CN116760462A - 一种光路检测方法、量子密钥分发设备及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种光路检测方法、量子密钥分发设备及系统，用以实现光路检测。该方法包括：局端QKD设备包括光路选择模块、光环行器、同步光发射模块、单光子探测模块和信号处理模块。局端QKD设备确定进行光路检测时，通过光路选择模块将局端QKD设备的状态切换至检测状态；控制同步光发射模块发射检测光脉冲，并接收线路光纤返回的回波信号；检测光脉冲经光环行器向远端QKD设备发射，回波信号经光环行器和光路选择模块返回至单光子探测模块；通过单光子探测模块对回波信号进行光电转换，得到电信号；通过信号处理模块对电信号进行光路回波分析处理，确定光路状态。这样，可以通过同步光发射模块、单光子探测模块实现光路检测。
Description
技术领域
本申请涉及量子通信领域，特别涉及一种光路检测方法、量子密钥分发设备及系统。
背景技术
量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)是密码学与量子力学相结合的产物，以量子态为信息载体，基于量子力学的测不准关系和量子不可克隆定理，通过量子信道使通信收发双方共享密钥。
在基于单光子的典型QKD网络中，同步信道与量子信道采用相同的路径以提升系统同步精度，进而提升系统量子密钥成码率。量子光信号主要通过对光信号进行衰减以达到每脉冲单光子水平(典型光功率小于-70dBm)。量子光信号一般需要首先生成脉冲光信号，经过量子态调制和光路适配后才能发射到光纤上。
在光通信网络的建设和运维中，通常会使用光时域反射仪(Optical Time DomainReflectometer，OTDR)来进行光纤链路特性的测试。但是，QKD系统对光纤链路状态比较敏感，采用OTDR无法及时监控光纤链路的状态，不利于QKD网络的建设和维护。
发明内容
本申请提供一种光路检测方法、量子密钥分发设备及系统，用以实现光路检测。
第一方面，本申请实施例提供一种光路检测方法，应用于局端量子密钥分发QKD设备，所述局端QKD设备包括光路选择模块、光环行器、同步光发射模块、单光子探测模块和信号处理模块；该方法包括：
确定对局端QKD设备与远端QKD设备之间的线路光纤进行检测时，通过所述光路选择模块将所述局端QKD设备的状态切换至检测状态；
在所述局端QKD设备处于所述检测状态时，控制所述同步光发射模块向所述远端QKD设备发射检测光脉冲，并接收所述线路光纤返回的检测光脉冲的回波信号；所述检测光脉冲经所述光环行器向所述远端QKD设备发射，所述回波信号经所述光环行器和所述光路选择模块返回至所述单光子探测模块；
通过所述单光子探测模块对所述回波信号进行光电转换，得到电信号；
通过所述信号处理模块对所述电信号进行光路回波分析处理，确定所述线路光纤的状态信息。
在该方法中，局端QKD设备可以利用同步光发射模块、单光子探测模块实现光纤链路状态检测，并利用光路选择模块将局端QKD设备的状态切换至检测状态，以使局端QKD设备实施光路检测。并且，局端QKD设备还可以通过信号处理模块对光电转换后的回波信号进行光路回波分析处理，确定线路光纤的状态信息，从而对线路光纤的故障进行定位。
一种可选的实施方式为，所述通过所述光路选择模块将所述局端QKD设备的状态切换至检测状态，包括：
向所述光路选择模块发送检测信号，确定所述光路选择模块的检测端口，并将所述局端QKD设备的状态切换至所述检测状态。
在上述实施方式中，可以通过选择光路选择模块的检测端口，来将局端QKD设备的状态切换至检测状态。
一种可选的实施方式为，所述局端QKD设备还包括第一合分波器；所述检测光脉冲经所述光环行器和所述第一合分波器进入所述线路光纤向所述远端QKD设备发射；所述回波信号经所述第一合分波器、所述光环行器和所述光路选择模块的检测端口进入所述单光子探测模块进行光电转换。
在上述实施方式中，局端QKD设备采用光环行器可以将正向发射的检测光脉冲，和返回的回波信号进行分离，避免信号之间干扰，从而可以提高光路检测的准确率。
一种可选的实施方式为，所述局端QKD设备还包括第四合分波器，所述远端QKD设备包括第二合分波器和第三合分波器，所述线路光纤包括所述第一合分波器和所述第二合分波器之间的连纤、以及所述第三合分波器和所述第四合分波器之间的连纤，所述回波信号还可以为所述第二合分波器、所述第三合分波器、所述第二合分波器和所述第三合分波器之间的连纤、以及所述第四合分波器产生的回波信号。
在上述实施方式中，本申请可以通过回波信号对线路光纤的故障位置进行确定。
