CN114629563A - 偏振复用量子密钥分发装置与全时全通量子密钥分发网络 - Google Patents

Abstract

一种偏振复用量子密钥分发装置，包括第一激光器LD1、第二激光器LD2、第一强度调制器IM1、第二强度调制器IM2、第一可调衰减器VOA1、第二可调衰减器VOA2、偏振光路选择模块、第一分束器BS1、第二分束器BS2、第一偏振分束器PBS1、第一单光子探测器SPD1、第二单光子探测器SPD2、第三单光子探测器SPD3、第四单光子探测器SPD4以及双向相位调制模块，本发明还公开了一种全时全通量子密钥分发网络。与现有技术相比，本发明可将量子密钥分发系统的安全成码率提高至4倍；而且装置无需区分发送端和接收端，降低了设计和制作难度；两路光信号共用一个干涉仪，同时双向的信号采用双向相位调制模块进行分别调制，无需复杂的时序控制，降低了系统的复杂度，便于进行相位补偿。

Description

偏振复用量子密钥分发装置与全时全通量子密钥分发网络

技术领域

本发明涉及量子相位编码技术领域，特别涉及一种偏振复用量子密钥分发装置与全时全通量子密钥分发网络。

背景技术

量子密钥分发技术由量子力学基本原理保证密钥分发的安全性，结合“一次一密”的对称加密方式可以保证通信的信息论安全性。相位编码为BB84量子密钥分发协议常用的编码方式，其密钥信息编码在前后两个脉冲时间模式之间的相位差上，在光纤中传输时可以保持稳定。目前，BB84协议量子密钥分发技术逐渐成熟和产业化，安全密钥产生速率逐渐提高，但是仍然不能满足诸多高速率互联网安全通信的需求。

现有技术中，如美国专利U5307410采用偏振复用的不等臂马赫曾德尔干涉仪来进行编解码，可以消除常规不等臂马赫曾德尔干涉干涉仪干涉过程中的非干涉峰，将光子能量利用率提高一倍，从而将安全成码率提高一倍。专利CN110620655A则采用偏振复用双向量子密钥分发方案，收发双方分别通过偏振相互垂直的光信号与对方进行量子密钥分发，即该方案包括两个方向相反的量子密钥分发过程，同一可以将安全成码率提高一倍。然而这两个方案对安全成码率的提升有限，并且后者采用两套独立的光学系统通过偏振分束器进行偏振复用，不仅造成光学器件的浪费，增加了系统成本，而且增大了系统的复杂度和体积。另外，现有量子密钥分发组网方案中，节点之间需要两两分别进行量子密钥分发过程，常规的量子密钥分发设备区分发送端和接收端，因此需要在每个节点部署多台设备，导致组网成本较高且占用体积较大。

发明内容

针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种偏振复用量子密钥分发装置与全时全通量子密钥分发网络，用以解决现有技术中量子密钥分发系统安全成码率低、设备体积大、成本高、组网困难等技术性缺陷。

本发明提供一种偏振复用量子密钥分发装置与全时全通量子密钥分发网络如下：

本发明的技术方案是这样实现的：

一种偏振复用量子密钥分发装置，包括第一激光器LD1、第二激光器LD2、第一强度调制器IM1、第二强度调制器IM2、第一可调衰减器VOA1、第二可调衰减器VOA2、偏振光路选择模块、第一分束器BS1、第二分束器BS2、第一偏振分束器PBS1、第一单光子探测器SPD1、第二单光子探测器SPD2、第三单光子探测器SPD3、第四单光子探测器SPD4以及双向相位调制模块，所述第一激光器LD1、第二激光器LD2分别连接第一强度调制器IM1、第二强度调制器IM2之后与偏振光路选择模块的第一端口、第二端口相连，所述第一强度调制器IM1与偏振光路选择模块之间设置有第一可调衰减器VOA1，所述第二强度调制器IM2与偏振光路选择模块之间设置有第二可调衰减器VOA2；所述偏振光路选择模块的第四端口、第五端口分别连接第一单光子探测器SPD1、第二单光子探测器SPD2；所述偏振光路选择模块的第三端口与第一分束器BS1的第一端口相连；所述第一分束器BS1的第二端口、第三端口分别通过长臂光纤、短臂光纤与第二分束器BS2的第二端口、第三端口相连，构成不等臂马赫曾德尔干涉仪；所述第一分束器BS1的第四端口与第一偏振分束器PBS1第一端口相连；所述第一偏振分束器PBS1的第二端口和第三端口分别与第三单光子探测器SPD3和第四单光子探测器SPD4相连；所述第二分束器BS2的第一端口与双向相位调制模块的第一端口相连；所述双向相位调制模块的第二端口同时作为所述量子密钥分发装置的输入端口和输出端口。

优选地，所述偏振光路选择模块包括第一环形器CIR1、第二环形器CIR2以及第二偏振分束器PBS2，所述第一环形器CIR1的第二端口、第二环形器CIR2的第二端口分别于第二偏振分束器PBS2的第一端口、第二端口相连；所述第一环形器CIR1的第一端口、第三端口、第二环形器CIR2的第一端口、第三端口以及第二偏振分束器PBS2的第三端口分别作为偏振光路选择模块的第一端口、第四端口、第二端口、第五端口以及第三端口。

优选地，所述偏振光路选择模块包括第三偏振分束器PBS3、第四偏振分束器PBS4、第五偏振分束器PBS5、第一法拉第旋转器FR1和第二法拉第旋转器FR2，所述第一法拉第旋转器FR1和第二法拉第旋转器FR2的偏振旋转角度均为45°；所述第三偏振分束器PBS3的第二端口、第四偏振分束器PBS4的第二端口分别连接第一法拉第旋转器FR1和第二法拉第旋转器FR2后与第五偏振分束器PBS5的第一端口、第二端口相连；所述第三偏振分束器PBS3的第一端口、第三端口、第四偏振分束器PBS4的第一端口、第三端口以及第五偏振分束器PBS5的第三端口分别作为偏振光路选择模块的第一端口、第四端口、第二端口、第五端口以及第三端口。

