CN206820762U - 一种量子信号与经典信号复用光纤传输的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种量子信号与经典信号复用光纤传输的装置，通过在经典信号输入模块和第一波分复用器之间设置与QKD接收方终端通信连接的光强自适应调整器件，使得光强自适应调整器件根据QKD接收方终端的噪声反馈信息自动调整衰减系数来衰减经典信号，实现了根据实际网络情况对经典信号进行调整，解决了现有量子信号与经典信号复用同一条光纤传输的方法不能够对经典信号的光强进行调节以适应不同网络环境、适用范围较小的技术问题。

Description

一种量子信号与经典信号复用光纤传输的装置

技术领域

本实用新型涉及量子保密通信领域，尤其涉及一种量子信号与经典信号复用光纤传输的装置。

背景技术

密码学是保护信息安全的基本手段，是一种A和B之间进行信息交互并且不被未授权的第三方所知晓的技术。现代保密通信技术中，假定信息发送方Alice和信息接收方Bob要进行保密通信，Alice采用加密密钥K将其要发送给Bob的明文信息通过某种加密规则变换为密文，然后通过公开的经典信道传送给Bob，Bob利用解密密钥K’通过适当的解密规则将密文转换成明文，这个过程如果能够有效的防止任何非法用户Eve的窃听，就是安全的保密通信。

经典通信不存在可证实的无条件安全的秘密信道，因为窃听者原则上总可以做到获取信息而又不留痕迹。此外，传统的密码技术由数学上的计算复杂度来保证其安全性，随着日益强大的计算能力，尤其是量子计算机的发展，传统加密手段的安全性受到巨大的威胁。

量子密码学建立在“海森堡测不准原理”和未知量子态不可克隆定理上，由物理原理保证其无条件安全性。其中“海森堡测不准原理”指同一时刻以相同精度测量量子的位置和动量是不可能的，其原因是测量量子的一个物理量必然会改变该物理量一个本征态的，同时会扰动另外一个物理量的状态；不可克隆定理是指在不知道量子状态的情况下复制单个量子是不可能的，因为要做到精确复制必然要先作测量，而测量必然改变量子的状态。

量子密钥分配(QKD，Quantum Key Distribution)应用量子物理学的基本原理来保证通信安全，允许两个合法用户产生一串共享的安全随机比特串用作密钥，然后通过自由空间或光纤作为传输信道进行密钥传输，目前采用光纤作为传输信道的QKD已取得了巨大的进展。

QKD在两个合法用户间使用单光子(光量子)所携带的信息协商产生密钥，但是单光子的能量非常微弱，并且易于受到其他光信号的影响。因此，目前已有的QKD网络主要采用单独铺设光纤传输量子光信号，其存在施工周期长、成本高、维护复杂的问题，不利于量子保密通信业务的推广部署。

为解决此问题，美国发明专利US7809268B2中提到的一种量子信号与经典信号复用同一条光纤传输的方法，其原理如图5所示，主要工作原理是通过波分复用器件将量子信号与经典信号进行复用与解复用。

然而，由于光纤存在非线性效应，经典信号在光纤中传输时会产生宽带噪声，噪声会随着经典光强增大而增大，这会影响量子信号的信噪比，进而影响QKD的稳定运行。实际应用环境中，经典光强往往随着网络环境不同而改变，因此，在不同的网络环境中使用经典信号与量子信号波分复用时，需要根据实际情况对经典信号进行调整。现有的美国发明专利公开的一种量子信号与经典信号复用同一条光纤传输的方法，不能够对经典信号的光强进行调节以适应不同网络环境，适用范围较小。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种量子信号与经典信号复用光纤传输的装置，通过在经典信号输入模块和第一波分复用器之间设置与QKD接收方终端通信连接的光强自适应调整器件，使得光强自适应调整器件根据QKD接收方终端的噪声反馈信息自动调整衰减系数来衰减经典信号，实现了根据实际网络情况对经典信号进行调整，解决了现有量子信号与经典信号复用同一条光纤传输的方法不能够对经典信号的光强进行调节以适应不同网络环境、适用范围较小的技术问题。

本实用新型实施例提供了一种量子信号与经典信号复用光纤传输的装置，包括：经典信号输入模块、量子信号与经典信号复用模块、光纤链路、量子信号与经典信号解复用模块、经典信号输出模块、QKD发送方终端、QKD接收方终端，所述量子信号与经典信号复用模块包括光强自适应调整器件、第一波分复用器；

