CN114024647A - 一种中短距离量子保密通信的波长配置方法 - Google Patents

一种中短距离量子保密通信的波长配置方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中短距离量子保密通信的波长配置方法，该配置方法是将量子光波长配置在C波段或L波段，将经典光波长配置在O波段或L波段，波长是CWDM的常规波长，此方案可大大节约相关器件的成本，且拉曼噪声较小。该些种组合极其适合量子密钥分发系统在城域网环境下和单个波长(10Gbps单波)或者多个波长(4x10Gbps)共纤波分混传的场景，适合在距离在40km以内的跨段，且经典光波长配置的O波段业务光速率达到单波长10Gbps或25Gbps时使用，如果业务光速率变低，则混传距离也会相应变长。

Description

一种中短距离量子保密通信的波长配置方法
技术领域
本发明涉及信息传输技术领域，特别涉及一种中短距离量子保密通信的波长配置方法。
背景技术
为了有效的解决信息安全问题，通过既定的协议来编码，发送和测量量子态的方法实现信息理论安全的密钥分发过程，量子密钥分配（Quantum Key Distribution，简称QKD）应运而生，随之而来的便是结合量子密钥分发和对称密码技术的安全通信，即量子保密通信（Quantum-Secured Communication）。
对于典型的QKD系统来说，一般需要用到专用的暗光纤来进行量子信道和同步信道的传输，然而在城域网环境下，距离基本为中短距离10Km-100Km内，且城域网光纤资源紧缺，所以在原有光纤的网络基础上，采用波分复用（Wavelength Division Multiplexing，简称WDM）技术，可以将量子信道，同步信道，甚至传输传统业务的经典信道全部集合组成量子-经典混合光网络。
WDM是将两种或多种不同波长的光信号，在发射端通过复用器（Multiplexer）汇集到一起，在单根光纤中进行传输，随后在接收端通过解复用器（Demultiplexer）将不同波长的光信号分离，并做进一步处理以恢复原信号。
现有的光纤通信波段分成O，E，S，C，L这几种波段，其中O波段的波长为1260-1360nm，E波段的波长为1360-1460nm，S波段的波长为1460-1530nm，C波段的波长为1530-1565nm，L波段的波长为1565-1625nm。与此同时，由ITU-T（国际通信联盟通信标准分局）所指定的G694.2标准中，规定了粗波分复用（Coarse Wavelength Division Multiplexing，简称CWDM）的标准波长，从1270nm到1610nm，信道间隔为20nm，其相关产业链比较成熟，并且有着较低的成本。
在量子保密通信中，为了能够在波分混传的条件下更加有效地传输量子光信号，研究如何抑制同步光信号和经典光信号对量子光信号产生的影响便成为了重点。由于同步光信号和经典光信号的功率比量子光信号的功率要强许多，抑制同步光信号和经典光信号的发射功率是其中一个要点，在这一方面已有相关的研究，（已授权专利CN208209964U-一种经典光强自调节量子信号与经典信号复用的传输系统）。另一方面，选择适用于与量子光信号波分混传的经典光波长，也是其中的另一个要点。
在光纤中，主要会影响到量子光信号的是由其他信号所产生的拉曼噪声，拉曼噪声是泵浦光子与光学声子发生非弹性散射时产生的，产生的散射光子波长小于或大于泵浦光。因此，选择的经典光信号和同步光信号的波长需要在量子光波长上产生最小的拉曼噪声是目前急需要解决的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种中短距离量子保密通信的波长配置方法，以使选择的经典光信号和同步光信号的波长在量子光波长上产生最小拉曼噪声的有益效果。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种中短距离量子保密通信的波长配置方法，包括以下步骤：
a、量子光选择：量子光选择插损低的C波段；
b、经典光选择：
b1、计算光纤出口处功率为
Figure 543188DEST_PATH_IMAGE001
