CN115664650A - 一种共纤量子密钥分配系统、方法及无源光网络 - Google Patents

Abstract

本发明涉及量子信息技术领域，尤其是指一种共纤量子密钥分配系统、方法及无源光网络。本发明所述的共纤量子密钥分配系统，通过在无源光网络的光分配网ODN部分增加一个巧妙设计的光定制开关，并配合波分复用器的组合使用，根据时分复用的规则，自动地将量子信号线路切换至与当前发光的光网络单元连接，使得量子信号通过光定制开关传输，由此，量子信号传输不经过光分路器，从而避免了光分路器对量子信号的分光损耗。

Description

一种共纤量子密钥分配系统、方法及无源光网络

技术领域

本发明涉及量子信息技术领域，尤其是指一种共纤量子密钥分配系统、方法及无源光网络。

背景技术

现有的技术中，已授权的实用新型专利CN207706187U-基于无源光网络(PON)的波分复用型量子密码通信装置，通过在光网络单元(ONU)设备前面增加一个陷波滤波器，来滤除与量子信号同波长的经典信号，然后将非同波长的经典信号与量子信号共纤传输，从而减少ONU设备产生的带内经典噪声对QKD系统的影响；

已授权的实用新型专利CN208015742U-量子密钥分发系统与PON设备共纤传输系统，通过在光线路终端(OLT)和ONU前面各增加一个自适应光衰减/放大装置，实现既降低经典信号对量子密钥分配(QKD)的影响，又保证无源光网络正常运行。

以上两个在无源光网络中实现共纤QKD的专利，主要解决的问题是经典噪声对QKD系统信噪比的影响。而且，以上两个专利存在一个共同的缺点，量子信号在通过光分配网(ODN)部分的无源光分路器时不可避免会产生损耗，对于1：n的分路器，每个量子信号只有1/n的概率通过光分路器到达量子密钥分配接收端，这将严重降低QKD量子信号的传输效率，即严重降低QKD系统的信噪比，影响无源光网络中QKD系统的安全密钥率和最大安全传输距离。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中光分路器对量子信号的分光损耗问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种共纤量子密钥分配系统，布置于无源光网络中，所述无源光网络包括光线路终端、光分配网和若干光网络单元，所述共纤量子密钥分配系统包括：

第一量子密钥分配单元，部署在所述光线路终端；

第二量子密钥分配单元，包括若干第二量子密钥分配子单元，对应部署在所述若干光网络单元；

光分路器，部署在所述光分配网中；

光定制开关，部署在所述光分配网中；以及

波分复用接口，部署在所述光线路终端、所述光分配网和所述若干光网络单元，用以支持所述光线路终端与所述光分配网之间、所述光分配网与所述若干光网络单元之间的共纤通信；

当任一光网络单元在工作时刻发送一第一波段的经典信号时，触发对应的所述第二量子密钥分配子单元发送一第二波段的量子信号，所述经典信号与所述量子信号通过所述波分复用接口进行合波和分波后，达到所述光分配网中，所述光定制开关打开对应当前工作的光网络单元所在通道，使得所述量子信号通过所述光定制开关，并且

通过到达所述第一量子密钥分配单元或者与所述第一量子密钥分配单元发送的量子信号配对，完成所述光线路终端与该光网络单元之间共享量子密钥。

优选地，所述光定制开关包括：

切换控制模块，用于检测当前工作的光网络单元，并输出一个控制信号；

连接模块，与所述切换控制模块连接，用于根据所述控制信号，将量子信号线路切换至与所述切换控制模块检测到的当前工作的光网络单元连接。

优选地，所述切换控制模块包括：

多个分光器，通过波分复用接口与所述若干光网络单元对应连接，用于按照预设比例，从经典信号中分出一部分光强，并将其余经典信号发送至所述光分路器；

多通道光电探测器，其多个输入通道分别与所述多个分光器对应连接，用于根据所述光强，检测当前工作的光网络单元。

优选地，所述共纤量子密钥分配系统基于制备-测量型协议,即所述第二量子密钥分配单元为量子密钥分配发射端，所述第一量子密钥分配单元为量子密钥分配接收端。

优选地，所述共纤量子密钥分配系统基于类量子中继型量子密钥分配协议,即所述第一量子密钥分配单元和所述第二量子密钥分配单元均为量子密钥分配发射端，并在光定制开关的输出端与所述波分复用接口间部署一量子测量设备。