所述经典信号输入模块、所述光强自适应调整器件、所述第一波分复用器通过光纤依次连接；

所述第一波分复用器通过所述光纤链路与所述量子信号与经典信号解复用模块连接；

所述量子信号与经典信号解复用模块与所述经典信号输出模块通过光纤连接；

所述第一波分复用器、所述量子信号与经典信号解复用模块通过光纤分别与所述QKD发送方终端、所述QKD接收方终端连接；

所述光强自适应调整器件还与所述QKD接收方终端通信连接，用于根据所述QKD接收方终端的噪声反馈信息自动调整衰减系数来衰减经典信号；

所述第一波分复用器用于将衰减调整后的所述经典信号和所述量子信号复用。

优选地，

所述量子信号与经典信号复用模块还包括光强监控模块、通过光纤连接在所述光强自适应调整器件和所述第一波分复用器之间的分光器件；

所述分光器件用于按比例分配经过衰减调整的所述经典信号；

所述光强监控模块与所述分光器件通过光纤连接，用于根据所述分光器件按比例分配得到的部分所述经典信号实时监控衰减后的经典信号光强。

优选地，

所述量子信号与经典信号解复用模块包括第二波分复用器；

所述第一波分复用器通过所述光纤链路与所述第二波分复用器连接；

所述第二波分复用器通过光纤分别与所述QKD接收方终端、所述经典信号输出模块通信连接，用于从复用一条光纤传输的信号中解复用出所述量子信号与所述经典信号。

优选地，

所述量子信号与经典信号解复用模块还包括通过光纤连接在所述第二波分复用器和所述QKD接收方终端之间的滤波子模块。

优选地，

所述滤波子模块包括至少一级滤波器。

优选地，

当所述滤波子模块包括至少两级滤波器时，每级所述滤波器之间的连接方式为级联。

优选地，

所述经典信号输入模块包括经典信号发生子模块、合波器、第一光放大器；

所述经典信号发生子模块、所述合波器、所述第一光放大器、所述光强自适应调整器件通过光纤依次连接。

优选地，

所述经典信号输出模块包括第二光放大器、分波器、经典信号接收子模块；

所述量子信号与经典信号解复用模块、所述第二光放大器、所述分波器、所述经典信号接收子模块通过光纤依次连接。

从以上技术方案可以看出，本实用新型实施例具有以下优点：

1、本实用新型实施例提供了一种量子信号与经典信号复用光纤传输的装置，通过在经典信号输入模块和第一波分复用器之间设置与QKD接收方终端通信连接的光强自适应调整器件，使得光强自适应调整器件根据QKD接收方终端的噪声反馈信息自动调整衰减系数来衰减经典信号，实现了根据实际网络情况对经典信号进行调整，解决了现有量子信号与经典信号复用同一条光纤传输的方法不能够对经典信号的光强进行调节以适应不同网络环境、适用范围较小的技术问题，增加网络实施的便利性及可维护性。

2、本实用新型实施例提供了一种量子信号与经典信号复用光纤传输的装置，通过多级滤波器对解复用分离出来的量子信号进行滤波处理，减小量子信号波长以外的噪声，提高量子信号光的信噪比。

3、本实用新型实施例提供了一种量子信号与经典信号复用光纤传输的装置，通过在光强自适应调整器件和第一波分复用器之间设置分光器件，用于按比例分配经过衰减调整的经典信号，并通过与分光器件连接的光强监控模块，用于根据分光器件按比例分配得到的部分经典信号实时监控衰减后的经典信号光强，从而在衰减调节过程中确保经典信号衰减后不小于预设幅值，以免影响经典信号通信质量，而且在衰减调节过程后，还可以对经典信号实时监控，当发现经典信号幅值异常时，会上报告警信息。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种量子信号与经典信号复用光纤传输的装置的一个实施例的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种量子信号与经典信号复用光纤传输的装置的另一个实施例的结构示意图；

图3为现有的量子信号与经典信号复用同一条光纤传输方法的原理图。

具体实施方式

本实用新型实施例提供了一种量子信号与经典信号复用光纤传输的装置，通过在经典信号输入模块和第一波分复用器之间设置与QKD接收方终端通信连接的光强自适应调整器件，使得光强自适应调整器件根据QKD接收方终端的噪声反馈信息自动调整衰减系数来衰减经典信号，实现了根据实际网络情况对经典信号进行调整，解决了现有量子信号与经典信号复用同一条光纤传输的方法不能够对经典信号的光强进行调节以适应不同网络环境、适用范围较小的技术问题。

为使得本实用新型的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而非全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1，本实用新型实施例提供了一种量子信号与经典信号复用光纤传输的装置的一个实施例，包括：经典信号输入模块1、量子信号与经典信号复用模块2、光纤链路4、量子信号与经典信号解复用模块5、经典信号输出模块7、QKD发送方终端3、QKD接收方终端6；其中，经典信号输入模块1用于输入需要传输的经典信号，量子信号与经典信号复用模块2用于将不同波长的经典信号和量子信号耦合到同一条光纤中进行复用光纤传输，光纤链路4用于传输光信号，量子信号与经典信号解复用模块5用于从复用一条光纤传输的信号中分离出不同波长的量子信号与经典信号，经典信号输出模块7用于输出需要传输的经典信号，QKD是指用于产生密钥的量子密钥分发设备，QKD发送方终端3可发出量子光信号，QKD接收方终端6可探测发送方所发出的光信号并进行处理，需要说明的是，经典信号输入模块1和经典信号输出模块7均指传统的光通信网络中所使用的设备。