一种可选的实施方式为，所述局端QKD设备还包括光源模块；在确定对局端QKD设备与远端QKD设备之间的线路光纤进行检测之前，所述方法还包括：
通过所述光路选择模块将所述局端QKD设备的状态切换至工作状态；
在所述局端QKD设备处于所述工作状态时，控制所述光源模块向所述远端QKD设备发送第一量子光脉冲，以及控制所述同步光发射模块向所述远端QKD设备发送同步光信号；
通过所述第四合分波器接收所述远端QKD设备返回的第二量子光脉冲和同步光信号。
在上述实施方式中，本申请将量子光和同步光的光收发部分放置在局端QKD设备上，通过线路光纤为远端QKD设备提供脉冲光，从而降低了远端QKD设备的建设和维护成本。并且，本申请将量子光和同步光的收发部分，以及光路检测部分集成在局端QKD设备上，便于后续管理和维护，并且简化了远端QKD设备功能，降低其建设和维护成本。
一种可选的实施方式为，所述通过所述光路选择模块将所述局端QKD设备的状态切换至工作状态，包括：
向所述光路选择模块发送工作信号，确定所述光路选择模块的工作端口，并将所述局端QKD设备的状态切换至所述工作状态。
通过上述实施方式，本申请可以将局端QKD设备的状态切换至工作状态。
一种可选的实施方式为，所述第一量子光脉冲到达所述远端QKD设备的量子光路径为：所述第一量子光脉冲经所述第一合分波器和所述线路光纤到达所述远端QKD设备。
通过上述实施方式，本申请中的局端QKD设备可以实现量子光发射。
一种可选的实施方式为，所述同步光信号到达所述远端QKD设备的同步光路径为：所述同步光信号经所述光环行器、所述第一合分波器和所述线路光纤到达所述远端QKD设备。
通过上述实施方式，本申请中的局端QKD设备可以实现同步光发射。
一种可选的实施方式为，所述局端QKD设备还包括同步光接收模块和量子光调解模块；
在通过所述第四合分波器接收所述远端QKD设备返回的所述第二量子光脉冲和所述同步光信号之后，所述第二量子光脉冲经所述量子光解调模块和所述光路选择模块的工作端口，进入所述单光子探测模块进行光电转换；所述同步光信号进入所述同步光接收模块。
通过上述实施方式，本申请中的局端QKD设备可以接收远端QKD设备返回的同步光信号。
第二方面，本申请实施例提供一种量子密钥分发QKD设备，包括光源模块、光环行器、光路选择模块、信号处理模块、单光子探测模块、同步光发射模块、同步光接收模块、量子光调解模块、第一合分波器、第四合分波器和处理器；
其中，所述处理器具体用于：
确定对局端QKD设备与远端QKD设备之间的线路光纤进行检测时，通过所述光路选择模块将所述局端QKD设备的状态切换至检测状态；
在所述局端QKD设备处于所述检测状态时，控制所述同步光发射模块向所述远端QKD设备发射检测光脉冲，并接收所述线路光纤返回的检测光脉冲的回波信号；所述检测光脉冲经所述光环行器向所述远端QKD设备发射，所述回波信号经所述光环行器和所述光路选择模块返回至所述单光子探测模块；
通过所述单光子探测模块对所述回波信号进行光电转换，得到电信号；
通过所述信号处理模块对所述电信号进行光路回波分析处理，确定所述线路光纤的状态信息。
一种可选的实施方式为，所述处理器具体用于：
向所述光路选择模块发送检测信号，确定所述光路选择模块的检测端口，并将所述局端QKD设备的状态切换至所述检测状态。
一种可选的实施方式为，所述检测光脉冲经所述光环行器和所述第一合分波器进入所述线路光纤向所述远端QKD设备发射；所述回波信号经所述第一合分波器、所述光环行器和所述光路选择模块的检测端口进入所述单光子探测模块进行光电转换。
一种可选的实施方式为，所述局端QKD设备还包括第四合分波器，所述远端QKD设备包括第二合分波器和第三合分波器，所述线路光纤包括所述第一合分波器和所述第二合分波器之间的连纤、以及所述第三合分波器和所述第四合分波器之间的连纤，所述回波信号还可以为所述第二合分波器、所述第三合分波器、所述第二合分波器和所述第三合分波器之间的连纤、以及第四合分波器产生的回波信号。
一种可选的实施方式为，在确定对局端QKD设备与远端QKD设备之间的线路光纤进行检测之前，所述处理器还用于：
通过所述光路选择模块将所述局端QKD设备的状态切换至工作状态；
在所述局端QKD设备处于所述工作状态时，控制所述光源模块向所述远端QKD设备发送第一量子光脉冲，以及控制所述同步光发射模块向所述远端QKD设备发送同步光信号；
通过所述第四合分波器接收所述远端QKD设备返回的第二量子光脉冲和所述同步光信号。
一种可选的实施方式为，所述处理器具体用于：
向所述光路选择模块发送工作信号，确定所述光路选择模块的工作端口，并将所述局端QKD设备的状态切换至所述工作状态。
一种可选的实施方式为，所述第一量子光脉冲到达所述远端QKD设备的量子光路径为：所述第一量子光脉冲经所述第一合分波器和所述线路光纤到达所述远端QKD设备。
