CN114268421A - 一种用于单纤qkd系统同步信号传输的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于单纤QKD系统同步信号传输的方法，包括如下步骤：在Alice端以频率fsig发送量子信号、以频率fsync发送同步信号，当量子信号开始传输时Alice端对传输的同步信号的首位同步信号进行标定处理；Bob端的系统时钟由接收到的频率为fsync的同步信号经倍频后提供；同时对同步信号进行甄别，甄别标定处理的首位同步信号，然后将倍频后的同步信号时钟与当前量子信号对齐从而保证收发端的时钟同步。本发明采用基于同步光的脉冲宽度甄别技术实现用户间的时钟同步，极大的降低了设计复杂度，采用的同步光扫描机制提高了设备在不同公里数传输下的自适应性，同时采用在Bob端对同步信号倍频的方案，降低Alice端对同步信号的频率要求。
Description
技术领域
本发明涉及量子密钥分发领域，特别涉及一种用于单纤QKD系统同步信号传输的方法。
背景技术
量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)的安全性是基于量子力学的三条基本物理定律，而非计算复杂度，因此可实现通信的无条件安全。量子密钥分发的两个合法用户间通过量子信道传输的量子比特所携带的信息协商产生密钥，通过同步信道传输的同步光信号保障两个用户间的时钟严格同步。目前已有的QKD网络主要采用量子信道与同步信道单独铺设光纤的方式进行信号传输，但由于其存在施工周期长、成本高、维护复杂的问题，限制了量子保密通信的工程应用，因此将两根光纤合并为一根光纤即单纤传输的方法应运而生。但是由于光纤存在非线性的拉曼散射效应，同步信号在光纤传输中会产生宽带噪声，而量子光能量非常微弱并且易于受到其他光信号的影响，因此同步光会对量子光产生较大的影响，进而影响QKD的安全成码率。针对这一问题，如何将同步光和单光子水平的量子光融合在一根光纤中传输即合纤传输已经成为QKD系统中一重要技术。
在现有的QKD系统中，大多采用基于波分复用技术来实现量子信道与同步信道的合纤传输，该方案基本组成如图1所示，包含处理器、激光器、光路复用、光路解复用以及探测器模块。处理器的选择以现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)或中央处理器(Central Processing Unit,CPU)为主，完成对QKD系统发送端(Alice端)和接收端(Bob端)的控制及数据通信。量子光激光器通过量子光激光器驱动模块与Alice端处理器相连，同步光激光器通过同步光激光器驱动模块与Alice端处理器相连，量子光和同步光经由波分复用器实现光路复用，通过单纤传输至Bob端，Bob端再通过波分复用器实现光路解复用将同步光和量子光分离，送至对应的探测器进行甄别及探测，探测结果输出至Bob端处理器进行分析处理。
然而，现有的技术方案存在如下问题：为降低同步信号对量子光的影响，对器件要求非常高，且为保障用户间的时钟严格同步，在对同步光到达接收端后的处理非常复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于单纤QKD系统同步信号传输的方法，通过对同步信号、量子信号进行调节处理从而减少共纤传输中同步光对量子光的干扰，从而降低器件要求，提高设备可靠性。采用基于同步光的脉冲宽度甄别技术实现用户间的时钟同步，极大的降低了设计复杂度，采用的同步光扫描机制提高了设备在不同公里数传输下的自适应性，同时采用在Bob端对同步信号倍频的方案，降低Alice端对同步信号的频率要求，减小共纤传输中同步光对量子光的干扰，从而降低器件要求，提高设备可靠性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种用于单纤QKD系统同步信号传输的方法，包括如下步骤：
