CN114531226B - 一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环QKD系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于时分‑模分复用的多用户sagnac环QKD系统及方法，包括Alice端、量子与经典融合链路以及多用户Bob端；多用户Bob端由激光器产生处于基模的光信号，通过模式转换器MC和光开关OS，在时分复用的方式下以不同的模式进入sagnac环；根据在Alice端处的相位调制器PMA与多用户Bob端的PMB1‑PMBn对量子信号调制产生的干涉时的相位差，可以得到Alice向多用户Bob传输的信息。本发明所使用的光纤为少模‑多芯光纤，以时分‑模分复用的方式，能够极大地增加基于sagnac环的QKD系统的原始传输码率，并且增大量子与经典融合通道中的传输容量；采用多用户Bob端的方式，使得每一个Bob端的用户仅需要提供自己的相位调制器而共用其他器件与链路，极大地减少了系统的成本。
Description
技术领域
本发明涉及量子通信网络领域，具体涉及一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环QKD系统及方法。
背景技术
量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)系统是以量子态作为传输载体，通过相关的编码方式，来实现发送方与接收方之间的信息传递。目前采用的编码方案包括相位编码、偏振编码、纠缠态以及连续变量等方式。由于单独铺设一条量子通信的链路所需的成本较为昂贵，为了节约成本，目前通常所采用的方法为将量子通信网络融入到现有的经典通信网络中，使得量子信号与经典信号共用同一条光纤进行传输。
相位编码方案是利用光子所携带的相位信息进行编码，通过干涉结果来得到不同的量子信息，在光纤中传输较为稳定，受到了广泛的重视。使用sagnac环的方式来实现相位编码方案，能够利用法拉第反射镜实现自动补偿信道中的偏振变化，无需额外提供补偿装置，抗干扰性能好，结构简单，易于实现。
随着光纤通信技术的快速发展，光纤通信所需的传输容量不断增加，目前的传输技术已经接近理论阈值。为了进一步的增加光纤的通信容量，空分复用便是目前常用的方法之一。因此，少模-多芯光纤有望成为克服当前光纤通信系统容量的理想选择。在传统的基于sagnac环的QKD系统中，由于Alice端使用的基于法拉第旋转镜的单条链路，并且衰减器放置在Alice端，使得衰减后的弱量子信号与未衰减前强光信号会在光纤链路上相遇，这时强光信号的反向瑞利散射就会对量子信号造成很大的干扰，导致无码。目前常采用的方法是Bob端发送脉冲序列并在Alice端加入一段足够长的延迟线，使得衰减后的量子信号都停留在延迟线上，等到没有强光信号抵达Alice后，量子信号才返回Bob端，之后才发送下一脉冲序列，这种方法会虽然降低了误码率，但是降低了重复频率，导致传输码率的大大降低。
“现有专利：(CN105049195B)提出了一种基于sagnac环的多用户QKD网络系统及其密钥分发方法，实现了一对N的多用户传输。但是该方法未考虑衰减后的量子信号与强光信号相遇时，强光信号的反向瑞利散射对量子信号造成干扰的问题。并且所采用的是单模光纤传输，系统的传输容量受限。”
“现有专利：(CN205912068U)提出了一种基于sagnac环的相位调制偏振编码的QKD系统，稳定性好、结构简单、成本低。但是该系统是一对一的系统，在实际中使用成本较高，并且采用的是单模光纤进行传输，在量子与经典融合系统中，不利于传输容量的增加。”
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环QKD系统及方法；本发明所使用的光纤为少模-多芯光纤，以时分-模分复用的方式，相比传统基于sagnac环的QKD系统，能够极大地增加传输码率，并且提高量子与经典融合通道的传输容量；本发明采用电控的光延迟线VODL，能够使得Alice端的相位调制器PMA与多用户Bob端的相位调制器PMB1-PMBn自动调制不同的两路光脉冲，避免因其他因素造成的调制信号与光脉冲不对齐的情况；本发明采用多用户Bob端的方式，使得每一个Bob端的用户仅需要提供自己的相位调制器而共用其他器件与链路，极大地降低了系统的成本。