一种可选的实施方式为，所述同步光信号到达所述远端QKD设备的同步光路径为：所述同步光信号经所述光环行器、所述第一合分波器和所述线路光纤到达所述远端QKD设备。
一种可选的实施方式为，在通过所述第四合分波器接收所述远端QKD设备返回的所述第二量子光脉冲和所述同步光信号之后，所述第二量子光脉冲经所述量子光解调模块和所述光路选择模块的工作端口，进入所述单光子探测模块进行光电转换；所述同步光信号进入所述同步光接收模块。
第三方面，本申请实施例提供一种量子密钥分发QKD系统，包括局端QKD设备和远端QKD设备；其中，局端QKD设备为上述第二方面所记载的QKD设备；远端QKD设备包括第二合分波器、量子光调制模块、量子光适配模块和第三合分波器。
第四方面，本申请实施例还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有计算机程序指令，当所述指令在计算机上运行时，使得所述计算机执行如第一方面所记载的光路检测方法。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1本申请实施例提供的一种QKD系统的架构示意图；
图2本申请实施例提供的另一种QKD系统的架构示意图；
图3本申请实施例提供的一种光路检测方法的流程示意图；
图4本申请实施例提供的一种QKD系统的具体架构示意图；
图5本申请实施例提供的一种量子光路径的示意图；
图6本申请实施例提供的一种同步光路径的示意图；
图7本申请实施例提供的一种检测光路径的示意图；
图8本申请实施例提供的一种光路检测方法的完整流程示意图；
图9为本申请实施例提供的一种QKD设备的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部份实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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它实施例，都属于本申请保护的范围。
下面对文中出现的一些术语进行解释：
(1)光时域反射仪(Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)，是利用光线在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射而制成的精密的光电一体化仪表，它被广泛应用于光缆线路的维护、施工之中，可进行光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减和故障定位等的测量。
OTDR的工作原理是通过检测脉冲激光在光纤线路上的瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射光随时间的能量分布曲线来分析得到光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减和故障定位等特性。
(2)光环行器，是一种正向导通、反向隔离的多端口非互易无源器件，从1端口进的光将从2端口出，从2端口进的光将从3端口出。
下文中所用的词语“示例性”的意思为“用作例子、实施例或说明性”。作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
文中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在基于单光子的典型量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)网络中，同步信道与量子信道采用相同的路径以提升系统同步精度，进而提升系统量子密钥成码率。量子光信号主要通过对光信号进行衰减以达到每脉冲单光子水平(典型光功率小于-70dBm)。量子光信号一般需要首先生成脉冲光信号，经过量子态调制和光路适配后才能发射到光纤上。
在光通信网络的建设和运维中，通常会使用OTDR来进行光纤链路特性的测试。但是，QKD系统对光纤链路状态比较敏感，采用OTDR无法及时监控光纤链路的状态，不利于QKD网络的建设和维护。