优选地，所述偏振光路选择模块包括第六偏振分束器PBS6、第七偏振分束器PBS7、和第三环形器CIR3，所述第六偏振分束器PBS6的第三端口与第三环形器CIR3的第一端口相连；所述第三环形器CIR3的第三端口与第七偏振分束器PBS7的第一端口相连；所述第六偏振分束器PBS6的第一端口、第二端口、第三环形器CIR3的第二端口、第七偏振分束器PBS7的第二端口、第三端口分别作为偏振光路选择模块的第一端口至第五端口。

优选地，所述双向相位调制模块包括第四环形器CIR4、第一相位调制器PM1、第二相位调制器PM2、第一法拉第反射镜FM1和第二法拉第反射镜PM2，所述第四环形器CIR4的第一端口和第三端口分别作为双向相位调制模块的第一端口和第二端口；所述第四环形器CIR4的第二端口、第四端口分别连接第一相位调制器PM1、第二相位调制器PM2后与第一法拉第反射镜FM1、第二法拉第反射镜PM2相连。

优选地，所述双向相位调制模块包括第五环形器CIR5、第三相位调制器PM3、第四相位调制器PM4、第八偏振分束器PBS8和第九偏振分束器PBS9，所述第五环形器CIR5的第一端口和第三端口分别作为双向相位调制模块的第一端口和第二端口；所述第五环形器CIR5的第二端口、第四端口分别与第八偏振分束器PBS8的第一端口、第九偏振分束器PBS9的第一端口相连；所述第八偏振分束器PBS8的第二端口、第三端口通过光纤和第三相位调制器PM3相连；所述第九偏振分束器PBS9的第二端口、第三端口通过光纤和第四相位调制器PM4相连。

优选地，所述双向相位调制模块包括第十偏振分束器PBS10、第十一偏振分束器PBS11、第十二偏振分束器PBS12、第五相位调制器PM5和第六相位调制器PM6，所述第十偏振分束器PBS10的第一端口和第四端口分别作为双向相位调制模块的第一端口和第二端口；所述第十偏振分束器PBS10的第二端口与第十一偏振分束器PBS11的第一端口相连；所述第十偏振分束器PBS10的第三端口通过保偏光纤进行90°熔接后与第十二偏振分束器PBS12的第一端口相连；所述第十一偏振分束器PBS11的第二端口、第三端口分别连接第六相位调制器PM6、第五相位调制器PM5之后与第十二偏振分束器PBS12的第二端口、第三端口相连。

本发明还公开了一种全时全通量子密钥分发网络，包括N个网络节点，每个网络节点包括一台量子密钥分发装置和一个偏振分束器；所述偏振分束器包括一个输入端口和两个输出端口；所述偏振分束器的输入端口与量子密钥分发装置的输出端口相连；每个所述节点偏振分束器的两个输出端口分别通过光纤信道与相连两个节点的偏振分束器的一个输出端口相连。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

本发明提出一种偏振复用量子密钥分发装置与全时全通量子密钥分发网络，通过将两路同向的光信号进行偏振复用，并进行双向通信，可将量子密钥分发系统的安全成码率提高至4倍；而且装置无需区分发送端和接收端，降低了设计和制作难度；两路光信号共用一套编码或解码装置，同时双向的信号采用双向相位调制模块进行分别调制，无需复杂的时序控制，降低了系统的复杂度和成本，便于进行相位补偿；另外，任意两套装置均可进行双向量子密钥分发，易于组网，可实现全时全通的量子通信网络，大大提高了装置的实用性。

附图说明

图1为本发明偏振复用量子密钥分发装置原理结构图；

图2为本发明偏振复用量子密钥分发装置第一实施例结构图；

图3为本发明偏振复用量子密钥分发装置第二实施例结构图；

图4为本发明偏振复用量子密钥分发装置第三实施例结构图；

图5为本发明全时全通量子密钥分发网络的三用户全时全通网络示意图。

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。

如图1所示，一种偏振复用量子密钥分发装置，包括第一激光器LD1、第二激光器LD2、第一强度调制器IM1、第二强度调制器IM2、第一可调衰减器VOA1、第二可调衰减器VOA2、偏振光路选择模块、第一分束器BS1、第二分束器BS2、第一偏振分束器PBS1、第一单光子探测器SPD1、第二单光子探测器SPD2、第三单光子探测器SPD3、第四单光子探测器SPD4以及双向相位调制模块，所述第一激光器LD1、第二激光器LD2分别连接第一强度调制器IM1、第二强度调制器IM2之后与偏振光路选择模块的第一端口、第二端口相连，所述第一强度调制器IM1与偏振光路选择模块之间设置有第一可调衰减器VOA1，所述第二强度调制器IM2与偏振光路选择模块之间设置有第二可调衰减器VOA2；所述偏振光路选择模块的第四端口、第五端口分别连接第一单光子探测器SPD1、第二单光子探测器SPD2；所述偏振光路选择模块的第三端口与第一分束器BS1的第一端口相连；所述第一分束器BS1的第二端口、第三端口分别通过长臂光纤、短臂光纤与第二分束器BS2的第二端口、第三端口相连，构成不等臂马赫曾德尔干涉仪；所述第一分束器BS1的第四端口与第一偏振分束器PBS1第一端口相连；所述第一偏振分束器PBS1的第二端口和第三端口分别与第三单光子探测器SPD3和第四单光子探测器SPD4相连；所述第二分束器BS2的第一端口与双向相位调制模块的第一端口相连；所述双向相位调制模块的第二端口同时作为所述量子密钥分发装置的输入端口和输出端口。所述量子密钥分发装置内部的光纤均为保偏光纤。