为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环QKD系统，包括依次连接的Alice端，量子与经典融合链路以及多用户Bob端；
所述Alice端包括可变光衰减器VOA、可变光延迟线VODL、相位调制器PMA、法拉第旋转镜FM、信号发生器Signal1；所述可变光衰减器VOA、可变光延迟线VODL、相位调制器PMA和法拉第旋转镜FM依次连接；所述信号发生器Signal1与所述可变光延迟线VODL和相位调制器PMA连接；
所述多用户Bob端包括激光器LD、光隔离器ISO、时分复用模块、光环形器OC、单光子探测器D1、单光子探测器D2、耦合器BS3、法拉第旋转器FR、多用户复用模块、偏振分束器PBS；所述激光器LD、光隔离器ISO、时分复用模块和光环形器OC依次连接；所述单光子探测器D1通过光环形器与所述耦合器BS3连接；所述单光子探测器D2和耦合器BS3连接；所述耦合器BS3通过法拉第旋转器FR和多用户复用模块与偏振分束器PBS连接；
所述激光器LD产生的光信号，经过光隔离器ISO后变成水平偏振光，进入时分复用模块转换为不同的高阶模式，通过光环形器OC进入到耦合器BS3中进行耦合，然后分别进入多用户复用模块和法拉第旋转器FR所在支路，在偏振分束器PBS处汇合后，经所述量子与经典融合链路进入Alice端，通过可变光衰减器VOA、光延迟线VODL与相位调制器PMA后，经法拉第反射镜FM反射后，在可变光衰减器VOA处衰减成单光子水平，即经可变光衰减器VOA衰减后变为量子信号，并通过量子与经典融合链路返回多用户Bob端，在偏振分束器PBS处分成两路，原先走多用户复用模块所在支路的信号，返回时走法拉第旋转器FR所在支路；原先走法拉第旋转器FR所在支路的信号，返回时走多用户复用模块所在支路，最终两路信号在耦合器BS3处发生干涉，根据干涉的结果，通过所述单光子探测器D1与单光子探测器D2进行响应。
优选地，所述时分复用模块包括耦合器BS1、m(m>2且m为整数)个模式转换器MC、m个光开关OS和耦合器BS2；所述m个模式转换器MC与所述m个光开关OS一一对应连接；所述m个模式转换器MC与所述耦合器BS1连接；所述m个光开关OS与所述耦合器BS2连接；
所述m个模式转换器MC用于将由激光器LD出来的处于基模的信号，转换为不同的高阶模式的信号；所述m个光开关OS用于对光信号进行有序的控制，在不同的时间段内只允许一路光信号由耦合器BS2进入光路，从而实现了时分复用的控制方法。
优选地，所述多用户复用模块包括模式复用器MDM4、n(n>2且n为整数)个相位调制器PMB、n个光延迟线DL、信号发生器Signal2、模式复用器MDM3；模式复用器MDM4与所述耦合器BS3连接；所述n个相位调制器PMB与所述模式复用器MDM4和信号发生器Signal2连接；所述n个相位调制器PMB与n个光延迟线DL一一对应连接；所述n个光延迟线DL与所述模式复用器MDM3连接；所述模式复用器MDM3与所述偏振分束器PBS连接；
由于所述多用户复用模块所在的支路含有光延迟线，将该支路称为长臂，含有法拉第旋转器FR的支路称为短臂；在长臂中，光脉冲依次通过模式复用器MDM4、Bob端相位调制器PMB、延迟线DL后，在模式复用器MDM3处发生耦合；
返回多用户Bob端的信号，原先走长臂的信号，返回时走短臂；原先走短臂的信号，返回时走长臂，最终两路信号在耦合器BS3处发生干涉。
优选地，在所述多用户Bob端中，由长臂进入Alice端的信号，在相位调制器PMA处加载相位
并在法拉第旋转镜FM反射后由短臂返回；由短臂进入Alice端的信号，在法拉第旋转镜FM发射后由长臂返回，并在相位调制器PMB处加载了相位/>
优选地，所述耦合器BS3根据由长臂和短臂返回的两路信号发生干涉时的相位差，通过单光子探测器D1、D2处探测到其干涉结果：当相位差为π时，单光子探测器D1响应，此时传输的比特值为1；当相位差为0时，单光子探测器D2响应，此时传输的比特值为0。