优选地，所述共纤量子密钥分配系统基于类量子中继型量子密钥分配协议,所述第一量子密钥分配单元和所述第二量子密钥分配单元均为量子密钥分配发射端，并在所述第一量子密钥分配单元与所述波分复用接口间部署一量子测量设备。

优选地，所述波分复用接口的隔离度不低于60dB。

本发明还提供了一种无源光网络，包括：

光线路终端侧，包括光线路终端、第一量子密钥分配单元和波分复用接口；

光网络单元侧，包括若干个光网络单元，以及每个光网络单元对应配置的第二量子密钥分配子单元和波分复用接口；

光分配网络，包括光分路器、光定制开关和分别面向光线路终端侧和光网络单元侧设置的波分复用接口；

当任一光网络单元在工作时刻发送一第一波段的经典信号时，触发对应的所述第二量子密钥分配子单元发送一第二波段的量子信号，所述经典信号与所述量子信号通过所述波分复用接口进行合波和分波后，达到所述光分配网中，所述光定制开关打开对应当前工作的光网络单元所在通道，使得所述量子信号通过所述光定制开关，并且

通过到达所述第一量子密钥分配单元或者与所述第一量子密钥分配单元发送的量子信号配对，完成所述光线路终端与该光网络单元之间共享量子密钥。

本发明还提供了一种共纤量子密钥分配方法，包括：

当上述的共纤量子密钥分配系统中的第二量子密钥分配子单元被对应光网络单元在工作时刻发送的第一波段的经典信号触发时，发送一第二波段的量子信号；

当所述经典信号与所述量子信号通过所述波分复用接口进行合波和分波后，达到所述光分配网中，利用光定制开关打开对应当前工作的光网络单元所在通道，使得所述量子信号通过所述光定制开关，并且

通过到达所述第一量子密钥分配单元或者与所述第一量子密钥分配单元发送的量子信号配对，完成所述光线路终端与该光网络单元之间共享量子密钥。

优选地，所述利用光定制开关打开对应当前工作的光网络单元所在通道，使得所述量子信号通过所述光定制开关包括：

利用切换控制模块检测当前工作的光网络单元，并控制连接模块将量子信号线路切换至与检测到的当前工作的光网络单元连接。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述一种面向无源光网络的共纤量子密钥分配方法的步骤。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的共纤量子密钥分配(QKD)系统，通过在无源光网络的光分配网ODN部分增加一个巧妙设计的光定制开关，并配合波分复用器的组合使用，根据时分复用的规则，自动地将量子信号线路切换至与当前发光的光网络单元连接，使得量子信号通过光定制开关传输，由此，量子信号传输不经过光分路器，从而避免了光分路器对量子信号的分光损耗。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1是本发明一种共纤量子密钥分配系统的结构图；

图2为本发明基于制备-测量型协议的共纤量子密钥分配系统的结构图；

图3是本发明第一种实施例提供的光分配网部分部署示意图；

图4是本发明第二种实施例提供的光分配网部分部署示意图；

图5是本发明第一种基于量子中继型协议的共纤量子密钥分配系统的结构图；

图6是本发明第二种基于量子中继型协议的共纤量子密钥分配系统的结构图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种共纤量子密钥分配系统、方法及计算机存储介质，避免了光分路器对量子信号的分光损耗。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

无源光网络作为固定网络接入的主流技术，主要应用于运营商家庭/商业用户接入，并在逐渐向大型企业园区扩展(POL)，甚至向行业网扩展(F5G)，具有旺盛的发展前景。无源光网络技术有许多细分的种类，但是其根基都是已一样的，无源光网络架构有如下特点：

(1)PON是一种点到多点结构的无源光网络，由光线路终端OLT、光网络单元ONU和光分配网ODN组成，其中“无源”是指ODN部分无源；

(2)PON既可以采用一级分光，也可以采用二级分光，接入半径(OLT与ONU的距离)一般在20公里以内；

(3)无源光网络上下行通信所采用的波长不同，对于常见的EPON和GPON，下行波长是1490nm，上行波长是1310nm，双向通信互不影响，为双向全双工通信；

(4)由于无源分路器的特性，无源光网络下行采用广播的方式传输数据。对于下行的数据，每个ONU主动过滤自己的数据(例如通过I D)，同时OLT发给每个ONU的数据由它与该ONU共享的对称密钥加密，从而实现ONU既接收到属于自己的数据，也保证数据的机密性；