具体量子密钥分发过程如下：

量子密钥分发装置A和量子密钥分发装置B通过光纤信道相连进行双向量子密钥分发过程，包括由量子密钥分发装置A发射两路光信号、量子密钥分发装置B进行测量的两个正向量子密钥分发过程和由量子密钥分发装置B发射两路光信号、量子密钥分发装置A进行测量的两个反向量子密钥分发过程。其中正向两路光信号的两个量子密钥分发过程如下：

量子密钥分发装置A中，所述第一激光器LD1发出水平偏振的光脉冲信号P1，经过第一强度调制器IM1、第一可调衰减器VOA1调制强度后，进入偏振光路选择模块的第一端口，从其第三端口出射，沿保偏光纤慢轴传播，经过由第一分束器BS1和第二分束器BS2构成的马赫曾德尔干涉仪后，分成前后两个时间模式P1E和P1L，从第二分束器BS2的第一端口出射。二者幅度相等，均沿保偏光纤慢轴传播，经过双向相位调制模块时调制相位差为φ1A，最后从双向相位调制模块的第二端口出射，记为第一量子态Q1A。

所述第二激光器LD2发出水平偏振的光脉冲信号P2，相对于P1具有一定的延时。P2经过第二强度调制器IM2、第二可调衰减器VOA2调制强度后，进入偏振光路选择模块的第二端口，从其第三端口出射，沿保偏光纤快轴传播，经过由马赫曾德尔干涉仪后，分成前后两个时间模式P2E和P2L，从第二分束器BS2的第一端口出射。二者幅度相等，均沿保偏光纤快轴传播，经过双向相位调制模块时调制相位差为φ2A，最后从双向相位调制模块的第二端口出射，记为第二量子态Q2A。

所述第一量子态QA1和第二量子态Q2A先后从量子密钥分发装置A的输出端口出射，经过光纤信道传输后到达量子密钥分发装置B。所述量子密钥分发装置B的结构与量子密钥分发装置A完全相同。第一量子态QA1和第二量子态Q2A首先进入量子密钥分发装置B的双向相位调制模块，量子态Q1A两个时间模式之间调制相位差φ1B，量子态Q2A两个时间模式之间调制相位差φ2B，随后先后通过不等臂马赫曾德尔干涉仪进行干涉。由于二者分别沿保偏光纤慢轴和快轴传播，因此干涉结果分别进入不同的单光子探测器。其中沿保偏光纤慢轴传播的量子态的干涉结果进入第一单光子探测器SPD1和第三单光子探测器SPD3进行探测，探测结果由相位差φ1B-φ1A所决定；沿保偏光纤快轴传播的量子态的干涉结果进入第二单光子探测器SPD2和第四单光子探测器SPD4进行探测，探测结果由相位差φ2B-φ2A所决定。根据探测结果并经过对基、后处理等过程即可得到偏振复用的两路光信号的安全量子密钥。

反向两路光信号的两个量子密钥分发过程与正向类似，可得到偏振复用的两路反向光信号的安全量子密钥，因此整个系统工作时可同时进行四个量子密钥分发过程，所产生的安全成码率可提高至4倍。

如图2所示，本发明偏振复用量子密钥分发装置实施例一：

所述偏振复用量子密钥分发装置的结构为：所述偏振光路选择模块包括第一环形器CIR1、第二环形器CIR2以及第二偏振分束器PBS2，所述第一环形器CIR1的第二端口、第二环形器CIR2的第二端口分别于第二偏振分束器PBS2的第一端口、第二端口相连；所述第一环形器CIR1的第一端口、第三端口、第二环形器CIR2的第一端口、第三端口以及第二偏振分束器PBS2的第三端口分别作为偏振光路选择模块的第一端口、第四端口、第二端口、第五端口以及第三端口。所述双向相位调制模块包括第四环形器CIR4、第一相位调制器PM1、第二相位调制器PM2、第一法拉第反射镜FM1和第二法拉第反射镜PM2，所述第四环形器CIR4的第一端口和第三端口分别作为双向相位调制模块的第一端口和第二端口；所述第四环形器CIR4的第二端口、第四端口分别连接第一相位调制器PM1、第二相位调制器PM2后与第一法拉第反射镜FM1、第二法拉第反射镜PM2相连。

实施例一具体量子密钥分发过程如下：

量子密钥分发装置A和量子密钥分发装置B通过光纤信道相连进行双向量子密钥分发过程，包括由量子密钥分发装置A发射两路光信号、量子密钥分发装置B进行测量的两个正向量子密钥分发过程和由量子密钥分发装置B发射两路光信号、量子密钥分发装置A进行测量的两个反向量子密钥分发过程。其中正向两路光信号的两个量子密钥分发过程如下：

量子密钥分发装置A中，所述第一激光器LD1发出水平偏振的光脉冲信号P1，经过第一强度调制器IM1、第一可调衰减器VOA1调制强度后，进入第一环形器CIR1的第一端口，从其第二端口出射，随后到达第二偏振分束器PBS2的第一端口，直接透射到第三端口，沿保偏光纤慢轴传播，经过不等臂马赫曾德尔干涉仪后，分成前后两个时间模式P1E和P1L，从第二分束器BS2的第一端口出射。二者幅度相等，均沿保偏光纤慢轴传播，然后进入第四环形器CIR4的第一端口，从其第二端口出射，经过第一相位调制器PM1后被第一法拉第反射镜FM1反射，再次经过第一相位调制器，所调制的总相位为φ1A，偏振方向旋转了90°，沿保偏光纤快轴传播，最后从第四环形器CIR4的第三端口出射，记为第一量子态Q1A。

