光或者经典光通过所述第三端口输出，所述法拉第旋转镜使得接入所述第一端口的光信号在出射时偏振方向旋转90度。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述光环形器具有两组，所述同步信号激光器和经典信号激光器的输出端分别接入两组光环形器。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述两组光环形器分体独立设置。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述两组光环形器合体组装在一起。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述法拉第旋转镜具有两组，所述两组法拉第旋转镜分别连接两组光环形器的第二端口。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述两组法拉第旋转镜分体独立设置。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述两组法拉第旋转镜合体组装在一起。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述量子信号激光器的输出端还接入有相位调制装置，所述相位调制装置包括分束器、相位调制器和合束器；所述相位调制器的输入端接入分束器，其输出端接入合束器，所述合束器的输出端接入波长复用器；所述量子信号激光器的输出端接入分束器。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述量子信号激光器的输出端还接入强度调制器，所述强度调制器的输出端接入所述分束器。
本发明的有益效果：
本发明的量子-经典信号共纤传输型QKD系统发射装置，波长复用器按照光通信标准波长间隔将量子光、同步光和经典光复用进一根光纤中。其中，使用偏振调节器调节同步光和经典光的偏振方向，使得接入波长复用器的同步光和经典光的偏振方向相同、且两者与量子光的偏振垂直，比如，量子信号激光器、同步信号激光器和经典信号激光器分别产生的量子光、同步光和经典光均为0度偏振，通过偏振调节器调节后，三束光的偏振方向分别是：量子光0度，同步光90度，经典光90度。根据四波混频效应，当两束泵浦光的偏振方向相同，且与信号光的偏振垂直时，由四波混频效应新产生的闲频光的强度最小为0；对应本申请中，同步光和经典光对应泵浦光，量子光对应信号光，三者经过偏振调节器后的偏振关系满足闲频光即噪声光强度最小的偏振条件。基于此，当经过波长复用器DWDM复用进一根光纤时，四波混频噪声被自动抑制，强度为0，不会降低QKD系统的信噪比。
附图说明
图1是本发明优选实施例中量子-经典信号共纤传输型QKD系统发射装置的结构框图。
图中标号说明：IM-强度调制器，PM-相位调制器，BS1-分束器，BS2-合束器，FM-法拉第旋转镜，CIR-光环形器，DWDM-波长复用器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例
本实施例公开一种量子-经典信号共纤传输型QKD系统发射装置，参照图1所示，其包括量子信号激光器、同步信号激光器、经典信号激光器、波长复用器DWDM和偏振调节器，上述量子信号激光器产生并输出量子光，上述同步信号激光器产生并输出同步光，上述经典信号激光器产生并输出经典光，上述同步信号激光器和经典信号激光器的输出端均连接偏振调节器，上述偏振调节器的输出端和量子信号激光器的输出端均连接至波长复用器DWDM的输入端；上述偏振调节器用于调节上述同步光和经典光的偏振方向，使得接入上述波长复用器DWDM的同步光和经典光的偏振方向相同、且两者与上述量子光的偏振垂直。比如，量子信号激光器、同步信号激光器和经典信号激光器分别产生的量子光、同步光和经典光均为0度偏振，通过偏振调节器调节后，三束光的偏振方向分别是：量子光0度，同步光90度，经典光90度。根据四波混频效应，当两束泵浦光的偏振方向相同，且与信号光的偏振垂直时，由四波混频效应新产生的闲频光的强度最小为0；对应本申请中，同步光和经典光对应泵浦光，量子光对应信号光，满足闲频光即噪声光强度最小的偏振条件。基于此，当经过波长复用器DWDM复用进一根光纤时，四波混频噪声被自动抑制，强度为0，不会降低QKD系统的信噪比。
本实施例技术方案中，参照图1所示，上述偏振调节器包括光环形器CIR和法拉第旋转镜FM，该光环形器CIR的作用是光只能沿图中箭头所示的方向传输。上述光环形器CIR的第一端口连接同步信号激光器或者经典信号激光器、其第二端口连接法拉第旋转镜FM、其第三端口连接上述波长复用器DWDM；接入上述第一端口的同步光或者经典光通过上述第三端口输出，上述法拉第旋转镜FM使得接入上述第一端口的光信号在出射时偏振方向旋转90度。