(5)由于每个ONU上行的光信号波长相同，上行通信采用时分复用的方式进行。ONU根据OLT对时隙的分配，在属于自己的时隙发光，即发送数据。

请参考图1，图1为本发明一种共纤量子密钥分配系统的结构图，所述共纤量子密钥分配系统布置于无源光网络中，所述无源光网络包括光线路终端、光分配网和若干光网络单元，其中，光线路终端OLT，发射的下行经典信号波长1490nm；光网络单元ONU，发射的上行经典信号波长是1310nm；

所述共纤量子密钥分配系统包括：

第一量子密钥分配单元1，部署在所述光线路终端2；

第二量子密钥分配单元3，包括若干第二量子密钥分配子单元，对应部署在所述若干光网络单元4；QKD单元是量子密钥分配终端(可为接收端或发射端)，发射的量子信号波长在C波段，比如1550nm；OLT/ONU与QKD之间通过电信号连接，比如网线，用于管理信号的经典通信。

光分路器BS 5，部署在所述光分配网中，根据具体需要分光比可调，这里假设是1：n；

光定制开关OS 6，部署在所述光分配网中；以及

部署在所述光线路终端的波分复用接口FWDM 7、部署在所述光分配网的波分复用接口8和部署在所述若干光网络单元的波分复用接口9，用以支持所述光线路终端与所述光分配网之间、所述光分配网与所述若干光网络单元之间的共纤通信，FWDM是一种常用的波分复用器，可以将O波段和C波段的光进行合波和分波，为了降低经典噪声对QKD系统信噪比的影响，建议FWDM的隔离度不低于60dB；

在上行方向：

当任一光网络单元在工作时刻发送一第一波段的经典信号时，触发对应的所述第二量子密钥分配子单元发送一第二波段的量子信号，所述经典信号与所述量子信号通过所述波分复用接口进行合波和分波后，达到所述光分配网中，所述光定制开关打开对应当前工作的光网络单元所在通道，使得所述量子信号通过所述光定制开关，并且

通过到达所述第一量子密钥分配单元或者与所述第一量子密钥分配单元发送的量子信号配对，完成所述光线路终端与该光网络单元之间共享量子密钥。

在下行方向：

OLT发射的经典信号与QKD发射的量子信号通过部署在光线路终端侧、的波分复用器接口进行合波和分波，复用进一根光纤进行传输，即共纤传输，到达光分路器后，广播至各个光网络单元；

请参考图2，图2为本发明基于制备-测量型协议(比如BB84协议)的共纤量子密钥分配系统的结构图，所述第二量子密钥分配单元为量子密钥分配发射端(QKD-T)，所述第一量子密钥分配单元为量子密钥分配接收端(QKD-R)。

本发明所述的共纤量子密钥分配系统，通过在无源光网络的光分配网ODN部分增加一个巧妙设计的光定制开关，并配合波分复用器的组合使用，根据时分复用的规则，自动地将量子信号线路切换至与当前发光的光网络单元连接，使得量子信号通过光定制开关传输，由此，量子信号传输不经过光分路器，从而避免了光分路器对量子信号的分光损耗。

基于以上实施例，本实施例对光定制开关进行进一步说明：

如图3，所述部署在光分配网侧的光定制开关包括：

切换控制模块10，用于检测当前工作的光网络单元，并输出一个控制信号；

连接模块11，与所述切换控制模块连接，用于根据所述控制信号，将量子信号线路切换至与所述切换控制模块检测到的当前工作的光网络单元连接。

如图4，所述切换控制模块包括：

多个分光器BS₁、BS₂……BS_n 12(分束比没有固定的要求，可以设置成50:50,90:10等等，建议是分到光定制开关OS的光强不大于分到光分路器BS的光强，因为分到OS处的光强作用是检测哪个ONU在发光，不能影响正常的上行通信)，通过波分复用接口与所述若干光网络单元对应连接，用于按照预设比例，从经典信号中分出一部分光强，并将其余经典信号发送至所述光分路器；