所述第二激光器LD2发出水平偏振的光脉冲信号P2，相对于P1具有一定的延时。P2经过第二强度调制器IM2、第二可调衰减器VOA2调制强度后，进入第二环形器CIR2的第一端口，从其第二端口出射，随后到达第二偏振分束器PBS2的第二端口，被反射到第三端口，沿保偏光纤快轴传播，经过不等臂马赫曾德尔干涉仪后，分成前后两个时间模式P2E和P2L，从第二分束器BS2的第一端口出射。二者幅度相等，均沿保偏光纤快轴传播，然后进入第四环形器CIR4的第一端口，从其第二端口出射，经过第一相位调制器PM1后被第一法拉第反射镜FM1反射，再次经过第一相位调制器，所调制的总相位为φ2A，偏振方向旋转了90°，沿保偏光纤慢轴传播，最后从第四环形器CIR4的第三端口出射，记为第二量子态Q2A。

所述第一量子态QA1和第二量子态Q2A先后从量子密钥分发装置A的输出端口出射，经过光纤信道传输后到达量子密钥分发装置B。所述量子密钥分发装置B的结构与量子密钥分发装置A完全相同。第一量子态QA1和第二量子态Q2A首先进入量子密钥分发装置B的第四环形器CIR4的第三端口，从其第四端口出射。其中量子态Q1A沿保偏光纤快轴传播，经过第二相位调制器PM2后被第二法拉第反射镜FM2反射，偏振旋转了90°，沿保偏光纤慢轴传播，再次经过第二相位调制器PM2，两个时间模式之间的相位差被调制为φ1B，随后从第四环形器CIR4的第一端口出射，经过不等臂马赫曾德尔干涉仪进行干涉，干涉结果沿保偏光纤慢轴传播，分别从第一分束器BS1的第一端口和第四端口出射，概率分别为[1+cos(φ1B-φ1A)]/2和[1-cos(φ1B-φ1A)]/2。其中从第一分束器BS1的第一端口出射的干涉结果到达第二偏振分束器PBS2的第三端口，直接透射到第一端口，经第一环形器CIR1到达第一单光子探测器SPD1进行探测。从第一分束器BS1的第四端口出射的干涉结果到达第一偏振分束器PBS1的第一端口，直接透射到第二端口，进入第三单光子探测器SPD3进行探测。根据探测结果并经过对基、后处理等过程即可得到该路光信号的安全量子密钥。

量子态Q2A沿保偏光纤慢轴传播，经过第二相位调制器PM2后被第二法拉第反射镜FM2反射，偏振旋转了90°，沿保偏光纤快轴传播，再次经过第二相位调制器PM2，两个时间模式之间的相位差被调制为φ2B，随后从第四环形器CIR4的第一端口出射，经过不等臂马赫曾德尔干涉仪进行干涉，干涉结果沿保偏光纤快轴传播，分别从第一分束器BS1的第一端口和第四端口出射，概率分别为[1+cos(φ2B-φ2A)]/2和[1-cos(φ2B-φ2A)]/2。其中从第一分束器BS1的第一端口出射的干涉结果到达第二偏振分束器PBS2的第三端口，被反射到第二端口，经第二环形器CIR2到达第二单光子探测器SPD2进行探测。从第一分束器BS1的第四端口出射的干涉结果到达第一偏振分束器PBS1的第一端口，被反射到第三端口，进入第四单光子探测器SPD4进行探测。根据探测结果并经过对基、后处理等过程即可得到该路光信号的安全量子密钥。

反向两路光信号的两个量子密钥分发过程与正向类似，可得到偏振复用的两路反向光信号的安全量子密钥，因此整个系统工作时可同时进行四个量子密钥分发过程，所产生的安全成码率可提高至4倍。

如图3所示，本发明偏振复用量子密钥分发装置实施例二：

所述偏振复用量子密钥分发装置的结构为：所述偏振光路选择模块包括第三偏振分束器PBS3、第四偏振分束器PBS4、第五偏振分束器PBS5、第一法拉第旋转器FR1和第二法拉第旋转器FR2，所述第一法拉第旋转器FR1和第二法拉第旋转器FR2的偏振旋转角度均为45°；所述第三偏振分束器PBS3的第二端口、第四偏振分束器PBS4的第二端口分别连接第一法拉第旋转器FR1和第二法拉第旋转器FR2后与第五偏振分束器PBS5的第一端口、第二端口相连；所述第三偏振分束器PBS3的第一端口、第三端口、第四偏振分束器PBS4的第一端口、第三端口以及第五偏振分束器PBS5的第三端口分别作为偏振光路选择模块的第一端口、第四端口、第二端口、第五端口以及第三端口。所述双向相位调制模块包括第五环形器CIR5、第三相位调制器PM3、第四相位调制器PM4、第八偏振分束器PBS8和第九偏振分束器PBS9，所述第五环形器CIR5的第一端口和第三端口分别作为双向相位调制模块的第一端口和第二端口；所述第五环形器CIR5的第二端口、第四端口分别与第八偏振分束器PBS8的第一端口、第九偏振分束器PBS9的第一端口相连；所述第八偏振分束器PBS8的第二端口、第三端口通过光纤和第三相位调制器PM3相连；所述第九偏振分束器PBS9的第二端口、第三端口通过光纤和第四相位调制器PM4相连。

实施例二具体量子密钥分发过程如下：

量子密钥分发装置A和量子密钥分发装置B通过光纤信道相连进行双向量子密钥分发过程，包括由量子密钥分发装置A发射两路光信号、量子密钥分发装置B进行测量的两个正向量子密钥分发过程和由量子密钥分发装置B发射两路光信号、量子密钥分发装置A进行测量的两个反向量子密钥分发过程。其中正向两路光信号的两个量子密钥分发过程如下：