具体的，分别对应同步信号激光器或者经典信号激光器，上述光环形器CIR具有两组，上述同步信号激光器和经典信号激光器的输出端分别接入两组光环形器CIR的第一端口。上述法拉第旋转镜FM具有两组，上述两组法拉第旋转镜FM分别连接两组光环形器CIR的第二端口。
其中，两组光环形器CIR在本申请的第一种实现方案中，分体独立设置。在本申请的第二种实现方案中，上述两组光环形器CIR分合体组装在一起。
两组法拉第旋转镜在本申请的第一种实现方案中，分体独立设置。在本申请的第二种实现方案中，上述两组法拉第旋转镜合体组装在一起。
进一步的，上述量子信号激光器的输出端还接入有相位调制装置，上述相位调制装置包括分束器BS1、相位调制器PM和合束器BS2；上述相位调制器PM的输入端接入分束器BS1，其输出端接入合束器BS2，上述合束器BS2的输出端接入波长复用器DWDM；上述量子信号激光器的输出端接入分束器BS1。上述量子信号激光器产生并输出的量子光经分束器BS1分束后，部分光信号接入相位调制器PM，部分量子光信号接入合束器BS2，接入相位调制器PM的光信号经相位调制器PM调制相位后接入合束器BS2，由合束器BS2将量子信号激光器输出的量子光和经过相位调制后的光信号合束后接入波长复用器DWDM。通过相位调制装置调节量子光的相位满足四波混频的要求，提高四波混频的作用。
上述量子信号激光器的输出端还接入强度调制器IM，上述强度调制器IM的输出端接入上述分束器BS1。通过强度调制器IM调节量子光的强度，利于进一步提高四波混频的作用。
以上，本发明的量子-经典信号共纤传输型QKD系统发射装置，实现自动抑制由经典信号引起的四波混频噪声，方案易于实现，相较于采用定制专用的波长非等间隔波分复用器的现有技术，本申请技术方案利用现有通用化光器件实现，能够降低商用化难度
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种量子-经典信号共纤传输型QKD系统发射装置，包括量子信号激光器、同步信号激光器、经典信号激光器和波长复用器，所述量子信号激光器产生并输出量子光，所述同步信号激光器产生并输出同步光，所述经典信号激光器产生并输出经典光，其特征在于：其还包括偏振调节器，所述同步信号激光器和经典信号激光器的输出端均连接偏振调节器，所述偏振调节器的输出端和量子信号激光器的输出端均连接至波长复用器的输入端；所述偏振调节器用于调节所述同步光和经典光的偏振方向，使得接入所述波长复用器的同步光和经典光的偏振方向相同、且两者与所述量子光的偏振垂直。
2.如权利要求1所述的量子-经典信号共纤传输型QKD系统发射装置，其特征在于：所述偏振调节器包括光环形器和法拉第旋转镜，所述光环形器的第一端口连接同步信号激光器或者经典信号激光器、其第二端口连接法拉第旋转镜、其第三端口连接所述波长复用器；接入所述第一端口的同步光或者经典光通过所述第三端口输出，所述法拉第旋转镜使得接入所述第一端口的光信号在出射时偏振方向旋转90度。
3.如权利要求2所述的量子-经典信号共纤传输型QKD系统发射装置，其特征在于：所述光环形器具有两组，所述同步信号激光器和经典信号激光器的输出端分别接入两组光环形器。
4.如权利要求3所述的量子-经典信号共纤传输型QKD系统发射装置，其特征在于：所述两组光环形器分体独立设置。
5.如权利要求3所述的量子-经典信号共纤传输型QKD系统发射装置，其特征在于：所述两组光环形器合体组装在一起。
6.如权利要求2所述的量子-经典信号共纤传输型QKD系统发射装置，其特征在于：所述法拉第旋转镜具有两组，所述两组法拉第旋转镜分别连接两组光环形器的第二端口。
7.如权利要求6所述的量子-经典信号共纤传输型QKD系统发射装置，其特征在于：所述两组法拉第旋转镜分体独立设置。
8.如权利要求6所述的量子-经典信号共纤传输型QKD系统发射装置，其特征在于：所述两组法拉第旋转镜合体组装在一起。
9.如权利要求1-8任一项所述的量子-经典信号共纤传输型QKD系统发射装置，其特征在于：所述量子信号激光器的输出端还接入有相位调制装置，所述相位调制装置包括分束器、相位调制器和合束器；所述相位调制器的输入端接入分束器，其输出端接入合束器，所述合束器的输出端接入波长复用器；所述量子信号激光器的输出端接入分束器。
10.如权利要求9所述的量子-经典信号共纤传输型QKD系统发射装置，其特征在于：所述量子信号激光器的输出端还接入强度调制器，所述强度调制器的输出端接入所述分束器。
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