多通道光电探测器13，其多个输入通道分别与所述多个分光器对应连接，用于根据所述光强，检测当前工作的光网络单元。

ONU发射的上行经典信号通过BS_n分光后，到达切换控制模块的时间是不同且满足时分复用规则的，切换控制模块根据光电探测器PD响应信号时间的先后顺序(或者根据是哪个输入端口引起的PD响应)，反推出来是哪个ONU在发光工作，从而确定OLT侧的QKD与哪个ONU侧的QKD相连接，并通过连接模块实现量子线路的切换与联通。比如，假设从ONU1到ONUn依次发光，那么ONU1的上行信号最先达到切换控制模块，该信号对应的输入口引起探测器PD最先响应，此时切换控制模块控制连接模块实现OLT侧的QKD与ONU1对应的QKD1相连，完成量子密钥分配，产生的量子密钥为OLT与ONU1所共享，用于后续上下行经典信号的加解密传输。依次类推，直到OLT侧的QKD通过光开关与ONUn对应的QKDn相连实现量子密钥分配。

本方案的ODN部分可以独立封装，作为量子加密无源光网络的ODN装置。

本发明所提供的共纤量子密钥分配系统，也适用于类量子中继型量子密钥分配协议(比如测量设备无关MDI-量子密钥分配协议和双场TF-量子密钥分配协议)，自OLT侧量子密钥分配发射端的量子信号与来自ONU侧量子密钥分配发射端的量子信号在量子测量设备中完成量子信号测量，如图5所示，所述第一量子密钥分配单元和所述第二量子密钥分配单元均为量子密钥分配发射端，并在所述第一量子密钥分配单元与所述波分复用接口间部署一量子测量设备14。

如图6所示，所述第一量子密钥分配单元和所述第二量子密钥分配单元均为量子密钥分配发射端(QKD-T)，并在光定制开关的输出端与所述波分复用接口间部署一量子测量设备14。

本发明还提供了一种面向无源光网络的共纤量子密钥分配方法，包括：

在下行方向：OLT下行的经典信号通过波分复用接口与量子信号进行合波和分波后，进入到ODN部分的光分路器，通过广播的方式，到达ONU进行正常的无源光网络通信；

在上行方向：

当上述的共纤量子密钥分配系统中的第二量子密钥分配子单元被对应光网络单元在工作时刻发送的第一波段的经典信号触发时，发送一第二波段的量子信号；

当所述经典信号与所述量子信号通过所述波分复用接口进行合波和分波后，达到所述光分配网中，利用光定制开关切换控制模块检测当前工作的光网络单元，并控制连接模块将量子信号线路切换至与检测到的当前工作的光网络单元连接，使得所述量子信号通过所述光定制开关，并且

通过到达所述第一量子密钥分配单元或者与所述第一量子密钥分配单元发送的量子信号配对，完成所述光线路终端与该光网络单元之间共享量子密钥。

本发明利用FWDM实现无源光网络经典信号与量子信号的合波与分波，并且进行多级合波和分波，利用光分路器BS、光定制开关和FWDM避免原有网络的光分路器对量子信号的严重损耗，利用ONU的时分复用模式、光分路器和光开关实现不同量子线路的切换和区分。

本发明还提供了一种无源光网络，其特征在于，包括：

光线路终端侧，包括光线路终端、第一量子密钥分配单元和波分复用接口；

光网络单元侧，包括若干个光网络单元，以及每个光网络单元对应配置的第二量子密钥分配子单元和波分复用接口；

光分配网络，包括光分路器、光定制开关和分别面向光线路终端侧和光网络单元侧设置的波分复用接口；

当任一光网络单元在工作时刻发送一第一波段的经典信号时，触发对应的所述第二量子密钥分配子单元发送一第二波段的量子信号，所述经典信号与所述量子信号通过所述波分复用接口进行合波和分波后，达到所述光分配网中，所述光定制开关打开对应当前工作的光网络单元所在通道，使得所述量子信号通过所述光定制开关，并且

通过到达所述第一量子密钥分配单元或者与所述第一量子密钥分配单元发送的量子信号配对，完成所述光线路终端与该光网络单元之间共享量子密钥。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种共纤量子密钥分配系统，布置于无源光网络中，所述无源光网络包括光线路终端、光分配网和若干光网络单元，其特征在于，所述共纤量子密钥分配系统包括：