在Alice端以频率fsig发送量子信号、以频率fsync发送同步信号，当量子信号开始传输时Alice端对传输的同步信号的首位同步信号进行标定处理；Bob端的系统时钟由接收到的频率为fsync的同步信号经倍频后提供；同时对同步信号进行甄别，甄别标定处理的首位同步信号，然后将倍频后的同步信号时钟与当前量子信号对齐从而保证收发端的时钟同步。
发送量子信号的频率fsig大于发送同步信号的频率fsync。
发送同步信号的频率fsync经过倍频后的信号频率与量子信号同频。
Alice端对传输的同步信号的首位同步信号进行标定处理包括进行光脉冲宽度进行调节或对光信号强度进行调节。
进行光脉冲宽度进行调节包括：Alice端控制首位同步信号的光脉冲宽度为τ1，后续同步信号宽度为τ2，在甄别时对脉冲宽度进行甄别检测来确定首位同步信号。
首位同步信号的光脉冲宽度为τ1大于后续同步信号宽度为τ2。
对光信号强度进行调节包括Alice端通过脉冲宽度、脉冲幅度等方式控制首位同步信号的光信号强度为P1，后续同步信号的光信号强度为P2，在Bob端在甄别时对光信号强度进行检测来检测对应的首位同步信号。
首位同步信号的光信号强度为P1大于后续同步信号的光信号强度为P2。
采用光脉冲宽度进行调节首位同步信号的传输时，在进行传输前进行同步信号的脉冲宽度扫描以确保Bob端能够正常接收到同步光信号。
采用光信号强度进行调节首位同步信号的传输时，在进行传输前进行同步光EVOA衰减值扫描以确保Bob端能够正常接收到同步光信号。
本发明的优点在于：采用基于同步光的脉冲宽度甄别技术实现用户间的时钟同步，极大的降低了设计复杂度，采用的同步光扫描机制提高了设备在不同公里数传输下的自适应性，同时采用在Bob端对同步信号倍频的方案，降低Alice端对同步信号的频率要求，减小共纤传输中同步光对量子光的干扰，从而降低器件要求，提高设备可靠性。
附图说明
下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为现有技术的波分复用技术来实现量子信道与同步信道的合纤传输原理示意图；
图2为本发明基于脉宽调节的时钟时序示意图；
图3为本发明雪崩光电二极管原理示意图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明提出一种用于单纤QKD系统同步信号传输的方法，采用基于同步光的脉冲宽度甄别技术实现用户间的时钟同步，极大的降低了设计复杂度，采用的同步光扫描机制提高了设备在不同公里数传输下的自适应性，同时采用在Bob端对同步信号倍频的方案，降低Alice端对同步信号的频率要求，减小共纤传输中同步光对量子光的干扰，从而降低器件要求，提高设备可靠性。
单纤QKD系统同步信号传输的方法具体步骤为：Alice端以频率fsig发送量子信号、以频率fsync发送同步信号，当量子信号开始传输时，Alice端控制首位同步信号的光脉冲宽度为τ1，后续同步信号宽度为τ2，为降低同步信号对量子信号的干扰，优选的fsig大于fsync，τ1大于τ2；Bob端的系统时钟由接收到的频率为fsync的同步信号经倍频后提供，优选的倍频后的信号频率与量子信号同频，即fsig。同时Bob端采用雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode,APD)搭配跨阻放大器(Transimpedance Amplifier,TIA)和限幅放大器(Limiting Amplifier,LA)对接收到的同步信号脉宽进行甄别，当检测到正确的脉宽变化时将倍频后的时钟与当前量子信号对齐，从而保证收发双方设备的时钟同步。
Alice端控制同步信号的光强，Bob端进行强度检测可以达到相同的效果。Alice端通过脉冲宽度、脉冲幅度等方式控制首位同步信号的光信号强度为P1，后续同步信号的光信号强度为P2，为降低同步信号对量子信号的干扰，优选的P1大于P2；Bob端采用PIN光电二极管搭配宽带低噪放大器对接收到的同步光信号进行强度探测放大以及甄别，当检测到正确的光强变化时将倍频后的时钟与当前量子信号对齐，从而保证收发双方设备的时钟同步。