量子密钥分发装置A中，所述第一激光器LD1发出水平偏振的光脉冲信号P1，经过第一强度调制器IM1、第一可调衰减器VOA1调制强度后，进入第三偏振分束器PBS3的第一端口，从其第二端口透射，沿保偏光纤慢轴传播，经过第一法拉第旋转器FR1之后偏振旋转了45°，仍沿保偏光纤慢轴传播，随后到达第五偏振分束器PBS5的第一端口，直接透射到第三端口，沿保偏光纤慢轴传播，经过不等臂马赫曾德尔干涉仪后，分成前后两个时间模式P1E和P1L，从第二分束器BS2的第一端口出射。二者幅度相等，均沿保偏光纤慢轴传播，先后进入第五环形器CIR5的第一端口，从其第二端口出射，到达第八偏振分束器PBS8的第一端口，直接透射到第二端口，经过第三相位调制器PM3时二者相位差被调制为φ1A，随后到达第八偏振分束器PBS8的第三端口，被反射到第一端口，沿保偏光纤快轴传播，最后从第五环形器CIR5的第三端口出射，记为第一量子态Q1A。

所述第二激光器LD2发出水平偏振的光脉冲信号P2，相对于P1具有一定的延时。P2经过第二强度调制器IM2、第二可调衰减器VOA2调制强度后，进入第四偏振分束器PBS4的第一端口，从其第二端口透射，沿保偏光纤慢轴传播，经过第二法拉第旋转器FR2之后偏振旋转了45°，仍沿保偏光纤慢轴传播，随后到达第五偏振分束器PBS5的第二端口，被反射到第三端口，沿保偏光纤快轴传播，经过不等臂马赫曾德尔干涉仪后，分成前后两个时间模式P2E和P2L，从第二分束器BS2的第一端口出射。二者幅度相等，均沿保偏光纤快轴传播，然后进入第五环形器CIR5的第一端口，从其第二端口出射，到达第八偏振分束器PBS8的第一端口，被反射到第三端口，经过第三相位调制器PM3时二者相位差被调制为φ2A，随后到达第八偏振分束器PBS8的第二端口，透射到第一端口，沿保偏光纤慢轴传播，最后从第五环形器CIR5的第三端口出射，记为第二量子态Q2A。

所述第一量子态QA1和第二量子态Q2A先后从量子密钥分发装置A的输出端口出射，经过光纤信道传输后到达量子密钥分发装置B。所述量子密钥分发装置B的结构与量子密钥分发装置A完全相同。第一量子态QA1和第二量子态Q2A首先进入量子密钥分发装置B的第五环形器CIR5的第三端口，从其第四端口出射，到达第九偏振分束器PBS9的第一端口。其中量子态Q1A沿保偏光纤快轴传播，被第九偏振分束器PBS9反射到第三端口，经第四相位调制器PM4调制相位差为φ1B，随后到达第九偏振分束器PBS9的第二端口，从第一端口透射，沿保偏光纤慢轴传播，从第五环形器CIR5的第一端口出射，经过不等臂马赫曾德尔干涉仪进行干涉，干涉结果沿保偏光纤慢轴传播，分别从第一分束器BS1的第一端口和第四端口出射，概率分别为[1+cos(φ1B-φ1A)]/2和[1-cos(φ1B-φ1A)]/2。其中从第一分束器BS1的第一端口出射的干涉结果到达第五偏振分束器PBS5的第三端口，直接透射到第一端口，经第一法拉第旋转器FR1偏振旋转45°，沿保偏光纤快轴传播，然后被第三偏振分束器PBS3反射，到达第一单光子探测器SPD1进行探测。从第一分束器BS1的第四端口出射的干涉结果到达第一偏振分束器PBS1的第一端口，直接透射到第二端口，进入第三单光子探测器SPD3进行探测。根据探测结果并经过对基、后处理等过程即可得到该路光信号的安全量子密钥。

量子态Q2A沿保偏光纤慢轴传播，被第九偏振分束器PBS9透射到第二端口，经第四相位调制器PM4调制相位差为φ2B，随后到达第九偏振分束器PBS9的第三端口，从第一端口反射，沿保偏光纤快轴传播，从第五环形器CIR5的第一端口出射，经过不等臂马赫曾德尔干涉仪进行干涉，干涉结果沿保偏光纤快轴传播，分别从第一分束器BS1的第一端口和第四端口出射，概率分别为[1+cos(φ2B-φ2A)]/2和[1-cos(φ2B-φ2A)]/2。其中从第一分束器BS1的第一端口出射的干涉结果到达第五偏振分束器PBS5的第三端口，被反射到第二端口，经第二法拉第旋转器FR2偏振旋转45°，沿保偏光纤快轴传播，然后被第四偏振分束器PBS4反射，到达第二单光子探测器SPD2进行探测。从第一分束器BS1的第四端口出射的干涉结果到达第一偏振分束器PBS1的第一端口，被反射到第三端口，进入第四单光子探测器SPD4进行探测。根据探测结果并经过对基、后处理等过程即可得到该路光信号的安全量子密钥。

反向两路光信号的两个量子密钥分发过程与正向类似，可得到偏振复用的两路反向光信号的安全量子密钥，因此整个系统工作时可同时进行四个量子密钥分发过程，所产生的安全成码率可提高至4倍。

