CN203968127U - 多用户波分复用量子密钥分发网络系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种多用户波分复用量子密钥分发网络系统，包括一个Alice控制站、一组脉冲输送线路和多个Bob用户端。该系统将Alice端的单光源多波长激光器同时产生的多波长脉冲作为多用户信息传输的载体，脉冲传输线路以波长寻址的方式将各个波长脉冲发送到不同的合法用户。本实用新型采用单光源多波长激光器代替多光源结构，减小信号发射装置的成本，单一相位调制器代替多相位调制器结构，保证了相位调制一致性和稳定性的同时，也降低了系统成本；用户终端采用可变延时装置，调整各用户之间返回脉冲的返回时刻，保证了网络的灵活性；本系统具有较高可实施性，且用户数量可以增加，具有良好拓展性。

Description

多用户波分复用量子密钥分发网络系统

技术领域

本实用新型涉及光纤通信与量子通信网络领域，更具体地，涉及一种多用户波分复用QKD(量子密钥分发)网络系统。 

背景技术

传统密码技术的安全性由数学上的计算复杂度来保证，但面对日益强大的计算能力，其安全性受到巨大威胁。量子密码技术的安全性不依赖于计算的复杂度，而是基于量子力学基本原理，即海森堡测不准原理和未知量子态不可克隆原理。量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)能以绝对安全的方式让处于不同地理位置的合法参与者(通常用Alice和Bob表示)分享密钥，双方的密钥发送信道可以是自由空间或者光纤，采用光纤作为传输信道的QKD取得了很大的进步。 

目前大多数实现的QKD都采用微弱光脉冲的偏振或相位作为信息的载体。然而由于光纤的双折射和环境的影响，基于偏振调制的系统很难部署到实际的光纤网络链路上进行远距离密钥分发，即便基于相位调制的系统也会受到光纤双折射的影响。即插即用系统——一种往返的QKD系统，以通过自动补偿光纤双折射效应来消除其对系统所带来的影响，因此在传输过程中不需要任何偏振控制系统就可以保证系统在较长一段时间内的操作稳定性。但目前光纤QKD大部分都是点对点应用，无法直接扩展多用户网络应用，这是限制其走向大规模应用的主要障碍之一。 

目前已有的QKD网络主要采用两种技术：一种是基于光学节点的QKD网络，光学节点可以是分光器，光开关、波分复用器或者其他光学被动器件；另一种是基于可信中继的QKD网络，其难点在于保持中继的可靠性。相较于第二种QKD网络，基于光学节点的QKD网络无需必须保证光学节点的绝对可靠性。基于分光器的量子密钥分发网络具有安全性好、容易实现的优点，但也存在一个非常明显的缺点，就是其网络扩展会严重影响单用户密钥生成率和传输距离。Alice发射的平均光子数为μ的光脉冲被分光器分成N份，其中N为用户数，这样发 送给每个接收端Bob的平均光子数为μN，那么最终的密钥生成率会因为光子数的减少降为单用户密钥生成率的N分之一。随着用户数N的增加，网络的传输距离及单用户密钥生成率都会随之成倍减小。早期基于波分复用技术(Wavelength Division Multiplexing，WDM)的可调谐波长光源多用户QKD方案虽然可以不再将发射方Alice发射的脉冲均分给不同的用户，但同一时刻激光器产生的脉冲仍然为单一波长脉冲，只能服务于单一用户，这造成了多用户不能同时工作的困境，而且从全局时间来看，单用户的密钥生成率仍然受困于用户规模，即随着用户数的增加，单用户的密钥生成率会减小。后续的改进方案中虽然都试图解决密钥生成率随用户数的增加而减小的问题，但新的问题随之出现，比如不同用户之间的相互干扰，这给网络中用户增加了不必要的误码，而且这些方案的实际可行性也有待进一步验证。 

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种多用户波分复用量子密钥分发网络系统，该系统将单光源多波长激光器同时产生的多波长脉冲作为多用户信息传输的载体，将各个波长脉冲发送到不同的合法用户，各用户相对独立，保证单用户的密钥生成率稳定，不会随着用户的增加而减小。 

