CN111492599A - 光数据传输系统 - Google Patents

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Abstract

一种光数据传输系统和方法，其用于在光发射机处：将第一波长的光数据信号转换到第二波长；在光路径上以第二波长将光数据信号发送到光接收机；并且在路径上以第一波长将包括单光子流的单光子信号发送到接收机。光路径被配置成承载不同波长的光信号，并且光路径使第一波长的信号衰减小于光路径使第二波长的信号衰减。该光数据传输系统和方法用于在接收机处：接收第一波长的单光子信号并且接收第二波长的光数据信号；以及将光数据信号转换到第一波长以用于检测。

Description

光数据传输系统
本发明总体涉及光通信并且涉及单光子(例如QKD)信号的传送。
通过使用一个或更多个加密密钥来加密数据，然后在相同的端点之间传输该密钥和加密数据，可以实现数据在光纤上的安全传输。数据传输可以经由完全不同的路径，并且甚至通过与密钥不同的传输介质。然而，通常有利的是，数据传输在与密钥传输相同的光纤上进行。不同的光波长将在商业上可用的光纤上经历不同水平的衰减，数据传输通常利用经历最低衰减的波长。
量子密钥分配(Quantum-key distribution，QKD)使用量子原理来建立传输密钥的完全安全方法。该技术依赖于调制单光子，然后通过光纤传输该单光子。在光纤上传输QKD流期间所经历的衰减减少到达接收机的光子的数量。光子被接收的速率确定了最终密钥速率，并且如果衰减太高，则QKD可能变得不能工作。
光纤上的数据传输通常利用1.5um光波段，因为损耗较低，并且光通信设备的供应商广泛地生产用于1.5um(微米)的数据传输的设备。例如，用于1.5um波长的光放大器(称为掺铒光纤放大器(EDFA：Erbium doped fibre amplifier))是广泛可用的。数据可以在光纤上通过多个波长同时被发送，所有波长都在1.5um光波段中，并且这被称为密集波分复用(DWDM：Dense Wavelength Division Multiplexing)。
在同一光纤上发送QKD密钥和数据的传统解决方案是在次佳选定波长(即1.3um)上传输QKD密钥，但是QKD密钥比数据对衰减更敏感。
另一种解决方案是使QKD密钥和数据都以1.5um被传输，并且采用先进的技术来限制干扰。这些先进的技术可以包括显著地降低数据信道功率电平，并且提供QKD信道的先进滤波，例如，接收机被选通以仅在预先分配的时隙中接受光子的时间滤波。然而，降低数据信道功率电平可能导致不可靠传输，而时间滤波已被证明难以在商业光网络中实现。
Jansen,S.L.(2006).Optical phase conjugation in fiber-optictransmission systems；Eindhoven:Technische Universiteit Eindhoven DOI:10.6100/IR610247描述了光相位共轭。
因此，在第一方面，本发明提供了一种光数据传输系统，该光数据传输系统包括：通过光路径连接的光发射机和光接收机，其中，光路径被配置成承载不同波长的光信号；其中，光路径使第一波长的信号衰减小于该光路径使第二波长的信号衰减。发射机被配置成将第一波长的光数据信号转换到第二波长，并且在光路径上以第二波长将光数据信号发送到接收机，并且发射机被配置成在光路径上以第一波长将包括单光子流的单光子信号发送到接收机。接收机被配置成接收第一波长的单光子信号并且接收第二波长的光数据信号，并且将该光数据信号转换到第一波长以用于检测。
以这种方式，与数据信号相比对衰减更敏感的单光子信号(诸如QKD键)在光路径上具有最佳衰减特性。本发明得到针对QKD系统的增加的范围和可靠性。
因此，在第二方面，本发明提供一种光数据传输方法，该光数据传输方法包括：在光发射机处，将第一波长的光数据信号转换到第二波长；在光路径上以第二波长将光数据信号发送到光接收机；以及在光路径上以第一波长将包括单光子流的单光子信号发送到接收机。光路径被配置成承载不同波长的光信号，并且光路径使第一波长的信号衰减小于该光路径使第二波长的信号衰减。该方法还包括：在接收机处，接收第一波长的单光子信号并且接收第二波长的光数据信号；以及将该光数据信号转换到第一波长以进行检测。
本发明的进一步细节在所附权利要求中阐述。
为了更好地理解本发明，现在将参考附图仅以示例方式描述本发明的实施方式，其中：
图1示意性地示出了示例性光发射机；
图2示意性地示出了示例性光中继器；
图3示意性地示出了示例性光接收机。
具体实施方式