如图4所示，本发明偏振复用量子密钥分发装置实施例三：

所述偏振复用量子密钥分发装置的结构为：所述偏振光路选择模块包括第六偏振分束器PBS6、第七偏振分束器PBS7和第三环形器CIR3，所述第六偏振分束器PBS6的第三端口与第三环形器CIR3的第一端口相连；所述第三环形器CIR3的第三端口与第七偏振分束器PBS7的第一端口相连；所述第六偏振分束器PBS6的第一端口、第二端口、第三环形器CIR3的第二端口、第七偏振分束器PBS7的第二端口、第三端口分别作为偏振光路选择模块的第一端口至第五端口。所述双向相位调制模块包括第十偏振分束器PBS10、第十一偏振分束器PBS11、第十二偏振分束器PBS12、第五相位调制器PM5和第六相位调制器PM6，所述第十偏振分束器PBS10的第一端口和第四端口分别作为双向相位调制模块的第一端口和第二端口；所述第十偏振分束器PBS10的第二端口与第十一偏振分束器PBS11的第一端口相连；所述第十偏振分束器PBS10的第三端口通过保偏光纤进行90°熔接后与第十二偏振分束器PBS12的第一端口相连；所述第十一偏振分束器PBS11的第二端口、第三端口分别连接第六相位调制器PM6、第五相位调制器PM5之后与第十二偏振分束器PBS12的第二端口、第三端口相连。

实施例三具体量子密钥分发过程如下：

量子密钥分发装置A和量子密钥分发装置B通过光纤信道相连进行双向量子密钥分发过程，包括由量子密钥分发装置A发射两路光信号、量子密钥分发装置B进行测量的两个正向量子密钥分发过程和由量子密钥分发装置B发射两路光信号、量子密钥分发装置A进行测量的两个反向量子密钥分发过程。其中正向两路光信号的两个量子密钥分发过程如下：

量子密钥分发装置A中，所述第一激光器LD1发出水平偏振的光脉冲信号P1，经过第一强度调制器IM1、第一可调衰减器VOA1调制强度后，进入第六偏振分束器PBS6的第一端口，从其第三端口透射，沿保偏光纤慢轴传播，经第三环形器CIR3到达不等臂马赫曾德尔干涉仪后，被分成前后两个时间模式P1E和P1L，从第二分束器BS2的第一端口出射。二者幅度相等，均沿保偏光纤慢轴传播，先后进入第十偏振分束器PBS10的第一端口，从其第三端口透射，经过90°偏振旋转之后沿保偏光纤快轴传播。随后到达第十二偏振分束器PBS12的第一端口，被反射到第三端口，经过第五相位调相器PM5调制相位差为φ1A，随后到达第十一偏振分束器PBS11的第三端口，被反射到第一端口，沿保偏光纤快轴传播，最后到达第十偏振分束器PBS10的第二端口，从第四端口透射，沿保偏光纤快轴传播，记为第一量子态Q1A。

所述第二激光器LD2发出水平偏振的光脉冲信号P2，相对于P1具有一定的延时。P2经过第二强度调制器IM2、第二可调衰减器VOA2调制强度后，进入第六偏振分束器PBS6的第二端口，从其第三端口反射，沿保偏光纤快轴传播，随后经第三环形器CIR3到达不等臂马赫曾德尔干涉仪，被分成前后两个时间模式P2E和P2L，从第二分束器BS2的第一端口出射。二者幅度相等，均沿保偏光纤快轴传播，先后进入第十偏振分束器PBS10的第一端口，从其第二端口反射，随后到达第十一偏振分束器PBS11的第一端口，透射到第二端口，经过第六相位调相器PM6调制相位差为φ2A，随后到达第十二偏振分束器PBS12的第二端口，透射到第一端口，沿保偏光纤慢轴传播，经过90°偏振旋转之后沿保偏光纤快轴传播，最后到达第十偏振分束器PBS10的第三端口，从第四端口出射，沿保偏光纤慢轴传播，记为第二量子态Q2A。

所述第一量子态QA1和第二量子态Q2A先后从量子密钥分发装置A的输出端口出射，经过光纤信道传输后到达量子密钥分发装置B。所述量子密钥分发装置B的结构与量子密钥分发装置A完全相同。第一量子态QA1和第二量子态Q2A首先进入量子密钥分发装置B的第十偏振分束器PBS10的第四端口，透射到第二端口，到达第十一偏振分束器PBS11的第一端口，被反射到第三端口，经过第五相位调相器PM5调制相位差为φ1B，随后到达第十二偏振分束器PBS12的第三端口，被反射到第一端口，沿保偏光纤快轴传播，经过90°偏振旋转后沿保偏光纤慢轴传播，最后到达第十偏振分束器PBS10的第三端口，从第一端口透射，沿保偏光纤慢轴传播，经过不等臂马赫曾德尔干涉仪进行干涉，干涉结果沿保偏光纤慢轴传播，分别从第一分束器BS1的第一端口和第四端口出射，概率分别为[1+cos(φ1B-φ1A)]/2和[1-cos(φ1B-φ1A)]/2。其中从第一分束器BS1的第一端口出射的干涉结果到达第三环形器CIR3的第二端口，从第三端口出射到达第七偏振分束器PBS7的第一端口，直接透射到第二端口，到达第一单光子探测器SPD1进行探测。从第一分束器BS1的第四端口出射的干涉结果到达第一偏振分束器PBS1的第一端口，直接透射到第二端口，进入第三单光子探测器SPD3进行探测。根据探测结果并经过对基、后处理等过程即可得到该路光信号的安全量子密钥。

量子态Q2A沿保偏光纤慢轴传播，被第十偏振分束器PBS10反射到第三端口，沿保偏光纤快轴传播，经过90°偏振旋转后沿保偏光纤慢轴传播，到达第十二偏振分束器PBS12的第一端口，透射到第二端口，经第六相位调制器PM6调制相位差为φ2B，随后到达第十一偏振分束器PBS11的第二端口，从第一端口透射，沿保偏光纤慢轴传播，最后到达第十偏振分束器PBS10的第二端口，从第一端口反射，沿保偏光纤快轴传播，经过不等臂马赫曾德尔干涉仪进行干涉，干涉结果沿保偏光纤快轴传播，分别从第一分束器BS1的第一端口和第四端口出射，概率分别为[1+cos(φ2B-φ2A)]/2和[1-cos(φ2B-φ2A)]/2。其中从第一分束器BS1的第一端口出射的干涉结果到达第三环形器CIR3的第二端口，从第三端口出射到达第七偏振分束器PBS7的第一端口，被反射到第三端口，到达第二单光子探测器SPD2进行探测。从第一分束器BS1的第四端口出射的干涉结果到达第一偏振分束器PBS1的第一端口，被反射到第三端口，进入第四单光子探测器SPD4进行探测。根据探测结果并经过对基、后处理等过程即可得到该路光信号的安全量子密钥。