具体地，所述BS3为50:50耦合器，其输入光场可用如下矩阵表示：
经由耦合器BS3输出的光信号由不同路径传输，分别被相位调制器加载相位
与
因此信道的传输矩阵为：
返回耦合器BS3干涉时可以表示为：
当
时，d1＝0，d2＝1，即探测器D1不响应，探测器D2响应；而当/>
时，d1＝1，d2＝0，即探测器D1响应，探测器D2不响应。
优选地，所述法拉第旋转器FR为由两个45度法拉第旋转器组成的90度法拉第旋转器，用于将光脉冲的线偏振态旋转90度；
所述可变光延迟线VODL可通过电控来调节延时的长度，在处于强光干涉且相位差为0和π的干涉结果时，自动调节电控光延迟线的长度，使得干涉结果符合标准，即使得Signal1与Siganal2自动分别对齐了去时经过长臂与短臂量子信号脉冲，并且排除由外界环境造成的调制信号或光脉冲信号延迟移位的问题。
优选地，所述量子与经典融合链路包括依次连接的模式复用器MDM1、少模-多芯光纤FM-MCF、模式复用器MDM2；所述模式复用器MDM1与所述可变光衰减器VOA连接；所述模式复用器MDM2与所述偏振分束器PBS连接；
在所述量子与经典融合链路中，量子信号与经典信号通过模式复用器MDM2复用后，在少模-多芯光纤FM-MCF中共纤传输，并在模式复用器MDM1处解复用完成同传。
优选地，在所述Alice端与多用户Bob端中，量子信号以不同的模式在不同的纤芯中传输；在量子与经典融合链路中，经典信号以不同的模式，在每一个纤芯中与量子信号进行共纤同传；通过选择不同的纤芯传输不同模式以及时分复用的方式，能够使得量子信号不会受到强光反向瑞利散射的影响，从而增大原始传输码率。
优选地，所述少模-多芯光纤FM-MCF为异质沟槽辅助型，其串扰随着弯曲半径的增大先增大后减小，最终趋于平缓。因此可以通过调节弯曲半径得到其平缓的区间，从而减小经典信号对量子信号的串扰。
优选地，由于通信的容量即将达到传输的极限，模分复用的方式将在未来逐步广泛使用。本方案采用的模分复用的方式，在增大通信容量、适应未来的发展趋势的同时，能够增加原基于sagnac环的QKD方案的原始传输码率。
优选地，本方案采用多用户Bob端的方式，使得每一个Bob端的用户仅需要提供自己的相位调制器而共用其他器件与链路，极大地减少了系统的成本。
本发明还提供了一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环QKD方法，该方法应用于如上述任一项所述的一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环QKD系统中，该方法包括以下步骤：
S1.系统初始化：测试各项设备能否正常工作，若正常，则进入S2；若不正常，则重新调试设备；
S2.信号制备：由多用户Bob端的激光器LD产生的处于基模的光信号，由模式转化器MC转换为不同的高阶模式后，在光开关OS的控制下，以时分复用的方式由耦合器BS2进入系统中，并通过长臂和短臂支路进行传输；
S3.模式复用/解复用：在长臂中，处于不同模式的光信号，由模式复用器MDM4解复用进入多用户Bob端，在不同时刻经过相位调制器PMB后，以时分复用的方式由模式复用器MDM3复用后进入量子与经典融合链路；返回时与之相反；在量子与经典融合链路中，量子信号与经典信号通过模式复用器MDM2进行复用后共纤传输，在模式复用器MDM1处解复用后进入Alice端，返回时与之相反；
S4.相位调制：由多用户Bob端长臂进入Alice端的信号，在PMA处加载了相位
在法拉第旋转镜FM反射后由短臂返回；由多用户Bob端短臂进入Alice端的信号，在法拉第旋转镜FM发射后由长臂返回，并在PMB处加载了相位/>
两路信号在耦合器BS3进行干涉；
S5.相位检测：在耦合器BS3处，根据由长臂和短臂返回的两路信号发生干涉时的相位差，通过单光子探测器D1、D2处探测其干涉结果：当相位差为0时，单光子探测器D1响应，此时传输的比特值为0；当相位差为π时，单光子探测器D2响应，此时传输的比特值为1；