第一量子密钥分配单元，部署在所述光线路终端；

第二量子密钥分配单元，包括若干第二量子密钥分配子单元，对应部署在所述若干光网络单元；

光分路器，部署在所述光分配网中；

光定制开关，部署在所述光分配网中；以及

波分复用接口，部署在所述光线路终端、所述光分配网和所述若干光网络单元，用以支持所述光线路终端与所述光分配网之间、所述光分配网与所述若干光网络单元之间的共纤通信；

当任一光网络单元在工作时刻发送一第一波段的经典信号时，触发对应的所述第二量子密钥分配子单元发送一第二波段的量子信号，所述经典信号与所述量子信号通过所述波分复用接口进行合波和分波后，达到所述光分配网中，所述光定制开关打开对应当前工作的光网络单元所在通道，使得所述量子信号通过所述光定制开关，并且

通过到达所述第一量子密钥分配单元或者与所述第一量子密钥分配单元发送的量子信号配对，完成所述光线路终端与该光网络单元之间共享量子密钥。

2.根据权利要求1所述的共纤量子密钥分配系统，其特征在于，所述光定制开关包括：

切换控制模块，用于检测当前工作的光网络单元，并输出一个控制信号；

连接模块，与所述切换控制模块连接，用于根据所述控制信号，将量子信号线路切换至与所述切换控制模块检测到的当前工作的光网络单元连接。

3.根据权利要求2所述的共纤量子密钥分配系统，其特征在于，所述切换控制模块包括：

多个分光器，通过波分复用接口与所述若干光网络单元对应连接，用于按照预设比例，从经典信号中分出一部分光强，并将其余经典信号发送至所述光分路器；

多通道光电探测器，其多个输入通道分别与所述多个分光器对应连接，用于根据所述光强，检测当前工作的光网络单元。

4.根据权利要求1所述的共纤量子密钥分配系统，其特征在于，基于制备-测量型协议,即所述第二量子密钥分配单元为量子密钥分配发射端，所述第一量子密钥分配单元为量子密钥分配接收端。

5.根据权利要求1所述的共纤量子密钥分配系统，其特征在于，基于类量子中继型量子密钥分配协议,即所述第一量子密钥分配单元和所述第二量子密钥分配单元均为量子密钥分配发射端，并在光定制开关的输出端与所述波分复用接口间部署一量子测量设备。

6.根据权利要求1所述的共纤量子密钥分配系统，其特征在于，基于类量子中继型量子密钥分配协议,所述第一量子密钥分配单元和所述第二量子密钥分配单元均为量子密钥分配发射端，并在所述第一量子密钥分配单元与所述波分复用接口间部署一量子测量设备。

7.根据权利要求1所述的共纤量子密钥分配系统，其特征在于，所述波分复用接口的隔离度不低于60dB。

8.一种无源光网络，其特征在于，包括：

光线路终端侧，包括光线路终端、第一量子密钥分配单元和波分复用接口；

光网络单元侧，包括若干个光网络单元，以及每个光网络单元对应配置的第二量子密钥分配子单元和波分复用接口；

光分配网络，包括光分路器、光定制开关和分别面向光线路终端侧和光网络单元侧设置的波分复用接口；

当任一光网络单元在工作时刻发送一第一波段的经典信号时，触发对应的所述第二量子密钥分配子单元发送一第二波段的量子信号，所述经典信号与所述量子信号通过所述波分复用接口进行合波和分波后，达到所述光分配网中，所述光定制开关打开对应当前工作的光网络单元所在通道，使得所述量子信号通过所述光定制开关，并且

通过到达所述第一量子密钥分配单元或者与所述第一量子密钥分配单元发送的量子信号配对，完成所述光线路终端与该光网络单元之间共享量子密钥。

9.一种共纤量子密钥分配方法，其特征在于，包括：

当如权利要求1-7任一项所述的共纤量子密钥分配系统中的第二量子密钥分配子单元被对应光网络单元在工作时刻发送的第一波段的经典信号触发时，发送一第二波段的量子信号；

当所述经典信号与所述量子信号通过所述波分复用接口进行合波和分波后，达到所述光分配网中，利用光定制开关打开对应当前工作的光网络单元所在通道，使得所述量子信号通过所述光定制开关，并且

通过到达所述第一量子密钥分配单元或者与所述第一量子密钥分配单元发送的量子信号配对，完成所述光线路终端与该光网络单元之间共享量子密钥。

10.根据权利要求9所述的共纤量子密钥分配方法，其特征在于，所述利用光定制开关打开对应当前工作的光网络单元所在通道，使得所述量子信号通过所述光定制开关包括：

利用切换控制模块检测当前工作的光网络单元，并控制连接模块将量子信号线路切换至与检测到的当前工作的光网络单元连接。

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