反向两路光信号的两个量子密钥分发过程与正向类似，可得到偏振复用的两路反向光信号的安全量子密钥，因此整个系统工作时可同时进行四个量子密钥分发过程，所产生的安全成码率可提高至4倍。

如图5所示，本发明的全时全通量子密钥分发网络，以三用户为例进行说明：

所述三用户全时全通网络包括用户A、用户B、用户C、第一信道C1、第二信道C2以及第三信道C3，所述用户A包括偏振复用量子密钥分发装置A（简称装置A）和第十三偏振分束器PBS13，所述装置A与第十三偏振分束器PBS13的第一端口相连；所述用户B包括偏振复用量子密钥分发装置B（简称装置B）和第十四偏振分束器PBS14，所述装置B与第十四偏振分束器PBS14的第一端口相连；所述用户C包括偏振复用量子密钥分发装置C（简称装置C）和第十五偏振分束器PBS15，所述装置C与第十五偏振分束器PBS15的第一端口相连；所述装置A、装置B以及装置C的结构完全相同；所述第十三偏振分束器PBS13的第二端口、第三端口分别通过第一信道C1、第三信道C3与第十四偏振分束器PBS14的第三端口、第十五偏振分束器PBS15的第二端口相连；所述第十四偏振分束器PBS14的第二端口通过第二信道C2与第十五偏振分束器PBS15的第三端口相连。

所述用户A的装置A发出第一量子态Q1A和第二量子态Q2A，到达第十三偏振分束器PBS13的第一端口，Q1A沿保偏光纤快轴传播，被反射到第十三偏振分束器PBS13的第三端口，经第三信道C3到达用户C的第十五偏振分束器PBS15的第二端口，直接透射到第一端口，进入装置C进行解码测量，根据测量结果以及对基和后处理过程可以形成用户A和用户C之间的第一量子密钥；Q2A沿保偏光纤慢轴传播，透射到第十三偏振分束器PBS13的第二端口，经第一信道C1到达用户B的第十四偏振分束器PBS14的第三端口，被反射到第一端口，进入装置B进行解码测量，根据测量结果以及对基和后处理过程可以形成用户A和用户B之间的第一量子密钥。

所述用户B的装置B发出第一量子态Q1B和第二量子态Q2B，到达第十四偏振分束器PBS14的第一端口，Q1B沿保偏光纤快轴传播，被反射到第十四偏振分束器PBS14的第三端口，经第一信道C1到达用户A的第十三偏振分束器PBS13的第二端口，直接透射到第一端口，进入装置A进行解码测量，根据测量结果以及对基和后处理过程可以形成用户B和用户A之间的第二量子密钥；Q2B沿保偏光纤慢轴传播，透射到第十四偏振分束器PBS14的第二端口，经第二信道C2到达用户C的第十五偏振分束器PBS15的第三端口，被反射到第一端口，进入装置C进行解码测量，根据测量结果以及对基和后处理过程可以形成用户B和用户C之间的第一量子密钥。

所述用户C的装置C发出第一量子态Q1C和第二量子态Q2C，到达第十五偏振分束器PBS15的第一端口，Q1C沿保偏光纤快轴传播，被反射到第十五偏振分束器PBS15的第三端口，经第二信道C2到达用户B的第十四偏振分束器PBS14的第二端口，直接透射到第一端口，进入装置B进行解码测量，根据测量结果以及对基和后处理过程可以形成用户C和用户B之间的第二量子密钥；Q2C沿保偏光纤慢轴传播，透射到第十五偏振分束器PBS15的第二端口，经第三信道C3到达用户A的第十三偏振分束器PBS13的第三端口，被反射到第一端口，进入装置A进行解码测量，根据测量结果以及对基和后处理过程可以形成用户C和用户A之间的第二量子密钥。

可以看出，本发明方案可实现三用户全时全通网络，各用户两两之间可以生成两套量子密钥。

综合本发明实施例可知，本发明提出一种偏振复用量子密钥分发装置及全时全通量子密钥分发网络，通过将两路同向的光信号进行偏振复用，并进行双向通信，可将量子密钥分发系统的安全成码率提高至4倍；而且装置无需区分发送端和接收端，降低了设计和制作难度；两路光信号共用一个干涉仪，同时双向的信号采用双向相位调制模块进行分别调制，无需复杂的时序控制，降低了系统的复杂度和成本，便于进行相位补偿；另外，任意两套装置均可进行双向量子密钥分发，易于组网，可实现全时全通的量子通信网络，大大提高了装置的实用性。

Claims (8)