S6.误码率检测：根据单光子探测器探测的情况，分析系统传输的误码率；若量子信号的误码率低于所设定的阈值，则建立安全通信；若量子信号的误码率高于所设定的阈值，则放弃本次传输的数据，并返回重新传输。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明能够极大地提升系统的容量，适应未来通信发展的走向。由于通信的传输容量即将达到传输的极限，模分复用的方式将在未来逐步广泛使用。本方案采用的模分复用的方式，使用模式与纤芯二维复用，能够增大通信容量、适应未来的发展趋势。
2、本发明所使用的光纤为多芯-少模光纤，通过选择不同的纤芯传输不同模式以及时分复用的方式，能够使得量子信号不会受到强光反向瑞利散射的影响，从而增大原始传输码率。
3、本发明能够使Signal1与Siganal2自动分别对齐去时经过长臂与短臂量子信号脉冲，增加了系统的准确性与简便性。本发明采用的可变光延迟线VODL可以通过电控来调节延时的长度，能够在首先知道强光干涉时相位差为0和π的干涉结果时，自动调节电控光延迟线的长度，使得干涉结果符合标准，即使得Signal1与Siganal2自动分别对齐了去时经过长臂与短臂量子信号脉冲，并且排除由外界环境造成的调制信号或光脉冲信号延迟移位的问题。
4、本发明能够降低经典信号对量子信号的串扰问题。本发明所采用的的少模-多芯光纤FM-MCF为异质沟槽辅助型，其串扰随着弯曲半径的增大先增大后减小，最终趋于平缓，因此可以通过调节弯曲半径得到其平缓的区间，从而减小经典信号对量子信号的串扰。
附图说明
图1是本发明的一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环QKD系统的框架图。
图2是本发明时分复用模块的结构图。
图3是本发明多用户复用模块的结构图。
图4是本发明的少模-多芯光纤FM-MCF的横截面示意图。
图5是本发明的50:50耦合器BS的示意图。
图6是本发明的一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环QKD方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例以及附图，对本发明进一步详细说明，但本发明要求的保护范围并不局限于实施例。
如图1至图3所示，一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环QKD系统，包括依次连接的Alice端，量子与经典融合链路以及多用户Bob端；
所述Alice端包括可变光衰减器VOA、可变光延迟线VODL、相位调制器PMA、法拉第旋转镜FM、信号发生器Signal1；所述可变光衰减器VOA、可变光延迟线VODL、相位调制器PMA和法拉第旋转镜FM依次连接；所述信号发生器Signal1与所述可变光延迟线VODL和相位调制器PMA连接；
所述多用户Bob端包括激光器LD、光隔离器ISO、时分复用模块、光环形器OC、单光子探测器D1、单光子探测器D2、耦合器BS3、法拉第旋转器FR、多用户复用模块、偏振分束器PBS；所述激光器LD、光隔离器ISO、时分复用模块、和光环形器OC依次连接；所述单光子探测器D1通过光环形器与所述耦合器BS3连接；所述单光子探测器D2和耦合器BS3连接；所述耦合器BS3通过法拉第旋转器FR和多用户复用模块与偏振分束器PBS连接；
所述时分复用模块包括耦合器BS1、m(m>2且m为整数)个模式转换器MC、m个光开关OS和耦合器BS2；所述m个模式转换器MC与所述m个光开关OS一一对应连接；所述m个模式转换器MC与所述耦合器BS1连接；所述m个光开关OS与所述耦合器BS2连接；
所述m个模式转换器MC用于将激光器LD出来的处于基模的信号，转换为不同的高阶模式的信号；所述m个光开关OS用于对光信号进行有序的控制，在不同的时间段内只允许一路光信号由耦合器BS2进入光路，从而实现了时分复用的控制方法。
所述多用户复用模块包括模式复用器MDM4、n(n>2且n为整数)个相位调制器PMB、n个光延迟线DL、信号发生器Signal2、模式复用器MDM3；模式复用器MDM4与所述耦合器BS3连接；所述n个相位调制器PMB与所述模式复用器MDM4和信号发生器Signal2连接；所述n个相位调制器PMB与n个光延迟线DL一一对应连接；所述n个光延迟线DL与所述模式复用器MDM3连接；所述模式复用器MDM3与所述偏振分束器PBS连接；