本发明提供一种用于单纤QKD系统同步信号传输方法的实施例，系统硬件包括：Alice端处理器、量子光与同步光发光模块、可调衰减模块、信号复用模块、光纤链路、信号解复用模块、量子光与同步光探测模块、Bob端处理器。其中可调衰减模块优选的核心器件为电控可调衰减器(Electrically controlled adjustable attenuator,EVOA)，在量子光和同步光复用之前实现对量子光和同步光光强的单独调节。具体方案包括如下：
实施方案1
在系统进行密钥传输前首先进行同步信号的脉冲宽度扫描，以确保Bob端能够正常接收到同步光信号。同步信号脉冲宽度扫描的具体过程如下：Alice端连续发送数量为N、脉冲宽度为τ2的同步光，同步光EVOA衰减值设定为初始值Att1。Bob端对接收到的同步光信号进行脉宽甄别，若接收到的同步光脉宽也为τ2则认为脉宽符合预期，若N个同步光中脉冲宽度符合预期的数量达标，则同步光EVOA衰减值扫描成功；若数量不达标，则依据甄别到的同步光脉宽反馈调节同步光EVOA衰减值的大小重新进行N个脉冲的脉宽甄别。基于此工作原理，本发明提出的传输方法可通过自动扫描适应不同的传输距离。
同步信号的脉冲宽度扫描完成后QKD系统开始进行收发双方的时序对齐，收发双方时序对齐具体过程如下：
1)Alice端处理器通过量子光驱动电路控制量子光激光器以频率fsig发送量子光信号、通过同步光驱动电路控制同步光激光器以频率fsync发送同步光信号；
2)Alice端处理器输出一个脉冲宽度较宽的同步光触发电信号，通过同步光驱动电路控制同步光激光器发出一个脉冲宽度为τ1的同步光信号，标识当前位置开始传输量子光信号，量子光信号脉冲宽度恒定为τ3，后续同步光信号宽度保持为τ2；
3)Bob端处理器接收到探测输出的同步光信号，甄别探测输出的同步光信号脉冲宽度的同时对该信号进行整形、倍频，整形电路可以通过由D触发器构成的二分频电路等方式实现，整形后的同步探测输出信号通过超低抖动的时钟分配器进行倍频。为了使系统获得更好的相位噪声及抖动性能，时钟分配器可以通过压控振荡器和相位比较器相互连接构成的一种反馈系统实现，使得振荡器可以相对于参考信号维持恒定的相位角度，从而将固定的低频信号生成稳定的高频信号，优选的将接收到的频率为fsync的同步信号倍频至fsig，即与量子信号同频；
4)当甄别到宽度为τ1的同步光信号时，通过延时单元调整倍频后的高速同步信号与接收到的量子信号的相对延时，实现接收端同步信号与量子信号的对齐，且由于倍频后的高速同步信号与量子信号同频，时序上可以做到一一对应，实现收发双方的时钟同步、时序对齐，其时序如图2所示。
基于此工作原理，本发明提出的传输方法可将同步信号频率降至非常低的水平，由此可以降低单纤QKD系统中为降低同步光对量子光信号的影响而对同步光的滤波等方面的设计难度及精度的要求。
本发明同时提供一种同步信号脉宽甄别方法的实施例，具体过程如下：
1)首先使用雪崩光电二极管将接收到的光信号转换为电流信号；
2)其次经过跨阻放大器将电流转换为模拟电压信号，跨阻放大器具有超低噪声的优点，搭配自动增益控制(Automatic Gain Control,AGC)放大器即可实现根据输出信号水平自调整的增益控制，自动增益控制也可通过一个反馈电阻实现，阻抗大小的设置取决于输出信号的水平，从而保证输出不会饱和；
3)最后经过限幅放大器将不同光强下的同步光信号还原为不同的脉宽输出，限幅放大器具有超低时间抖动的优点，当输入信号高于其特定阈值时，限幅放大器将工作在非线性区(即限幅区)，不再对输入信号线性放大而是展宽，由于输出信号的上升时间极短且摆幅基本保持不变，这时信号便类似于一个数字信号，便于系统对该信号宽度的判断。设计框图如图3所示，本实施例中雪崩光电二极管也可使用高速率的PIN光电二极管进行替代。