的正向经典信号，在长度为L的光纤中，产生的拉曼散射强度，拉曼散射强度可由如下公式表示：
Figure 624277DEST_PATH_IMAGE002
……………………………………公式（1）
其中
Figure 771224DEST_PATH_IMAGE003
为拉曼散射因子，
Figure 595961DEST_PATH_IMAGE004
为量子光波长，
Figure 308702DEST_PATH_IMAGE005
为经典光波长，
Figure 232796DEST_PATH_IMAGE006
为量子信道滤波带宽，
Figure 680089DEST_PATH_IMAGE007
为量子光的衰减系数，
Figure 980620DEST_PATH_IMAGE008
为经典光的衰减系数，
b2、计算光纤出口处功率为
Figure 79026DEST_PATH_IMAGE001
的背向经典信号，在长度为L的光纤中，产生的拉曼散射强度可由如下公式表示：
Figure 174021DEST_PATH_IMAGE009
………………………………………公式（2）
其中
Figure 357878DEST_PATH_IMAGE010
为拉曼散射因子，
Figure 462100DEST_PATH_IMAGE011
为量子光波长，
Figure 149433DEST_PATH_IMAGE012
为经典光波长，
Figure 680909DEST_PATH_IMAGE013
为量子信道滤波带宽，
Figure 837215DEST_PATH_IMAGE014
为量子光的衰减系数，
Figure 745128DEST_PATH_IMAGE015
为经典光的衰减系数，
b3、由公式（1）和（2）的公式得到，在相同条件下，计算出拉曼散射强度与光纤出口处的经典光功率成正比，得出经典光选择波长最短的O波段，O波段为经典光的选择区段；
c、同步光选择：同步光为周期信号光，对于波长选择可为O、E、S、C、L任一波段中。
优选地，步骤b中，将O、E、S、C、L各波段进行波长间隔为20nm的选取同时去除光纤水峰，分别得到1270nm、1290 nm、1310 nm、1330 nm、1570 nm、1590 nm以及1610 nm的波长。
优选地，所述量子光选择C波段1550.12nm，经典光波长使用O波段CWDM中波长1270nm和/或1290nm。
优选地，若是通信双方是双纤双向方式，正向经典光波长以及反向经典光波长均使用1270nm，若是通信双方是单纤双向方式，则正向经典光波长使用1290nm、反向经典光波长使用1270nm。
优选地，所述同步光使用L波段的1610nm。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
本发明的中短距离量子保密通信的波长配置方法，将量子光波长配置在C波段或L波段，将经典光波长配置在O波段或L波段，波长是CWDM的常规波长，此方案可大大节约相关器件的成本，且拉曼噪声较小。该些组合极其适合量子密钥分发系统在城域网环境下和单个波长(10Gbps单波)或者多个波长(4x10Gbps)共纤波分混传的场景，适合在距离在40km左右的跨段，且经典光波长配置的O波段业务光速率达到单波长10Gbps或25Gbps时使用，如果业务光速率变低，则混传距离也会相应变长。
附图说明
图1为不同波长正向拉曼散射对比图
图2为不同波长背向拉曼散射对比图；
图3为双纤双向光路示意图；
图4为双纤双向场景1270 10G共纤传输成码率及误码率实测图；
图5为单纤双向光路示意图；
图6为COOL方案单纤双向共纤传输成码率及误码率实测图。
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。
本发明的配置方法为将量子光信号、同步光信号和经典光信号在中短距离情况下通过一根光纤进行混传，降低量子光信号所受到的影响。
量子光信号、同步光信号与经典光信号的混传，可视为一个弱光波长（量子光）与多个强光（同步光与经典光）波长的混传波长配置问题，在此配置方案中，量子光（弱光）可选择C波段，对于同步光（强光）不做要求，经典光（强光）可选择O波段或L波段。
该配置方案将QKD的量子波长放置在C波段的原因，因为对于常规的G652D和G654E光纤来说，C波段的插损较低，使得量子信号能够传输更远的距离，或在相同的距离下有更高的成码率。