所述法拉第旋转器FR为由两个45度法拉第旋转器组成的90度法拉第旋转器，能够将光的线偏振态旋转90度；
所述信号发生器Signal1和信号发生器Signal2作为触发源，使得相位调制器PMA和相位调制器PMA分别按照Signal1和信号发生器Signal2给的信号频率工作。
所述可变光延迟线VODL可通过电控来调节延时的长度，在处于强光干涉时，根据相位差为0和π的干涉结果，自动调节电控光延迟线的长度，使得干涉结果符合标准，即使得Signal1与Siganal2自动分别对齐了去时经过长臂与短臂量子信号脉冲，并且排除由外界环境造成的调制信号或光脉冲信号延迟移位的问题；
所述量子与经典融合链路包括依次连接的模式复用器MDM1、少模-多芯光纤FM-MCF、模式复用器MDM2；所述模式复用器MDM1与所述可变光衰减器VOA连接；所述模式复用器MDM2与所述偏振分束器PBS连接；如图4所示，所述少模-多芯光纤FM-MCF采用的是异质沟槽辅助型，其串扰随着弯曲半径的增大先增大后减小，最终趋于平缓，因此可以通过调节弯曲半径得到其平缓的区间，从而减小经典信号对量子信号的串扰。
所述模式复用器MDM1-4为完全相同的模式复用器；
下面详细描述本发明的多用户sagnac环QKD系统的信号的传输过程：
所述激光器LD产生波长为1550nm且处于基模LP01的信号，经过光隔离器ISO后变成水平偏振光，由耦合器BS1分为m束光脉冲，分别由m个模式转换器MC转换为不同的高阶模式，通过控制m个光开关OS的时间，使得每个时间仅有一路光脉冲通过；经耦合器BS2合束后，通过光环形器OC进入耦合器BS3中进行耦合后分别进入模式复用器MDM4和法拉第旋转器FR所在支路，由于多用户复用模块所在的支路含有延迟线，故称该支路为长臂；而含有法拉第旋转器FR的支路则称之为短臂；在长臂中，光脉冲依次通过模式复用器MDM4、Bob端相位调制器PMB、延迟线DL后在模式复用器MDM3处发生耦合，然后到达偏振分束器PBS处，与经短臂到达偏振分束器PBS处的光脉冲，依次进入到量子与经典融合链路中，量子信号与经典信号通过模式复用器MDM2复用后，在少模-多芯光纤FM-MCF中共纤传输，并在模式复用器MDM1处解复用完成同传，然后进入Alice端，依次通过可变光衰减器VOA、光延迟线VODL与相位调制器PMA后，经法拉第反射镜FM反射，在VOA处衰减成单光子水平，即经可变光衰减器VOA衰减后变为量子信号，并通过量子与经典融合链路返回多用户Bob端，在偏振分束器PBS处分成两路，原先走长臂的信号，返回时走短臂；原先走短臂的信号，返回时走长臂；最终两路信号在耦合器BS3处发生干涉，根据干涉的结果，通过单光子探测器D1与单光子探测器D2可以得到相应的响应；
如图4所示，在Alice端与多用户Bob端，量子信号以不同的模式在不同的纤芯中传输；在量子与经典融合链路中，经典信号以不同的模式，在每一个纤芯中与量子信号进行共纤同传。通过选择不同的纤芯传输不同模式以及时分复用的方式，能够使得量子信号不会受到强光反向瑞利散射的影响，从而增大原始传输码率；
具体地，由多用户Bob端长臂进入Alice端的信号，在量子信号与经典信号PMA处加载了相位
在法拉第旋转镜FM反射后由短臂返回；由多用户Bob端短臂进入Alice端的信号，在法拉第旋转镜FM发射后由长臂返回，并在量子信号与经典信号PMB处加载了相位/>
所述干涉的发生，具体是在耦合器BS3处，根据由长臂和短臂返回的两路信号发生干涉时的相位差，通过单光子探测器D1、D2处探测其干涉结果：当相位差为π时，D1响应，此时传输的比特值为1；当相位差为0时，D2响应，此时传输的比特值为0。
具体地，如图5所示，所述耦合器BS3为50:50耦合器，其输入光场可用如下矩阵表示：
经由耦合器BS3输出的光信号由不同路径传输，分别被相位调制器加载相位
与
因此信道的传输矩阵为：
返回耦合器BS3干涉时可以表示为：
当
时，d1＝0，d2＝1，即探测器D1不响应，探测器D2响应；而当/>