1.一种偏振复用量子密钥分发装置，其特征在于，包括第一激光器LD1、第二激光器LD2、第一强度调制器IM1、第二强度调制器IM2、第一可调衰减器VOA1、第二可调衰减器VOA2、偏振光路选择模块、第一分束器BS1、第二分束器BS2、第一偏振分束器PBS1、第一单光子探测器SPD1、第二单光子探测器SPD2、第三单光子探测器SPD3、第四单光子探测器SPD4以及双向相位调制模块，所述第一激光器LD1、第二激光器LD2分别连接第一强度调制器IM1、第二强度调制器IM2之后与偏振光路选择模块的第一端口、第二端口相连，所述第一强度调制器IM1与偏振光路选择模块之间设置有第一可调衰减器VOA1，所述第二强度调制器IM2与偏振光路选择模块之间设置有第二可调衰减器VOA2；所述偏振光路选择模块的第四端口、第五端口分别连接第一单光子探测器SPD1、第二单光子探测器SPD2；所述偏振光路选择模块的第三端口与第一分束器BS1的第一端口相连；所述第一分束器BS1的第二端口、第三端口分别通过长臂光纤、短臂光纤与第二分束器BS2的第二端口、第三端口相连，构成不等臂马赫曾德尔干涉仪；所述第一分束器BS1的第四端口与第一偏振分束器PBS1第一端口相连；所述第一偏振分束器PBS1的第二端口和第三端口分别与第三单光子探测器SPD3和第四单光子探测器SPD4相连；所述第二分束器BS2的第一端口与双向相位调制模块的第一端口相连；所述双向相位调制模块的第二端口同时作为所述量子密钥分发装置的输入端口和输出端口。

2.如权利要求1所述的偏振复用量子密钥分发装置，其特征在于，所述偏振光路选择模块包括第一环形器CIR1、第二环形器CIR2以及第二偏振分束器PBS2，所述第一环形器CIR1的第二端口、第二环形器CIR2的第二端口分别于第二偏振分束器PBS2的第一端口、第二端口相连；所述第一环形器CIR1的第一端口、第三端口、第二环形器CIR2的第一端口、第三端口以及第二偏振分束器PBS2的第三端口分别作为偏振光路选择模块的第一端口、第四端口、第二端口、第五端口以及第三端口。

3.如权利要求1所述的偏振复用量子密钥分发装置，其特征在于，所述偏振光路选择模块包括第三偏振分束器PBS3、第四偏振分束器PBS4、第五偏振分束器PBS5、第一法拉第旋转器FR1和第二法拉第旋转器FR2，所述第一法拉第旋转器FR1和第二法拉第旋转器FR2的偏振旋转角度均为45°；所述第三偏振分束器PBS3的第二端口、第四偏振分束器PBS4的第二端口分别连接第一法拉第旋转器FR1和第二法拉第旋转器FR2后与第五偏振分束器PBS5的第一端口、第二端口相连；所述第三偏振分束器PBS3的第一端口、第三端口、第四偏振分束器PBS4的第一端口、第三端口以及第五偏振分束器PBS5的第三端口分别作为偏振光路选择模块的第一端口、第四端口、第二端口、第五端口以及第三端口。

4.如权利要求1所述的偏振复用量子密钥分发装置，其特征在于，所述偏振光路选择模块包括第六偏振分束器PBS6、第七偏振分束器PBS7、和第三环形器CIR3，所述第六偏振分束器PBS6的第三端口与第三环形器CIR3的第一端口相连；所述第三环形器CIR3的第三端口与第七偏振分束器PBS7的第一端口相连；所述第六偏振分束器PBS6的第一端口、第二端口、第三环形器CIR3的第二端口、第七偏振分束器PBS7的第二端口、第三端口分别作为偏振光路选择模块的第一端口至第五端口。

5.如权利要求1或2或3或4所述的偏振复用量子密钥分发装置，其特征在于，所述双向相位调制模块包括第四环形器CIR4、第一相位调制器PM1、第二相位调制器PM2、第一法拉第反射镜FM1和第二法拉第反射镜PM2，所述第四环形器CIR4的第一端口和第三端口分别作为双向相位调制模块的第一端口和第二端口；所述第四环形器CIR4的第二端口、第四端口分别连接第一相位调制器PM1、第二相位调制器PM2后与第一法拉第反射镜FM1、第二法拉第反射镜PM2相连。

6.如权利要求1或2或3或4所述的偏振复用量子密钥分发装置，其特征在于，所述双向相位调制模块包括第五环形器CIR5、第三相位调制器PM3、第四相位调制器PM4、第八偏振分束器PBS8和第九偏振分束器PBS9，所述第五环形器CIR5的第一端口和第三端口分别作为双向相位调制模块的第一端口和第二端口；所述第五环形器CIR5的第二端口、第四端口分别与第八偏振分束器PBS8的第一端口、第九偏振分束器PBS9的第一端口相连；所述第八偏振分束器PBS8的第二端口、第三端口通过光纤和第三相位调制器PM3相连；所述第九偏振分束器PBS9的第二端口、第三端口通过光纤和第四相位调制器PM4相连。

7.如权利要求1或2或3或4所述的偏振复用量子密钥分发装置，其特征在于，所述双向相位调制模块包括第十偏振分束器PBS10、第十一偏振分束器PBS11、第十二偏振分束器PBS12、第五相位调制器PM5和第六相位调制器PM6，所述第十偏振分束器PBS10的第一端口和第四端口分别作为双向相位调制模块的第一端口和第二端口；所述第十偏振分束器PBS10的第二端口与第十一偏振分束器PBS11的第一端口相连；所述第十偏振分束器PBS10的第三端口通过保偏光纤进行90°熔接后与第十二偏振分束器PBS12的第一端口相连；所述第十一偏振分束器PBS11的第二端口、第三端口分别连接第六相位调制器PM6、第五相位调制器PM5之后与第十二偏振分束器PBS12的第二端口、第三端口相连。

8.一种全时全通量子密钥分发网络，其特征在于，包括N个网络节点，每个网络节点包括一台权利要求1或2或3或4或5或6或7的量子密钥分发装置和一个偏振分束器；所述偏振分束器包括一个输入端口和两个输出端口；所述偏振分束器的输入端口与量子密钥分发装置的输出端口相连；每个所述节点偏振分束器的两个输出端口分别通过光纤信道与相连两个节点的偏振分束器的一个输出端口相连。

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