经典信号功率较高，会在量子信道上产生噪声，使得量子信号的误码率升高。其主要影响是由经典信号在传输过程中产生的拉曼散射造成的。
通信双方光纤出口处功率为
Figure 552547DEST_PATH_IMAGE016
的正向经典信号，在长度为L的光纤中，产生的拉曼散射强度可由如下公式表示：
Figure 254923DEST_PATH_IMAGE017
………………………………………公式（1）
其中
Figure 147793DEST_PATH_IMAGE018
为拉曼散射因子，
Figure 593818DEST_PATH_IMAGE019
为量子光波长，
Figure 255743DEST_PATH_IMAGE020
为经典光波长，
Figure 129022DEST_PATH_IMAGE021
为量子信道滤波带宽。
Figure 256990DEST_PATH_IMAGE022
为量子光的衰减系数，
Figure 37864DEST_PATH_IMAGE023
为经典光的衰减系数。
通信双方光纤出口处功率为
Figure 757559DEST_PATH_IMAGE024
的背向经典信号，在长度为L的光纤中，产生的拉曼散射强度可由如下公式表示：
Figure 864055DEST_PATH_IMAGE025
………………………………………公式（2）
其中
Figure 669200DEST_PATH_IMAGE026
为拉曼散射因子，
Figure 519344DEST_PATH_IMAGE027
为量子光波长，
Figure 93545DEST_PATH_IMAGE028
为经典光波长，
Figure 856096DEST_PATH_IMAGE029
为量子信道滤波带宽。
Figure 945274DEST_PATH_IMAGE030
为量子光的衰减系数，
Figure 536793DEST_PATH_IMAGE031
为经典光的衰减系数。
由公式（1）和（2）的公式可知，在相同条件下，拉曼散射强度与光纤出口处的经典光功率成正比。因此降低光纤出口处的经典光功率可以有效降低拉曼散射强度。
ITU-CWDM标准波长为1270nm~1610nm，波长间隔为20nm，共18波。1270nm和1290nm为其中的两个波长。作为ITU-CWDM的标准波长，其合分波器件为标准器件，器件成本较低，技术成熟，性能稳定。
由于有些光纤存在水峰（1360-1460nm），且在水峰范围内光信号的损耗很大，所以优先选择1270nm、1290 nm、1310 nm、1330 nm、1570 nm、1590 nm以及1610 nm作为经典光。
图1是在90km以内，其他条件相同的情况下，1270nm和1290nm的经典光，在1550nm信道上产生的正向拉曼散射计数比其他几个经典光产生的拉曼散射强度要低。
图2是在80km以内，其他条件相同的情况下，1270nm和1290nm的经典光，在1550nm信道上产生的背向拉曼散射计数比其他几个经典光产生的拉曼散射强度要低。
以下方案为其中两个实施例：
在波长选择上，量子光选择C波段1550.12nm，经典光波长使用O波段CWDM中波长最短的1270nm和1290nm，如果是双纤双向，则使用1270nm，如果是单纤双向，则可使用正向1290nm，反向1270nm。同步光使用L波段1610nm。
实施例一，图3是双纤双向光路示意图，正向经典光以及反向经典光使用均使用1270nm；图4是双纤双向方案在实验室G652D光纤实测后的结果。
当业务光以10Gbps速率传输，在40km以内，双纤双向混传方案相对于不混传的方案，误码率升高极少，成码率下降极少。在50km时，双纤双向混传方案相对于不混传的方案，误码率稍有升高，成码率下降仍可接受。因此该方案在40km内具有极大的优势，其性能较采用其他波长进行混传的方案有较大的提升。
实施例二，图5是单纤双向光路示意图，正向经典光使用1290nm，反向经典光使用1270nm；图6是单纤双向方案在实验室G652D光纤实测后的结果。