时，d1＝1，d2＝0，即探测器D1响应，探测器D2不响应。
如图6所示，本发明还提供了一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环QKD方法，该方法应用于上述任意一项所述的一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环QKD系统中，该方法包括以下步骤：
S1.系统初始化：测试各项设备能否正常工作，若正常，则进入S2；若不正常，则重新调试设备；
S2.信号制备：由多用户Bob端的激光器LD产生的处于基模的光信号，由模式转化器MC转换为不同的高阶模式后，在光开关OS的控制下，以时分复用的方式由耦合器BS2进入系统中，并通过长臂和短臂支路进行传输；
S3.模式复用/解复用：在长臂中，处于不同模式的光信号，由模式复用器MDM4解复用进入多用户Bob端，在不同时刻经过相位调制器PMB后，以时分复用的方式由模式复用器MDM3复用后进入量子与经典融合链路；返回时与之相反；在量子与经典融合链路中，量子信号与经典信号通过模式复用器MDM2进行复用后共纤传输，在模式复用器MDM1处解复用后进入Alice端，返回时与之相反；
S4.相位调制：由多用户Bob端长臂进入Alice端的信号，在PMA处加载了相位
在法拉第旋转镜FM反射后由短臂返回；由多用户Bob端短臂进入Alice端的信号，在法拉第旋转镜FM发射后由长臂返回，并在PMB处加载了相位/>
两路信号在耦合器BS3进行干涉；
S5.相位检测：在耦合器BS3处，根据由长臂和短臂返回的两路信号发生干涉时的相位差，通过单光子探测器D1、D2处探测其干涉结果：当相位差为0时，单光子探测器D1响应，此时传输的比特值为0；当相位差为π时，单光子探测器D2响应，此时传输的比特值为1；
S6.误码率检测：根据单光子探测器探测的情况，分析系统传输的误码率；若量子信号的误码率低于所设定的阈值，则建立安全通信；若量子信号的误码率高于所设定的阈值，则放弃本次传输的数据，并返回重新传输。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明采用的模分复用的方式，使用模式与纤芯二维复用，能够极大地系统容量、适应未来的发展趋势。
2、本发明够增加原基于sagnac环的QKD方案的原始传输码率。在原sagnac环QKD系统中，由于瑞利反向散射约为正向光的1％，如果Bob传往Alice的光脉冲太强，恰好遇上从Alice返回的单光子脉冲，会造成较高的量子误码率。因此通常要避免往返光在光纤中相遇设置延迟线，等待上次发送的光脉冲全部返回后再发出新的光脉冲，但这种方式会极大地限制原始传输码率。本发明所使用的光纤为多芯-少模光纤，通过选择不同的纤芯传输不同模式以及时分复用的方式，能够使得量子信号不会受到强光反向瑞利散射的影响，从而增大原始传输码率。
3、本发明能够使Signal1与Siganal2自动分别对齐去时经过长臂与短臂量子信号脉冲，增加了系统的准确性与简便性。本发明采用的可变光延迟线VODL可以通过电控来调节延时的长度，能够在首先知道强光干涉时相位差为0和π的干涉结果时，自动调节电控光延迟线的长度，使得干涉结果符合标准，即使得Signal1与Siganal2自动分别对齐了去时经过长臂与短臂量子信号脉冲，并且排除由外界环境造成的调制信号或光脉冲信号延迟移位的问题。
4、本发明能够降低经典信号对量子信号的串扰问题。本发明所采用的的少模-多芯光纤FM-MCF为异质沟槽辅助型，其串扰随着弯曲半径的增大先增大后减小，最终趋于平缓，因此可以通过调节弯曲半径得到其平缓的区间，从而减小经典信号对量子信号的串扰。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本发明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (10)
1.一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环QKD系统，其特征在于：包括依次连接的Alice端，量子与经典融合链路以及多用户Bob端；