量子信号与经典信号复用模块2包括光强自适应调整器件110、分光器件111、第一波分复用器104、光强监控模块112，经典信号输入模块1、光强自适应调整器件110、分光器件111、第一波分复用器104通过光纤依次连接，第一波分复用器104通过光纤链路4与量子信号与经典信号解复用模块5连接，量子信号与经典信号解复用模块5与经典信号输出模块7通过光纤连接，第一波分复用器104、量子信号与经典信号解复用模块5通过光纤分别与QKD发送方终端3、QKD接收方终端6连接；光强自适应调整器件110还与QKD接收方终端6通信连接，用于根据QKD接收方终端6的噪声反馈信息自动调整衰减系数来衰减经典信号输入模块1输入的经典信号；分光器件111用于按比例分配经过衰减调整的经典信号；光强监控模块112与分光器件111通过光纤连接，用于根据分光器件111按比例分配得到的部分经典信号实时监控衰减后的经典信号光强，从而在衰减调节过程中确保经典信号衰减后不小于预设幅值，以免影响经典信号通信质量，而且在衰减调节过程后，还可以对经典信号实时监控，当发现经典信号幅值异常时，会上报告警信息；第一波分复用器104用于将衰减调整后的经典信号和量子信号复用。

需要说明的是，在量子信号与经典信号复用模块2中，光强自适应调整器件110和第一波分复用器104是解决现有量子信号与经典信号复用同一条光纤传输的方法不能够对经典信号的光强进行调节以适应不同网络环境、适用范围较小的技术问题的必要技术特征，量子信号与经典信号复用模块2中的其余技术特征是对本实施例提供的一种量子信号与经典信号复用光纤传输的装置的进一步优化，可以理解的是，光强自适应调整器件110、第一波分复用器104、经典信号输入模块1、光纤链路4、量子信号与经典信号解复用模块5、经典信号输出模块7、QKD发送方终端3、QKD接收方终端6相互配合即可实现根据实际网络情况对经典信号进行调整。

量子信号与经典信号解复用模块5包括第二波分复用器105、滤波子模块106，第一波分复用器104通过光纤链路4与第二波分复用器105连接，第二波分复用器105通过光纤分别与QKD接收方终端6、经典信号输出模块7连接，滤波子模块106通过光纤连接在第二波分复用器105和QKD接收方终端6之间，其中滤波子模块106包括至少一级滤波器，当滤波子模块106包括至少两级滤波器时，每级滤波器之间的连接方式为级联，滤波子模块106用于对量子信号滤波，滤除除量子信号波长以外其他波段的噪声，提高量子信号光的信噪比，而级联滤波器数量在一定区间范围内，滤波子模块106的滤波效果随着滤波器级联的数量的增加而增加，滤波子模块106中滤波器的级联数量可以根据实际网络情况进行配置；第二波分复用器105用于从复用一条光纤传输的信号中解复用出量子信号与经典信号。

需要说明的是，在量子信号与经典信号解复用模块5中，第二波分复用器105是解决现有量子信号与经典信号复用同一条光纤传输的方法不能够对经典信号的光强进行调节以适应不同网络环境、适用范围较小的技术问题的必要技术特征，滤波子模块106只是对解复用出来的量子信号进行滤波，是对本实施例提供的一种量子信号与经典信号复用光纤传输的装置的进一步优化。

经典信号输入模块1包括经典信号发生子模块100、合波器101、第一光放大器102；

经典信号发生子模块100、合波器101、第一光放大器102、光强自适应调整器件110通过光纤依次连接，其中经典信号发生子模块100用于产生经典信号，合波器101用于将多路波长不等的经典信号进行合成，第一光放大器102用于将合成后的经典信号进行放大。

经典信号输出模块7包括第二光放大器107、分波器108、经典信号接收子模块109；

量子信号与经典信号解复用模块5、第二光放大器107、分波器108、经典信号接收子模块109通过光纤依次连接，其中第二光放大器107用于将解复用分离出来的经典信号进行放大，分波器108用于将第二光放大器107放大后的经典信号分离成多路单路经典信号，经典信号接收子模块109用于接收多路单路经典信号。

上面是对一种量子信号与经典信号复用光纤传输的装置的结构和连接方式进行的详细说明，为便于理解，下面将以一具体应用场景对一种量子信号与经典信号复用光纤传输的装置的应用进行说明，应用例包括：