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案： 

一种多用户波分复用量子密钥分发网络系统，包括Alice控制端、脉冲输送线路和Bob用户端，Alice控制端通过脉冲输送线路与Bob用户端连接。 

所述Alice控制端包括多波长脉冲产生装置、环形器、耦合器、非平衡干涉仪以及两个单光子探测器组；多波长脉冲产生装置输出的脉冲组经过环形器后，通过耦合器注入到非平衡干涉仪，非平衡干涉仪长臂上顺次包含有短延迟线、单一相位调制器和偏振分束器，非平衡干涉仪短臂接偏振分束器，一单光子探测器组通过环形器接耦合器的输入端，另一单光子探测器组接耦合器的耦合端。 

所述Bob用户端包括分束器、用于调制脉冲加载相位信息的上支路和用于为上支路提供参考信息和系统安全监控的下支路，Alice控制端中的偏振分束器通过脉冲输送线路接Bob用户端的分束器，分束器的输出端分别接上、下支路。 

所述上支路包括顺次连接的可变光衰减器、脉冲延时装置、光纤延迟线、相位调制器以及反射装置，分束器的上输出端接可变光衰减器。 

所述下支路包括顺次连接的可变光衰减器和经典探测器，分束器的下输出端接可变光衰减器。 

多波长脉冲产生装置能够产生满足多个用户同时通信所需的多波长激光脉冲，相比于采用单波长光源组方案，该脉冲产生方案既可以降低脉冲产生和控制成本，又可以摒弃单波长光源组方案所产生脉冲的差异性。非平衡干涉仪的长臂上单一相位调制器同时为网络中所有用户加载相位信息，单一相位调制器代替常用的多相位调制器结构，保证了相位调制一致性和稳定性的同时，也降低了系统成本。两个单光子探测器组根据返回脉冲在干涉仪输出端的干涉情况，分别记录干涉结果，而单光子探测器组中某一波长探测模块的响应与否，在于与之对应的波长脉冲是否发生了相长干涉。单光子探测器组中响应的探测模块在每次探测事件之后会进入休眠时间，即通过加入死时间来消除后脉冲所引起的干扰计数，降低系统误码率。 

每一Bob用户都将入射脉冲分成强弱两路，上支路(较弱一路)用于调制脉冲加载相位信息，下支路(较强一路)主要用于为上支路提供参考信息和系统安全监控。上支路通过脉冲延时装置设置每个Bob用户的脉冲延时，使每个用户的脉冲能够几乎同时返回到Alice端。光纤延迟线则专为消除前向强脉冲的瑞利散射光而设置，让返回脉冲错开较强的前向强脉冲产生的瑞利散射光。下支路的入射脉冲由可变光衰减器对其进行适当衰减以防止探测器饱和，最后由经典探测器接收，为上支路脉冲相位调制提供时间参考，并且依据入射脉冲的强弱变化为系统提供安全监控服务。 

在一种优选的方案中，所述多波长脉冲产生装置包括连接的单光源多波长脉冲激光器和波长选择器。单光源多波长脉冲激光器用于产生能够满足多个用户同时通信所需的多波长激光脉冲。波长选择器根据波长分配规划挑选适合于各Bob用户使用的波长脉冲，且其波长选择的灵活性为多用户网络的用户波长变更和用户增减提供了可能，增加了网络的可拓展性。 

在一种优选的方案中，所述单光子探测器组包括连接的多个单光子探测器和一个波分复用器。 

由于法拉第镜能够自动补偿光纤的双折射效应，则在一种优选的方案中，所述反射装置为法拉第镜，即上支路通过法拉第镜来改变脉冲传输方向。 

在一种优选的方案中，所述脉冲输送线路包括通过波长路由装置连接的一条第一光纤和若干条第二光纤，第二光纤的数量与Bob用户端数量相同。 

其中第一光纤为共用光纤，第二光纤为专用光纤。由于各Bob用户分布分散，无法只使用一条线路输送脉冲，故本系统采取两级输送线路。根据用户分布，共用光纤与专用光纤长度比例可以调节，一般地，共用光纤尽可能的长，而专用光纤尽可能的短，目的在于让各Bob用户脉冲所经过的路径差异尽可能小，减小返回脉冲到达Alice端的时间抖动和不同步差异。 