所述Alice端包括可变光衰减器VOA、可变光延迟线VODL、相位调制器PMA、法拉第旋转镜FM、信号发生器Signal1；所述可变光衰减器VOA、可变光延迟线VODL、相位调制器PMA和法拉第旋转镜FM依次连接；所述信号发生器Signal1与所述可变光延迟线VODL和相位调制器PMA连接；
所述多用户Bob端包括激光器LD、光隔离器ISO、时分复用模块、光环形器OC、单光子探测器D1、单光子探测器D2、耦合器BS3、法拉第旋转器FR、多用户复用模块、偏振分束器PBS；所述激光器LD、光隔离器ISO、时分复用模块和光环形器OC依次连接；所述单光子探测器D1通过光环形器与所述耦合器BS3连接；所述单光子探测器D2和耦合器BS3连接；所述耦合器BS3通过法拉第旋转器FR和多用户复用模块与偏振分束器PBS连接；
所述激光器LD产生的光信号，经过光隔离器ISO后变成水平偏振光，进入时分复用模块转换为不同的高阶模式，通过光环形器OC进入到耦合器BS3中进行耦合，然后分别进入多用户复用模块和法拉第旋转器FR所在支路，在偏振分束器PBS处汇合后，经所述量子与经典融合链路进入Alice端，通过可变光衰减器VOA、光延迟线VODL与相位调制器PMA后，经法拉第反射镜FM反射后，在可变光衰减器VOA处衰减成单光子水平，即经可变光衰减器VOA衰减后变为量子信号，并通过量子与经典融合链路返回多用户Bob端，在偏振分束器PBS处分成两路，原先走多用户复用模块所在支路的信号，返回时走法拉第旋转器FR所在支路；原先走法拉第旋转器FR所在支路的信号，返回时多用户复用模块所在支路，最终两路信号在耦合器BS3处发生干涉，根据干涉的结果，通过所述单光子探测器D1与单光子探测器D2进行响应；
所述时分复用模块包括耦合器BS1、m个模式转换器MC、m个光开关OS和耦合器BS2；所述m个模式转换器MC与所述m个光开关OS一一对应连接；所述m个模式转换器MC与所述耦合器BS1连接；所述m个光开关OS与所述耦合器BS2连接；其中，m>2且m为整数；
所述多用户复用模块包括模式复用器MDM4、n个相位调制器PMB、n个光延迟线DL、信号发生器Signal2、模式复用器MDM3；模式复用器MDM4与所述耦合器BS3连接；所述n个相位调制器PMB与所述模式复用器MDM4和信号发生器Signal2连接；所述n个相位调制器PMB与n个光延迟线DL一一对应连接；所述n个光延迟线DL与所述模式复用器MDM3连接；所述模式复用器MDM3与所述偏振分束器PBS连接；其中，n>2且n为整数；
由于所述多用户复用模块所在的支路含有光延迟线，将该支路称为长臂，含有法拉第旋转器FR的支路称为短臂。
2.根据权利要求1所述的一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环QKD系统，其特征在于：所述m个模式转换器MC用于将由激光器LD出来的处于基模的信号，转换为不同的高阶模式的信号；所述m个光开关OS用于对光信号进行有序的控制，在不同的时间段内只允许一路光信号由耦合器BS2进入光路。
3.根据权利要求2所述的一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环QKD系统，其特征在于：在长臂中，光脉冲依次通过模式复用器MDM4、Bob端相位调制器PMB、延迟线DL后，在模式复用器MDM3处发生耦合；
返回多用户Bob端的信号，原先走长臂的信号，返回时走短臂；原先走短臂的信号，返回时走长臂，最终两路信号在耦合器BS3处发生干涉。
4.根据权利要求3所述的一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环QKD系统，其特征在于：在所述多用户Bob端中，由长臂进入Alice端的信号，在相位调制器PMA处加载相位
并在法拉第旋转镜FM反射后由短臂返回；由短臂进入Alice端的信号，在法拉第旋转镜FM发射后由长臂返回，并在相位调制器PMB处加载了相位/>