现在描述在本发明的实施方式中如何使用光相位共轭来将数据传输从低损耗光传输波段(通常是1.5um C光波段)移位至另一光波段(例如L或O光波段)，从而释放C光波段用于QKD传输，这受益于在该光波段中光纤的较低损耗。与现有技术相比，这可以将QKD信号的传输距离提高大约50％，同时仍然支持可行的光数据传输。有利地，该技术可以在使用广泛可用的供应商设备的修改后的现有商业光网络中实现。特别地，传统DWDM设备可以用于以常规方式生成数据信号，然后通过使用光相位共轭对该数据信号进行波长移位，并且传统DWDM设备可以用于以常规方式检测已经经历了使用光相位共轭进行两次连续波长移位的数据信号。
根据实施方式，采用第一光相位共轭器将用于传输数据的光波长从1.5um移位到1.3um。然后，以1.3um发送数据，从而释放1.5um光波段用于传输QKD密钥。在接收机处，采用第二光相位共轭器OPC将数据移位回到1.5um以用于检测，由此允许使用标准光通信设备。
现在参考在1.5um处被移位到1.3um的数据信号来描述本发明的示例性实施方式。应当理解，根据具体应用、光路径特性等，可以使用其它波长。应当理解，这里提到特定光波长的信号扩展到对应光波段内的任何波长。第一光相位共轭器将1.5um的光数据信号与选定波长的高功率泵频信号混合，并且利用特定非线性光纤(OPC光纤)通过非线性处理(诸如，四波混合)生成新波长。结果是数据信号波长被转换到光谱的不同部分，从而空出了原始的光波段。根据实施方式，可以提供滤光器以从传输路径中移除1.5um的任何残留数据信号。另一个结果是数据信号光谱被反转，使得较高波长分量变成较低波长分量，反之亦然。
图1示出了位于光纤传输系统136的一端的光发射机100的细节。图中包括多个光谱窗口，以提供光信号的光谱在光路径中的各个点处的近似指示。如图1中的光谱窗口102所示，使用传统DWDM设备(转换器组110(即，光转换器的机架)、复用器112和EDFA114)在光纤116上生成1.5um的数据信号。1.5um光波段中的数据信号被馈送至光相位共轭器130，该光相位共轭器130反转数据光谱(如在光谱窗口106中示意性示出的)，从而将数据信号从1.5um移动到1.3um。根据实施方式，用于在光纤116a上生成1.5um的数据信号的传统DWDM设备(转换器组110(即，光转换器的机架)、复用器112和EDFA114)可以位于不同光节点(未示出)。在这种情况下，从不同光节点通过其它光路径(未示出)接收被馈送至光相位共轭器130的1.5um的数据信号。如在图1的光谱窗口104中示意性示出的，传统QKD设备120用于在光纤126上生成QKD信号(以虚线示出)，该QKD信号也是以1.5um生成的。1.3/1.5um复用器132将移位(1.3um)数据信号和原始(1.5um)QKD信号组合，以用于在光纤传输系统136上传输。在光谱窗口108中示出了组合的1.3um移位数据信号和1.5um QKD信号(虚线)。
图2示出了可以位于沿着光纤传输系统136的中间点处的可选中继器200的细节。如图2中示意性示出的，QKD信号和数据信号在1.3/1.5um解复用器210处被分离。QKD信号被发送到信任节点212，在信任节点212处重新生成该信号。重新生成包括：检测在输入光纤上接收到的光子流，并且在输出光纤上生成等效光子流。数据信号被发送到光放大器214以进行放大。由于EDFA在1.3um处没有增益，根据实施方式，光放大器214使用可用的不同技术，所述技术在1.3um处提供放大(例如，基于不同玻璃掺杂剂的放大器，诸如，镨掺杂的光纤放大器或拉曼放大)。最后，重新生成和放大的信号在1.3/1.5um复用器216处被重新组合以用于向前传输。
图3示出了光接收机300的细节，光接收机300可以位于光纤传输系统136上与发射机100相对的一端。如图3中的光谱窗口302示意性示出的(与图1中的光谱窗口108相比)，通过光纤传输系统136在1.3/1.5um解复用器310处接收组合的1.3um的移位数据信号和1.5um的QKD信号(再次以虚线示出)。1.3/1.5um解复用器310分离所接收的信号，并且将1.3um的移位数据信号(如在光谱窗口304中示意性示出的)发送到第二光相位共轭器312，在第二光相位共轭器312中，数据光谱被第二次反转(如在光谱窗口306中示意性示出的)，从而将数据信号从1.3um移动到1.5um。光相位共轭器312将新反转的数据光谱传递到用于检测1.5um的数据信号的传统DWDM设备(EDFA314、解复用器316和转换器组318)。1.3/1.5um解复用器310还将1.5um的QKD信号发送到QKD接收机320，在QKD接收机320处检测单光子。因此，可以在发送节点与接收节点之间实现完整QKD系统信令，例如，以共享QKD密钥。
本领域技术人员将理解，尽管已经关于上述示例性实施方式描述了本发明，但是本发明不限于此，并且存在落入本发明的范围内的许多可能变化和修改。本发明不限于任何特定波长或波段或任何特定光介质，而是可应用于损耗随波长变化的任何光介质。