波长路由装置控制各波长脉冲信号的路径选择，在一种优选的方案中，所述波长路由装置为波分复用器、阵列波导光栅、布拉格光栅或波长选择开关中任意一种。 

在一种优选的方案中，所述非平衡干涉仪的长臂和短臂均为保偏光纤，采用保偏光纤来抑制偏振效应。 

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为： 

1)、波分复用技术保证了各个用户之间的相对独立，单用户的密钥生成率不会随着用户的增加而减小；2)、单光源多波长激光器代替多光源结构，减小信号发射装置的成本，单一相位调制器代替多相位调制器结构，保证了相位调制一致性和稳定性的同时，也降低了系统成本；3)、用户终端采用可变延时装置，调整各用户之间返回脉冲的返回时刻，保证了网络的灵活性；4)、系统中采用的各器件成熟，整体方案具有较高可实施性，且用户数量可以增加，具有良好拓展性。 

附图说明

图1为波分复用量子密钥分发网络示意图。 

图2为本实用新型的多用户波分复用量子密钥分发网络系统。 

图3为相位调制过程示意图。 

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制； 

图1中：101-共用光纤；102-波长路由装置；103、104、105、106-专用光纤； 

图2中：201-多波长激光器MW-LD；202-波长筛选器WS；203-光路环形器CIR；204、205、206、207、210、211、212、213-单光子探测模块SPD；208、209、221-波分复用器MUX；214-耦合器C；215、229、237、245、253-延迟线 DL；216、230、238、246、254-相位调制器PM；217-长臂；218-短臂；219-偏振分束器PBS；220、222、223、224、225-单模光纤SMF；226、234、242、250-分束器S；227、232、235、240、243、248、251、256-可变光衰减器VOA；228、236、244、252-延时器TD；231、239、247、255-法拉第镜FM；233、241、249、257-探测器；258-多波长脉冲产生装置；259、260-单光子探测器组；261-相位调制装置；262-脉冲传输线路； 

图3中：301-Alice端相位信号；302-λ1参考脉冲；303-λ2参考脉冲；304-λ3参考脉冲；305-λ4参考脉冲；306-λ1信号脉冲；307-Bob端相位信号参考脉冲。 

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的说明。 

本实用新型是一种点对多点的组网方式，特别地可以进一步延伸到多点对多点的方式。所描述的实施例只是本实用新型一对多方式中的一种，显然地，它可以较易地扩展到更多应用，一个较具代表性的波分复用量子密钥分发网络示意图如图1所示。 

实施例1 

图1中，Alice作为脉冲信号的发射方，拥有一个多波长光源，能够产生满足多个Bob用户同时通信所使用的不同波长的脉冲信号。每个Bob用户可以分配到某一波长的信号，且其对脉冲波长具有较宽适用性，即在波长规划过程中调整各Bob之间信号波长的分配后，Bob仍然可以正常工作。图1中光纤101为各用户共同使用，光纤103、104、105和106为每个用户的专用光纤，每个用户的专用光纤和共用光纤101之和定义为每个用户的距离。波长路由装置102用在控制端Alice和用户端Bob之间，控制各波长脉冲信号的路径选择，它可以是波分复用器、阵列波导光栅、布拉格光栅、波长选择开关等器件，但同一的要求是对传输业务具有透明性，且具有损耗小、反应快、性能稳定等特点。 

图2本实用新型的多用户波分复用量子密钥分发网络系统的实施例示意图。该系统采用往返式结构，涉及五个用户，其中Alice作为控制端，产生包含四种波长的脉冲组，分别发送到四个独立的用户Bob。脉冲传输线路包含一段共用光纤、一个波分复用器以及四段专用光纤，其中波分复用器作为脉冲路径选择的控制者。各Bob接收到Alice控制站发送来的脉冲后，根据需要，对脉冲进行相位调制，加载信息，并根据各Bob与Alice控制站的总距离差关系，设置延时，然 后将脉冲返回Alice控制站。下面具体地描述脉冲传递过程。 

Alice利用多波长激光器201产生具有多个波长的脉冲串，波长间隔为0.8nm，其中的四个波长脉冲串将由波长筛选器202按波长规划的要求挑选出来供四个Bob使用，分别为1550.116nm、1550.918nm、1552.524nm和1554.94nm。脉冲经过环形器203后，通过50:50的耦合器214注入到非平衡干涉仪。这样每个脉冲组都被分成两部分，一部分将穿过包含短延迟线215、相位调制器216和偏振分束器219的长臂217，另一部分则通过下方的短臂218，这样两部分脉冲从偏振分束器219出射时会有一个时间差，体现在位置上会有一个距离差，前者称作参考脉冲，后者称作信号脉冲。 