5.根据权利要求3所述的一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环QKD系统，其特征在于：所述耦合器BS3根据由长臂和短臂返回的两路信号发生干涉时的相位差，通过单光子探测器D1、D2处探测到其干涉结果：当相位差为π时，单光子探测器D1响应，此时传输的比特值为1；当相位差为0时，单光子探测器D2响应，此时传输的比特值为0。
6.根据权利要求1所述的一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环QKD系统，其特征在于：所述法拉第旋转器FR为由两个45度法拉第旋转器组成的90度法拉第旋转器，用于将光脉冲的线偏振态旋转90度；
所述可变光延迟线VODL可通过电控来调节延时的长度，在处于强光干涉时，根据相位差为0和π的干涉结果，自动调节电控光延迟线的长度，使得干涉结果符合标准。
7.根据权利要求1所述的一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环QKD系统，其特征在于：所述量子与经典融合链路包括依次连接的模式复用器MDM1、少模-多芯光纤FM-MCF、模式复用器MDM2；所述模式复用器MDM1与所述可变光衰减器VOA连接；所述模式复用器MDM2与所述偏振分束器PBS连接；
在所述量子与经典融合链路中，量子信号与经典信号通过模式复用器MDM2复用后，在少模-多芯光纤FM-MCF中共纤传输，并在模式复用器MDM1处解复用完成同传。
8.根据权利要求7所述的一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环QKD系统，其特征在于：在所述Alice端与多用户Bob端中，量子信号以不同的模式在不同的纤芯中传输；在量子与经典融合链路中，经典信号以不同的模式，在每一个纤芯中与量子信号进行共纤同传。
9.根据权利要求7所述的一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环QKD系统，其特征在于：所述少模-多芯光纤FM-MCF为异质沟槽辅助型，其串扰随着弯曲半径的增大先增大后减小，最终趋于平缓。
10.一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环QKD方法，其特征在于，该方法应用于如权利要求1-9任一项所述的一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环QKD系统中，该方法包括以下步骤：
S1.系统初始化：测试各项设备能否正常工作，若正常，则进入S2；若不正常，则重新调试设备；
S2.信号制备：由多用户Bob端的激光器LD产生的处于基模的光信号，由模式转化器MC转换为不同的高阶模式后，在光开关OS的控制下，以时分复用的方式由耦合器BS2进入系统中，并通过长臂和短臂支路进行传输；
S3.模式复用/解复用：在长臂中，处于不同模式的光信号，由模式复用器MDM4解复用进入多用户Bob端，在不同时刻经过相位调制器PMB后，以时分复用的方式由模式复用器MDM3复用后进入量子与经典融合链路；返回时与之相反；在量子与经典融合链路中，量子信号与经典信号通过模式复用器MDM2进行复用后共纤传输，在模式复用器MDM1处解复用后进入Alice端，返回时与之相反；
S4.相位调制：由多用户Bob端长臂进入Alice端的信号，在PMA处加载了相位
在法拉第旋转镜FM反射后由短臂返回；由多用户Bob端短臂进入Alice端的信号，在法拉第旋转镜FM发射后由长臂返回，并在PMB处加载了相位/>
两路信号在耦合器BS3进行干涉；
S5.相位检测：在耦合器BS3处，根据由长臂和短臂返回的两路信号发生干涉时的相位差，通过单光子探测器D1、D2探测其干涉结果：当相位差为0时，单光子探测器D1响应，此时传输的比特值为0；当相位差为π时，单光子探测器D2响应，此时传输的比特值为1；
S6.误码率检测：根据单光子探测器探测的情况，分析系统传输的误码率；若量子信号的误码率低于所设定的阈值，则建立安全通信；若量子信号的误码率高于所设定的阈值，则放弃本次传输的数据，并返回重新传输。
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