Claims (8)

1.一种光数据传输系统，所述光数据传输系统包括通过光路径连接的光发射机和光接收机；
其中，所述光路径被配置为承载不同波长的光信号；其中，所述光路径使第一波长的信号衰减小于所述光路径使第二波长的信号衰减；
其中，所述发射机被配置为将所述第一波长的光数据信号转换到所述第二波长，并且在所述路径上以所述第二波长将所述光数据信号发送到所述接收机；
其中，所述发射机被配置为在所述路径上以所述第一波长将包括单光子流的单光子信号发送到所述接收机；
其中，所述接收机被配置为接收所述第一波长的所述单光子信号并且接收所述第二波长的所述光数据信号，并且将所述光数据信号转换到所述第一波长以用于检测。
2.根据权利要求1所述的光数据传输系统，其中，所述接收机包括光检测器，所述光检测器被配置成检测所述第一波长的所述光数据信号。
3.根据上述权利要求中任一项所述的光数据传输系统，其中，所述接收机被配置成检测所述第一波长的所述单光子信号。
4.根据上述权利要求中任一项所述的光数据传输系统，其中，所述光路径包括放大器，所述放大器被配置成放大所述第二波长的光信号。
5.根据上述权利要求中任一项所述的光数据传输系统，其中，所述第一波长在大约1.5um的波段中，并且所述第二波长在大约1.3um的波段中。
6.根据上述权利要求中任一项所述的光数据传输系统，其中，通过光相位共轭处理，所述发射机处的所述光数据信号的波长从所述第一波长移位到所述第二波长。
7.根据上述权利要求中任一项所述的光数据传输系统，其中，通过光相位共轭处理，所述接收机处的所述光数据信号的波长从所述第二波长移位到所述第一波长。
8.一种光数据传输方法，所述光数据传输方法包括以下步骤：在光发射机处，
将第一波长的光数据信号转换到第二波长；
在光路径上以所述第二波长将所述光数据信号发送到光接收机；以及
在所述路径上以所述第一波长将包括单光子流的单光子信号发送到所述接收机；
其中，所述光路径被配置为承载不同波长的光信号；其中，所述光路径使所述第一波长的信号衰减小于所述光路径使所述第二波长的信号衰减；
其中，所述方法还包括以下步骤：在所述接收机处，
接收所述第一波长的所述单光子信号并且接收所述第二波长的所述光数据信号；以及
将所述光数据信号转换到所述第一波长以用于检测。
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