需要指出的是，非平衡干涉仪的长臂217和短臂218均采用保偏光纤来抑制偏振效应。 

在脉冲传输线路261上，采取两级线路输送脉冲，从偏振分束器219出射的脉冲组先经过第一级量子信道，即共用光纤(第一光纤)220，然后被波分复用器221以波长寻址的方式分开，每一波长的脉冲串各自经过下一级量子信道，即专用光纤(第二光纤)222、223、224和225，到达各自Bob端。由于各Bob与波分复用器221的距离不同，第二级量子信道长度不同。 

以下以Bob1为例，波长λ₁的脉冲组到达Bob1后，首先被10:90的分束器226分成两部分： 

较强的部分走下支路，经可变光衰减器232衰减之后被经典探测器233接收，这部分脉冲的作用主要有两个：一是定时作用，经典探测器233检测到脉冲的时间被记录并传入到控制系统，为上支路脉冲相位调制施加调制电压提供时间参考；二是安全作用，经典探测器233通过监测入射脉冲的强度等信息，来判断是否有外部信号攻击系统，比如特洛伊木马攻击。 

而较弱的部分走上支路，同样被可变光衰减器227衰减，路过延迟线(也称为存储环)229，然后经过相位调制器230，之前被Alice端非平衡干涉仪分成两部分脉冲中的信号脉冲将被加载相位信息，对应于Bob的基选择，而走在前面的参考脉冲不被调制。最终脉冲被法拉第镜231反射，经过延时器228后给予适当延时，返回控制端Alice。各Bob端根据他们与Alice端的距离而设置了不同的时延，因此从各Bob端返回的脉冲可以几乎同时到达Alice端的非平衡干涉仪。 

需要指出的是，在本实施例中Bob用户端没有使用普通光反射装置，而是采用法拉第镜，这是因为法拉第镜可以自动补偿光纤的双折射效应。 

由于偏振分束器219的偏振选择功能，之前经过干涉仪长臂217的信号脉冲此时将会经过干涉仪的短臂218，而之前经过干涉仪短臂218的参考脉冲此时将会经过干涉仪的长臂217，相位调制器216会对经过长臂217的返回脉冲加载相位信息，这对应于Alice的基选择，不同于点对点链路中Alice端相位加载过程，此时四个Bob的返回脉冲将会同时被调制。经过干涉仪的两臂的脉冲在耦合器214处再次结合，根据Alice与Bob所加相位信息的不同，出现不同的干涉事件。当两路脉冲有180°相位差时，单光子探测器组259会响应，并记录探测事件。当两路脉冲没有相位差时，单光子探测器组260会响应，并记录探测事件，干涉脉冲波长的不同，会引起单光子探测器组中某个波长探测器的响应。 

需要指出的是，由于量子通信系统的弱信号特点，量子通信网络的波长规划在满足本ITU-T波长标准的同时，也必须充分考虑四波混频效应。波长规划的一个重要出发点就是要让四波混频产生的新频率光尽可能远离这四个脉冲信号的波长。在实际使用过程中，为了有效减小四波混频效应影响，波长选择器采用二级等差频率间隔的方式选择波长。 

这种适当不等间距的波长信道规划设计，能使产生的新频率光大部分远离其他信号波长，而且四波混频的效率随着波长间隔加大而降低，对系统影响进一步降低。以下面几个波长为例，f_i、f_i+1＝f_i+Δf、f_i+2＝f_i+2Δf、f_i+3＝f_i+3Δf、f_i+4＝f_i+4Δf、f_i+5＝f_i+5Δf、f_i+6＝f_i+6Δf、f_i+7＝f_i+7Δf、f_i+8＝f_i+8Δf、f_i+9＝f_i+9Δf……Δf为符合ITU-T波长标准的频率间隔，f_i与f_i+1、f_i+3和f_i+6产生的新频率光分别为f_i+2、f_i+6和f_i+12，f_i+1与f_i+3和f_i+6产生的新频率光分别为f_i+5和f_i+11，f_i+3与f_i+6产生的新频率光为f_i+9，由于f_i与f_i+3的间隔较大，产生的新频率光f_i+6相对较弱，故在实际使用过程中，采用频率为f_i、f_i+1、f_i+3、f_i+6、f_i+10等的光脉冲作为信息传输的物理载体。 