基于上述问题，本申请提供一种光路检测方法、量子密钥分发设备及系统，该方法包括：局端QKD设备包括光路选择模块、光环行器、同步光发射模块、单光子探测模块和信号处理模块；局端QKD设备在确定对局端QKD设备与远端QKD设备之间的线路光纤进行检测时，通过光路选择模块将局端QKD设备的状态切换至检测状态，使局端QKD设备进入检测状态。局端QKD设备在处于检测状态时，可以控制同步光发射模块向远端QKD设备发射检测光脉冲，并接收线路光纤返回的检测光脉冲的回波信号；其中，检测光脉冲经光环行器向远端QKD设备发射，回波信号经光环行器和光路选择模块返回至单光子探测模块；通过单光子探测模块对回波信号进行光电转换，得到电信号；并通过信号处理模块对电信号进行光路回波分析处理，确定线路光纤的状态信息。这样，局端QKD设备可以利用同步光发射模块、光环行器、光路选择模块和单光子探测模块实现对线路光纤的检测，确定线路光纤的故障位置，从而可以有效地对线路光纤进行监控，维护QKD系统的稳定。
如图1所示，本申请实施例提供一种QKD系统的架构示意图。具体地，如图1所示，该QKD系统包括局端QKD设备100和远端QKD设备200。
其中，局端QKD设备100可以向远端设备QKD设备200发射检测光脉冲来检测局端QKD设备100与远端设备QKD设备200之间的线路光纤。
如图2所示，局端QKD设备100可以包括光环行器、光路选择模块、同步光发射模块、单光子探测模块和信号处理模块。
其中，同步光发射模块，用于发射用于同步的光信号或用于检测光路的检测光脉冲信号。
光环行器，用于将散射或反射回的检测光脉冲的回波信号与正向发射的检测光脉冲信号分离开。检测光脉冲的回波信号经由光环行器进入到光路选择模块。
光路选择模块，用于切换工作端口和检测端口以选择信号进入单光子探测模块。当光路选择模块选择检测端口时，光路选择模块选择回波信号进入单光子探测模块。当光路选择模块选择工作端口时，光路选择模块选择量子光信号进入单光子探测模块。
单光子探测模块，用于将光信号转换为电信号。具体地，单光子探测模块可以将接收到的回波信号转换为电信号，并将电信号发送给信号处理模块。
信号处理模块，用于对电信号进行分析，处理回波信号所携带的线路光纤的状态信息，确定线路光纤的故障。
在一些实施例中，局端QKD设备100还可以包括处理器控制同步光发射模块和光路选择模块。
如图3所示，本申请实施例还提供一种光路检测方法，应用于局端QKD设备，例如，图2所示的局端QKD设备。该方法包括以下步骤：
S301：确定对局端QKD设备与远端QKD设备之间的线路光纤进行检测时，通过光路选择模块将局端QKD设备的状态切换至检测状态。
局端QKD设备在确定对局端QKD设备与远端设备之间的线路光纤进行检测时，通过光路选择模块将局端QKD设备的状态切换至检测状态，避免信号处理对非回波信号进行处理分析。
在一些实施例中，局端QKD设备中的处理器可以向光路选择模块发送检测信号，确定光路选择模块的检测端口，并将局端QKD设备的状态切换至检测状态。
在一些示例中，光路选择模块接收到检测信号后，选择检测端口。局端QKD设备在确定光路选择模块选择检测端口后，切换至检测状态。
S302：在局端QKD设备处于检测状态时，控制同步光发射模块向远端QKD设备发射检测光脉冲，并接收线路光纤返回的检测光脉冲的回波信号。
其中，检测光脉冲经光环行器向远端QKD设备发射，回波信号经光环行器和光路选择模块的检测端口返回至单光子探测模块。
局端QKD设备控制同步光发射模块向远端QKD设备发射检测光脉冲，检测光脉冲在线路光纤上传输时，经过反射或折射会产生检测光脉冲的回波信号。回波信号会原路返回至局端QKD设备。
回波信号可以经由线路光纤进入局端QKD设备，在局端QKD设备中可以经光环行器和光路选择模块的检测端口进入单光子探测模块。
在一些实施例中，检测光脉冲还可以经由线路光纤进入远端QKD设备，再经由远端QKD设备和线路光纤进入局端QKD设备。
由于光路选择模块选择检测端口，则光路选择模块选择回波信号进入单光子探测模块。
S303：通过单光子探测模块对回波信号进行光电转换，得到电信号。
S304：通过信号处理模块对电信号进行光路回波分析处理，确定线路光纤的状态信息。
在一些实施例中，信号处理模块在接收到电信号后，对电信号中所携带的线路光纤的状态信息进行分析，确定线路光纤的故障。
在本申请实施例中，局端QKD设备可以利用光路选择模块来实现工作状态和检测状态的切换；并且，局端QKD设备还可以利用同步光发射模块、光环行器、光路选择模块和单光子探测模块实现光路检测，并且还可以通过信号处理模块对光电转换后的回波信号进行光路回波分析处理，确定线路光纤的状态信息，从而对线路光纤的故障进行定位。
在一些实施例中，局端QKD设备不仅可以进行光路检测，还可以发射接收量子光脉冲和同步光信号。
如图4所示，本申请实施例提供一种通信系统的具体架构示意图。其中，局端QKD设备100包括光源模块、第一合分波器、同步光发射模块、光环行器、信号处理模块、单光子探测模块、光路选择模块、同步光接收模块、量子光解调模块和第四合分波器。