当业务光以100Mbps速率传输，在70km以内，COOL混传方案相对于不混传的方案，误码率升高极少，成码率下降极少。在80km时，COOL混传方案相对于不混传的方案，误码率稍有升高，成码率下降仍可接受。因此该方案在80km内具有极大的优势，其性能较采用其他波长进行混传的方案有较大的提升。
综合本发明的中短距离量子保密通信的波长配置方法的原理可知，本发明将量子光波长配置在C波段或L波段，将经典光波长配置在O波段或L波段，波长是CWDM的常规波长，此方案可大大节约相关器件的成本，且拉曼噪声较小。该些种组合极其适合量子密钥分发系统在城域网环境下和单个波长(10Gbps单波)或者多个波长(4x10Gbps)共纤波分混传的场景，适合在距离在40km以内的跨段，且经典光波长配置的O波段业务光速率达到单波长10Gbps或25Gbps时使用，如果业务光速率变低，则混传距离也会相应变长。

Claims (5)

1.一种中短距离量子保密通信的波长配置方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、量子光选择：量子光选择插损低的C波段；
b、经典光选择：
b1、计算光纤出口处功率为
Figure 415132DEST_PATH_IMAGE001
的正向经典信号，在长度为L的光纤中，产生的拉曼散射强度，拉曼散射强度可由如下公式表示：
Figure 484719DEST_PATH_IMAGE002
……………………………………公式（1）
其中
Figure 10378DEST_PATH_IMAGE003
为拉曼散射因子，
Figure 823613DEST_PATH_IMAGE004
为量子光波长，
Figure 869061DEST_PATH_IMAGE005
为经典光波长，
Figure 375129DEST_PATH_IMAGE006
为量子信道滤波带宽，
Figure 122505DEST_PATH_IMAGE007
为量子光的衰减系数，
Figure 739431DEST_PATH_IMAGE008
为经典光的衰减系数，
b2、计算光纤出口处功率为
Figure 888653DEST_PATH_IMAGE001
的背向经典信号，在长度为L的光纤中，产生的拉曼散射强度可由如下公式表示：
Figure 565621DEST_PATH_IMAGE009
………………………………………公式（2）
其中
Figure 800294DEST_PATH_IMAGE010
为拉曼散射因子，
Figure 955332DEST_PATH_IMAGE011
为量子光波长，
Figure 975371DEST_PATH_IMAGE012
为经典光波长，
Figure 823242DEST_PATH_IMAGE013
为量子信道滤波带宽，
Figure 279631DEST_PATH_IMAGE014
为量子光的衰减系数，
Figure 300676DEST_PATH_IMAGE015
为经典光的衰减系数，
b3、由公式（1）和（2）的公式得到，在相同条件下，计算出拉曼散射强度与光纤出口处的经典光功率成正比，得出经典光选择波长最短的O波段，O波段为经典光的选择区段；
c、同步光选择：同步光为周期信号光，波长选择可为O、E、S、C、L任一波段中。
2.如权利要求1所述的中短距离量子保密通信的波长配置方法，其特征在于，步骤b中，将O、E、S、C、L各波段进行波长间隔为20nm的选取同时去除光纤水峰，分别得到1270nm、1290nm、1310 nm、1330 nm、1570 nm、1590 nm以及1610 nm的波长。
3.如权利要求2所述的中短距离量子保密通信的波长配置方法，其特征在于，所述量子光选择C波段1550.12nm，经典光波长使用O波段CWDM中波长1270nm和/或1290nm。
4.如权利要求3所述的中短距离量子保密通信的波长配置方法，其特征在于，若是通信双方是双纤双向方式，正向经典光波长以及反向经典光波长均使用1270nm，若是通信双方是单纤双向方式，则正向经典光波长使用1290nm、反向经典光波长使用1270nm。
5.如权利要求1-4任一项所述的中短距离量子保密通信的波长配置方法，其特征在于，所述同步光使用L波段的1610nm。
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