图3为相位调制过程示意图。通过在Bob端设置合理的延时，各位置对应的波长脉冲可以几乎同时到达Alice端。但由于光在光纤中传输速度对波长的依赖性、光纤长度抖动、器件不理想等因素，各位置对应的波长脉冲到达Alice时刻出现差别，不过一定范围内的时间差不仅不会影响到系统性能，而且时分复用 的方式也可以减小四波混频效应。 

在本实施例中最大时间差为20ns，但这并没有达到系统所允许的最大时间差。20ns的时间差相当于脉冲传输路径差异约为4m，这对于几十千米的光纤来说，一个密钥分发周期内出现4m的长度波动是不可能的。图3(a)所示，Alice端相位调制信号的持续时间为90ns，每个脉冲组可能出现的最大时间跨度为60ns。采用单一相位调制器216既能够避免多个相位调制器引起的调制偏差，也大幅降低了Alice控制复杂度和系统成本。图3(b)所示为Bob1端相位加载过程，相邻λ₁的参考脉冲302的时间间隔为200ns，也即是Alice端原始脉冲发射间隔，而由于非平衡干涉仪引起的同脉冲两部分之间的时间间隔为50ns，即λ₁的参考脉冲302与之相近λ₁的信号脉冲306时间间隔为50ns，由于Bob1每次调制一个脉冲，加载在其相位调制器230的相位信号持续时间为35ns。 

相同或相似的标号对应相同或相似的部件； 

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制； 

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。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的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。 

Claims (7)

1.一种多用户波分复用量子密钥分发网络系统，包括Alice控制端、脉冲输送线路和Bob用户端，Alice控制端通过脉冲输送线路与Bob用户端连接，其特征在于，

所述Alice控制端包括多波长脉冲产生装置、环形器、耦合器、非平衡干涉仪以及两个单光子探测器组；多波长脉冲产生装置输出的脉冲组经过环形器后，通过耦合器注入到非平衡干涉仪，非平衡干涉仪长臂上顺次包含有短延迟线、单一相位调制器和偏振分束器，非平衡干涉仪短臂接偏振分束器，一单光子探测器组通过环形器接耦合器的输入端，另一单光子探测器组接耦合器的耦合端；

所述Bob用户端包括分束器、用于调制脉冲加载相位信息的上支路和用于为上支路提供参考信息和系统安全监控的下支路，Alice控制端中的偏振分束器通过脉冲输送线路接Bob用户端的分束器，分束器的输出端分别接上、下支路；

所述上支路包括顺次连接的可变光衰减器、脉冲延时装置、光纤延迟线、相位调制器以及反射装置，分束器的上输出端接可变光衰减器；

所述下支路包括顺次连接的可变光衰减器和经典探测器，分束器的下输出端接可变光衰减器。

2.根据权利要求1所述的多用户波分复用量子密钥分发网络系统，其特征在于，所述多波长脉冲产生装置包括连接的单光源多波长脉冲激光器和波长选择器。

3.根据权利要求1所述的多用户波分复用量子密钥分发网络系统，其特征在于，所述单光子探测器组包括连接的多个单光子探测器和一个波分复用器。

4.根据权利要求1或2所述的多用户波分复用量子密钥分发网络系统，其特征在于，所述反射装置为法拉第镜。

5.根据权利要求1所述的多用户波分复用量子密钥分发网络系统，其特征在于，所述脉冲输送线路包括通过波长路由装置连接的一条第一光纤和若干条第二光纤，第二光纤的数量与Bob用户端数量相同。

6.根据权利要求5所述的多用户波分复用量子密钥分发网络系统，其特征在于，所述波长路由装置为波分复用器、阵列波导光栅、布拉格光栅或波长选择开关中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的多用户波分复用量子密钥分发网络系统，其特征在于，所述非平衡干涉仪的长臂和短臂均采用保偏光纤。