远端QKD设备200包括第二合分波器、第三合分波器、量子光适配模块和量子光调制模块。
其中，光源模块，用于发射量子光脉冲。
同步光发射模块，用于发射同步光信号和检测光脉冲。
同步光接收模块，用于接收同步光信号。
在一些实施例中，光源模块、同步光收发模块均放置在局端QKD设备，且还可以采用可插拔模式，便于维护且可降低维护成本。
合分波器(第一合分波器、第二合分波器、第三合分波器、第四合分波器)，用于实现量子光脉冲和同步光信号的合分波。
光环行器，用于分离检测光脉冲和检测光脉冲的回波信号。
信号处理模块，用于处理回波信号携带的线路光纤的状态信息。
单光子探测模块，用于进行光电转换。
光路选择模块，用于切换端口，选择进入单光子探测模块的解调后的量子光脉冲或回波信号。
量子光调制模块，用于实现量子态光信号调制功能，对量子光脉冲进行调制。
量子光适配模块，用于将调制后的量子光脉冲衰减至单光子水平。
量子光解调模块，用于对调制后的量子光脉冲进行解调。
在一些实施例中，局端QKD设备在正常工作时，通过光路选择模块将局端QKD设备的状态切换至工作状态。局端QKD设备在处于工作状态时，控制光源模块向远端QKD设备发送第一量子光脉冲，以及控制同步光发射模块向远端QKD设备发送第一同步光信号。
局端QKD设备中的处理器可以向光路选择模块发送工作信号，确定光路选择模块的工作端口，并将局端QKD设备的状态切换至工作状态。示例性的，光路选择模块在接收到工作信号后，选择工作端口。局端QKD设备确定光路选择模块选择工作端口后，将状态切换至工作状态。
如图5所示，本申请实施例提供一种量子光路径的示意图。图5中的虚线表征量子光脉冲的行走路径。如图5所示，光源模块发射第一量子光脉冲后，第一量子光脉冲到达远端QKD设备200的量子光路径为：第一量子光脉冲经第一合分波器和线路光纤达到远端QKD设备200。第一量子光脉冲到达远端QKD设备后，经由第二合分波器到达量子光调制模块。第一量子光脉冲经由量子光调制模块调制以及量子光适配模块调整后，得到第二量子光脉冲。第二量子光脉冲经由第三合分波器和线路光纤到达局端QKD设备100。局端QKD设备100通过第四合分波器接收到远端QKD设备返回的第二量子光脉冲后，第二量子光脉冲经量子光解调模块和光路选择模块的工作端口，进入单光子探测模块进行光电转换。
在一些实施例中，单光子探测模块可以将解调后的第二量子光脉冲光电转换得到的电信号传输给局端QKD设备的处理器，由处理器对确定第二量子光脉冲的调制信息，并进行处理。
如图6所示，本申请实施例提供一种同步光路径的示意图。图6中的虚线表征同步光信号的行走路径。如图6所示，同步光发射模块发射同步光信号后，同步信号到达远端QKD设备200的同步光路径为：同步光信号经光环行器、第一合分波器和线路光纤到达远端QKD设备200。远端QKD设备200通过第二合分波器接收同步光信号，同步光信号在远端QKD设备200中经第二合分波器到达第三合分波器。同步光信号经远端QKD设备200的第三合分波器输出，经线路光纤进入局端QKD设备100。
如图6所示，同步光信号经局端QKD设备100的第四合分波器进入局端QKD设备的同步光接收模块。
在一些实施例中，图5和图6仅是对局端QKD设备100处于工作状态下，量子光脉冲和同步光信号的路径展示。在局端QKD设备100处于工作状态时，光源模块和同步光发射模块是同时发射第一量子光脉冲和同步光信号的。
第一量子光脉冲和同步光信号在第一合分波器进行合波，得到第一信号。第一信号经由线路光纤到达远端QKD设备的第二合分波器。第二合分波器对第一信号进行分波处理，得到第一量子光脉冲和同步光信号。第一量子光脉冲经由量子光调制模块和量子光适配模块，得到调制后的第二量子光脉冲。第二量子光脉冲和同步光信号到达第三合分波器，第三合分波器对第二量子光脉冲和同步光信号进行合波处理，得到第二信号。第二信号经线路光纤进入局端QKD设备的第四合分波器。第四合分波器对第二信号进行分波处理，得到第二量子光脉冲和同步光信号。同步光信号进入同步光接收模块，第二量子光脉冲经量子光解调模块解调后，经光路选择模块的工作端口进入单光子探测模块。
在一些实施例中，局端QKD设备在工作状态下，确定是否进行光路检测。若局端QKD设备确定进行光路检测时，通过光路选择模块将局端QKD设备的状态由工作状态切换至检测状态。
在一些实施例中，当局端QKD设备进入检测状态时，局端QKD设备控制光源模块停止发射量子光脉冲。
局端QKD设备可以控制同步光发射模块向远端QKD设备发射检测光脉冲，并接收线路光纤返回的检测光脉冲的回波信号。