实施方案2
将实施方案1中的同步光的脉冲宽度检测替换为同步光的光强强度检测可以达到相同的效果，具体实施方式如下。
Alice端连续发送数量为N、光强强度为P2的同步光，同步光EVOA衰减值设定为初始值Att1。Bob端对接收到的同步光信号进行强度探测，若接收到的同步光强度也为P2则认为强度符合预期，若N个同步光中光强强度符合预期的数量达标，则同步光EVOA衰减值扫描成功；若数量不达标，则依据探测到的同步光强度反馈调节同步光EVOA衰减值的大小重新进行强度检测。
同步光EVOA衰减确定后进行收发双方的时序对齐，Alice端处理器通过改变同步光触发信号的脉冲宽度或通过同步光驱动电路改变同步光驱动信号的脉冲幅度，控制同步光激光器发出一个光强光度为P1的同步光信号，标识当前位置开始传输量子光信号，为降低同步信号对量子信号的干扰，优选的P1大于P2。Bob端采用PIN光电二极管搭配放大器对接收到的同步光信号进行强度探测放大以及甄别，由于同步光信号脉冲窄、光强低，因此所选择的放大器需要满足频带宽、噪声小的特性，优选的为宽带低噪放大器。当Bob端处理器检测到正确的光强变化时将同步光探测输出倍频后的高频信号与当前量子信号对齐，从而保证收发双方设备的时钟同步以及时序对齐。
显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于单纤QKD系统同步信号传输的方法，其特征在于：包括如下步骤：
在Alice端以频率fsig发送量子信号、以频率fsync发送同步信号，当量子信号开始传输时Alice端对传输的同步信号的首位同步信号进行标定处理；Bob端的系统时钟由接收到的频率为fsync的同步信号经倍频后提供；同时对同步信号进行甄别，甄别标定处理的首位同步信号，然后将倍频后的同步信号时钟与当前量子信号对齐从而保证收发端的时钟同步。
2.如权利要求1所述的一种用于单纤QKD系统同步信号传输的方法，其特征在于：发送量子信号的频率fsig大于发送同步信号的频率fsync。
3.如权利要求1或2所述的一种用于单纤QKD系统同步信号传输的方法，其特征在于：发送同步信号的频率fsync经过倍频后的信号频率与量子信号同频。
4.如权利要求1或2所述的一种用于单纤QKD系统同步信号传输的方法，其特征在于：Alice端对传输的同步信号的首位同步信号进行标定处理包括进行光脉冲宽度进行调节或对光信号强度进行调节。
5.如权利要求4所述的一种用于单纤QKD系统同步信号传输的方法，其特征在于：进行光脉冲宽度进行调节包括：Alice端控制首位同步信号的光脉冲宽度为τ1，后续同步信号宽度为τ2，在甄别时对脉冲宽度进行甄别检测来确定首位同步信号。
6.如权利要求5所述的一种用于单纤QKD系统同步信号传输的方法，其特征在于：首位同步信号的光脉冲宽度为τ1大于后续同步信号宽度为τ2。
7.如权利要求4所述的一种用于单纤QKD系统同步信号传输的方法，其特征在于：对光信号强度进行调节包括Alice端通过脉冲宽度、脉冲幅度等方式控制首位同步信号的光信号强度为P1，后续同步信号的光信号强度为P2，在Bob端在甄别时对光信号强度进行检测来检测对应的首位同步信号。
8.如权利要求7所述的一种用于单纤QKD系统同步信号传输的方法，其特征在于：首位同步信号的光信号强度为P1大于后续同步信号的光信号强度为P2。
9.如权利要求4所述的一种用于单纤QKD系统同步信号传输的方法，其特征在于：采用光脉冲宽度进行调节首位同步信号的传输时，在进行传输前进行同步信号的脉冲宽度扫描以确保Bob端能够正常接收到同步光信号。
10.如权利要求4所述的一种用于单纤QKD系统同步信号传输的方法，其特征在于：
采用光信号强度进行调节首位同步信号的传输时，在进行传输前进行同步光EVOA衰减值扫描以确保Bob端能够正常接收到同步光信号。
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