在一些实施例中，检测光脉冲在线路光纤、第二合分波器、第二合分波器与第三合分波器之间的连纤、第三合分波器、以及第四合分波器上传输时，可能会发生散射或反射，并且，产生的散射或反射回波信号会原路返回。
在一些示例中，线路光纤包括局端QKD设备的第一合分波器与远端QKD设备第二合分波器之间的连纤，和局端QKD设备的第四合分波器与远端QKD设备第三合分波器之间的连纤。
局端QKD设备通过第一合分波器接收返回的回波信号。回波信号经光环行器和光路选择模块的检测端口进入单光子探测模块进行光电转换。
单光子探测模块将进行光电转换后的回波信号的电信号，输入信号处理模块。信号处理模块可以对电信号进行光路回波分析处理，确定回波信号中所携带的线路光纤的状态信息。示例性的，线路光纤的状态信息包括但不限于：光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减和故障定位。
局端QKD设备可以根据确定出的线路光纤的状态信息，确定线路光纤是否存在故障，在确定其存在故障时可以确定故障位置，降低了故障维护成本。
例如，如图7所示，本申请实施例提供一种检测光路径的示意图。其中，局端QKD设备100确定进行光路检测时，通过光路选择模块将局端QKD设备的状态切换至检测状态。局端QKD设备100控制同步光发射模块发射检测光脉冲。图7中的虚线为检测光路的路径。如图7所示，检测光脉冲经过光环行器、第一合分波器后进入线路光纤。检测光脉冲经过线路光纤，进入远端QKD设备200的第二合分波器。检测光脉冲经过第二合分波器、第二合分波器与第三合分波器之间的连纤、第三合分波器，进入线路光纤。由于线路光纤发生故障，检测光脉冲无法经过，直接原路返回。
如图7所示，检测光脉冲的回波信号经局端QKD设备100的第一合分波器、光环行器、光路选择模块的检测端口，进入单光子探测模块。其中，回波信号中还包括检测光脉冲经由线路光纤、第二合分波器和连纤时，产出的回波信号。单光子探测模块对回波信号进行光电转换，并将转换后的回波信号发送给信号处理模块。信号处理模块对电信号进行光路回波分析处理，确定线路光纤的状态信息。信号处理模块根据状态信息确定局端QKD设备100的第四合分波器与远端QKD设备200的第三合分波器之间的线路光纤出现故障。信号处理模块还可以给出故障位置，从而可以有效的对故障进行维护。
本申请实施例提供的QKD系统，不仅可以实现量子密钥分发，还可以利用同步光发射模块、光环行器、光路选择模块、单光子探测模块实现光纤链路状态检测，且可以利用光路选择模块实现工作状态和检测状态的切换。另外，量子光发射端与接收端一般采用分离模式，且量子光发射端一般放置在用户远端，激光器故障率相对较高，不利于后续维护。而本申请将量子光和同步光的光收发部分装置放置在局端QKD设备上，通过光纤为远端设备提供脉冲光，提高了局端QKD设备的集成度，也便于后续的管理和维护；并且，降低用户远端QKD设备复杂度，从而降低了远端QKD设备的建设和维护成本。
如图8所示，本申请实施例提供一种光路检测方法的完整流程示意图，应用于局端QKD设备，其中，局端QKD设备可以是图4中的局端QKD设备100，包括以下步骤：
S801：确定正常工作时，通过光路选择模块将局端QKD设备的状态切换至工作状态。
在一些实施例中，局端QKD设备的处理器可以向光路选择模块发送工作信号，确定所述光路选择模块的工作端口，并将局端QKD设备的状态切换至工作状态。
S802：在局端QKD设备处于工作状态时，控制同步光发射模块向远端QKD设备发射同步光信号，以及控制光源模块向远端QKD设备发射第一量子光脉冲。
在一些实施例中，同步光信号经由局端QKD设备的光环行器进入第一合分波器。局端QKD设备通过第一合分波器对同步光信号和第一量子光脉冲进行合波处理，得到第一信号。第一信号经过线路光纤进入远端QKD设备。
远端QKD设备通过第二合分波器接收第一量子光脉冲和同步光信号。远端QKD设备通过量子光调制模块和量子光适配模块对第一量子光脉冲进行调制、衰减，得到第二量子光脉冲。
远端QKD设备通过第三合分波器将第二量子光脉冲和同步光信号发送至局端QKD设备。
S803：通过第四合分波器接收远端QKD设备返回的第二量子光脉冲和同步光信号。
在一些实施例中，第二量子光脉冲经量子光解调模块和光路选择模块的工作端口，进入单光子探测模块进行光电转换；同步光信号进入同步光接收模块。
S804：确定是否进行光路检测；若是，则执行步骤S805；若否，则执行步骤S802。
S805：通过光路选择模块将局端QKD设备的状态切换至检测状态。
在一些实施例中，局端QKD设备的处理器可以向光路选择模块发送检测信号，确定所述光路选择模块的检测端口，并将局端QKD设备的状态切换至检测状态。
S806：在局端QKD设备处于检测状态时，控制同步光发射模块向远端QKD设备发射检测光脉冲。
S807：接收线路光纤返回的检测光脉冲的回波信号。
在一些实施例中，回波信号还可以为第二合分波器、第三合分波器、第二合分波器和第三合分波器之间的连纤、以及第四合分波器产生的回波信号。
S808：通过单光子探测模块对回波信号进行光电转换，得到电信号。
S809：通过信号处理模块对电信号进行光路回波分析处理，确定线路光纤的状态信息。
S810：根据线路光纤的状态信息，确定故障位置。
基于图8所示的内容，本申请实施例提供的局端QKD设备可以进行量子密钥分发，还可以进行光路检测；并且，量子光和同步光的收发部分装置集成在局端QKD设备上，通过光纤为远端QKD设备提供脉冲波，从而降低了远端QKD设备的建设和维护成本。
与上述光路检测方法的实施例相对应地，本申请实施例还提供了一种QKD设备，如图1中所示的局端QKD设备100。
在该实施例中，QKD设备的结构如图9所示，QKD设备900包括光源模块、光环行器、光路选择模块、信号处理模块、单光子探测模块、同步光发射模块、同步光接收模块、量子光调解模块、第一合分波器、第四合分波器和处理器；
其中，所述处理器具体用于：
确定对局端QKD设备与远端QKD设备之间的线路光纤进行检测时，通过所述光路选择模块将所述局端QKD设备的状态切换至检测状态；
在所述局端QKD设备处于所述检测状态时，控制所述同步光发射模块向所述远端QKD设备发射检测光脉冲，并接收所述线路光纤返回的检测光脉冲的回波信号；所述检测光脉冲经所述光环行器向所述远端QKD设备发射，所述回波信号经所述光环行器和所述光路选择模块返回至所述单光子探测模块；
通过所述单光子探测模块对所述回波信号进行光电转换，得到电信号；
通过所述信号处理模块对所述电信号进行光路回波分析处理，确定所述线路光纤的状态信息。
一种可选的实施方式为，所述处理器具体用于：
向所述光路选择模块发送检测信号，确定所述光路选择模块的检测端口，并将所述局端QKD设备的状态切换至所述检测状态。
一种可选的实施方式为，所述检测光脉冲经所述光环行器和所述第一合分波器进入所述线路光纤向所述远端QKD设备发射；所述回波信号经所述第一合分波器、所述光环行器和所述光路选择模块的检测端口进入所述单光子探测模块进行光电转换。
一种可选的实施方式为，所述局端QKD设备还包括第四合分波器，所述远端QKD设备包括第二合分波器和第三合分波器，所述线路光纤包括所述第一合分波器和所述第二合分波器之间的连纤、以及所述第三合分波器和所述第四合分波器之间的连纤，所述回波信号还可以为所述第二合分波器、所述第三合分波器、所述第二合分波器和所述第三合分波器之间的连纤、以及第四合分波器产生的回波信号。
一种可选的实施方式为，在确定对局端QKD设备与远端QKD设备之间的线路光纤进行检测之前，所述处理器还用于：
通过所述光路选择模块将所述局端QKD设备的状态切换至工作状态；
在所述局端QKD设备处于所述工作状态时，控制所述光源模块向所述远端QKD设备发送第一量子光脉冲，以及控制所述同步光发射模块向所述远端QKD设备发送同步光信号；
通过所述第四合分波器接收所述远端QKD设备返回的第二量子光脉冲和所述同步光信号。
一种可选的实施方式为，所述处理器具体用于：
向所述光路选择模块发送工作信号，确定所述光路选择模块的工作端口，并将所述局端QKD设备的状态切换至所述工作状态。
一种可选的实施方式为，所述第一量子光脉冲到达所述远端QKD设备的量子光路径为：所述第一量子光脉冲经所述第一合分波器和所述线路光纤到达所述远端QKD设备。
一种可选的实施方式为，所述同步光信号到达所述远端QKD设备的同步光路径为：所述同步光信号经所述光环行器、所述第一合分波器和所述线路光纤到达所述远端QKD设备。
一种可选的实施方式为，在通过所述第四合分波器接收所述远端QKD设备返回的所述第二量子光脉冲和所述同步光信号之后，所述第二量子光脉冲经所述量子光解调模块和所述光路选择模块的工作端口，进入所述单光子探测模块进行光电转换；所述同步光信号进入所述同步光接收模块。
本申请实施例针对通信方法还提供一种计算设备可读存储介质，即断电后内容不丢失。该存储介质中存储软件程序，包括程序代码，当程序代码在计算设备上运行时，该软件程序在被一个或多个处理器读取并执行时可实现本申请实施例上面任何一种光路检测方法的方案。
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，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (11)
1.一种光路检测方法，其特征在于，应用于局端量子密钥分发QKD设备，所述局端QKD设备包括光路选择模块、光环行器、同步光发射模块、单光子探测模块和信号处理模块；包括：
确定对局端QKD设备与远端QKD设备之间的线路光纤进行检测时，通过所述光路选择模块将所述局端QKD设备的状态切换至检测状态；所述局端QKD设备处于检测状态时进行光路检测；
在所述局端QKD设备处于所述检测状态时，控制所述同步光发射模块向所述远端QKD设备发射检测光脉冲，并接收所述线路光纤返回的检测光脉冲的回波信号；所述检测光脉冲经所述光环行器向所述远端QKD设备发射，所述回波信号经所述光环行器和所述光路选择模块返回至所述单光子探测模块；
通过所述单光子探测模块对所述回波信号进行光电转换，得到电信号；
通过所述信号处理模块对所述电信号进行光路回波分析处理，确定所述线路光纤的状态信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过所述光路选择模块将所述局端QKD设备的状态切换至检测状态，包括：
向所述光路选择模块发送检测信号，确定所述光路选择模块的检测端口，并将所述局端QKD设备的状态切换至所述检测状态。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述局端QKD设备还包括第一合分波器；所述检测光脉冲经所述光环行器和所述第一合分波器进入所述线路光纤向所述远端QKD设备发射；所述回波信号经所述第一合分波器、所述光环行器和所述光路选择模块的检测端口进入所述单光子探测模块进行光电转换。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述局端QKD设备还包括第四合分波器，所述远端QKD设备包括第二合分波器和第三合分波器，所述线路光纤包括所述第一合分波器和所述第二合分波器之间的连纤、以及所述第三合分波器和所述第四合分波器之间的连纤，所述回波信号还可以为所述第二合分波器、所述第三合分波器、所述第二合分波器和所述第三合分波器之间的连纤、以及所述第四合分波器产生的回波信号。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述局端QKD设备还包括光源模块；在确定对局端QKD设备与远端QKD设备之间的线路光纤进行检测之前，所述方法还包括：
通过所述光路选择模块将所述局端QKD设备的状态切换至工作状态；
在所述局端QKD设备处于所述工作状态时，控制所述光源模块向所述远端QKD设备发送第一量子光脉冲，以及控制所述同步光发射模块向所述远端QKD设备发送同步光信号；
通过所述第四合分波器接收所述远端QKD设备返回的第二量子光脉冲和同步光信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述通过所述光路选择模块将所述局端QKD设备的状态切换至工作状态，包括：
向所述光路选择模块发送工作信号，确定所述光路选择模块的工作端口，并将所述局端QKD设备的状态切换至所述工作状态。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一量子光脉冲到达所述远端QKD设备的量子光路径为：所述第一量子光脉冲经所述第一合分波器和所述线路光纤到达所述远端QKD设备。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述同步光信号到达所述远端QKD设备的同步光路径为：所述同步光信号经所述光环行器、所述第一合分波器和所述线路光纤到达所述远端QKD设备。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述局端QKD设备还包括同步光接收模块和量子光调解模块；
在通过所述第四合分波器接收所述远端QKD设备返回的所述第二量子光脉冲和所述同步光信号之后，所述第二量子光脉冲经所述量子光解调模块和所述光路选择模块的工作端口，进入所述单光子探测模块进行光电转换；所述同步光信号进入所述同步光接收模块。
10.一种量子密钥分发QKD设备，其特征在于，包括光源模块、光环行器、光路选择模块、信号处理模块、单光子探测模块、同步光发射模块、同步光接收模块、量子光调解模块、第一合分波器、第四合分波器和处理器；
其中，所述处理器用于执行如权利要求1-9任一项所述的方法。
11.一种量子密钥分发QKD系统，其特征在于，包括局端QKD设备和远端QKD设备；
其中，所述局端QKD设备为权利要求10所述的QKD设备；
所述远端QKD设备包括第二合分波器、量子光调制模块、量子光适配模块和第三合分波器。
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