请参阅图2，经典信号输入模块1输出的经典信号通过量子信号与经典信号复用模块2时，先后经由光强自适应调整器件110、分光器件111、光强监控模块112，光强自适应调整器件110根据QKD接收方终端6通过经典网络反馈的噪声信息，自动调整光强自适应调整器件110的衰减值。经过衰减后的经典信号经过分光比为1:999的分光器件111，强度为经典信号1‰比例的经典信号进入光强监控模块112，光强监控模块112根据探测到的信号强度计算出衰减后的经典信号强度，确保经典信号衰减后不小于预设阈值(预设阈值为经典通信中保证经典通信质量前提下的所允许的最小经典信号光强)。当经过光强自适应调整器件110衰减调整后的经典信号产生的噪声不影响QKD设备稳定运行，并且经典信号光强不小于监控模块的预设阈值时，经典信号光强自适应调整操作完成，此时锁定光强自适应调整器件110的衰减设置，并由装置记录衰减后的经典信号光强作为参考光强，当装置运行过程中，发现经典信号光强与参考光强相比出现较大偏差时(阈值设为5％)，会自动上报告警信息。

在本发明实施例中，采用1310nm的量子信号和1550nm的经典信号，第一波分复用器104规格为1550/1310，其Pass接口连接分光器件111，Reflection接口连接QKD发送方终端3，Com接口连接光纤链路4，Pass到Com光路可以通过1550nm的经典信号，Reflection到Com光路可以通过1310nm的量子信号，第一波分复用器104实现1310nm量子信号与1550nm经典信号合束；第二波分复用器105规格为1310/1550，其Com接口连接光纤链路4，Pass接口连接滤波子模块106，Reflection接口连接第二光放大器107，Com到Pass光路可以分离出1310nm的量子信号，Com到Reflection光路可以分离出1550nm的经典信号，第二波分复用器105从复用信号中分离出1310nm的量子信号与1550nm的经典信号。

表格1是对经典信号使用经典信号光强自适应调整前后，QKD接收方终端6的探测噪声对比，可见在保证经典通信质量前提下，对经典信号进行衰减可以有效的减小QKD接收方终端6探测到的噪声，同时QKD接收方终端6的成码率显著提高，说明通过经典信号光强自适应调整后，探测噪声减小，有利于QKD接收方终端6的稳定运行。

表格1

经典信号与量子信号经由第一波分复用器104复用到同一条光纤链路4中传输；

到达量子信号与经典信号解复用模块5时，先经过第二波分复用器105将经典信号与量子信号分离，分离后的经典信号传输到经典信号输出模块7并被接收处理，分离后的量子信号经由中心波长位于1310nm的滤波子模块106进行滤波，而后传输至QKD接收方终端6被探测处理。

图2中滤波子模块106使用了两个中心波长位于1310nm的滤波器级联而成，多级滤波器能够增大量子信号波长信道对其他波长噪声的隔离度，进一步滤除噪声，为了对比效果，在相同的经典信号复用情况下，分别使用单级滤波器和两级滤波器进行比较，结果如表格2所示，可见使用两级滤波器可以有效的减小噪声，提高QKD接收方终端6的成码率，从而证明在解复用端使用至少一级滤波器对量子信号进行滤波可以提高量子信号的信噪比。

表格2

以上对本实用新型所提供的一种量子信号与经典信号复用光纤传输的装置进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (8)

1.一种量子信号与经典信号复用光纤传输的装置，包括：经典信号输入模块、量子信号与经典信号复用模块、光纤链路、量子信号与经典信号解复用模块、经典信号输出模块、QKD发送方终端、QKD接收方终端，其特征在于，所述量子信号与经典信号复用模块包括光强自适应调整器件、第一波分复用器；

所述经典信号输入模块、所述光强自适应调整器件、所述第一波分复用器通过光纤依次连接；

所述第一波分复用器通过所述光纤链路与所述量子信号与经典信号解复用模块连接；

所述量子信号与经典信号解复用模块与所述经典信号输出模块通过光纤连接；

所述第一波分复用器、所述量子信号与经典信号解复用模块通过光纤分别与所述QKD发送方终端、所述QKD接收方终端连接；

所述光强自适应调整器件还与所述QKD接收方终端通信连接，用于根据所述QKD接收方终端的噪声反馈信息自动调整衰减系数来衰减经典信号；

所述第一波分复用器用于将衰减调整后的所述经典信号和所述量子信号复用。

2.根据权利要求1所述的量子信号与经典信号复用光纤传输的装置，其特征在于，所述量子信号与经典信号复用模块还包括光强监控模块、通过光纤连接在所述光强自适应调整器件和所述第一波分复用器之间的分光器件；

所述分光器件用于按比例分配经过衰减调整的所述经典信号；

所述光强监控模块与所述分光器件通过光纤连接，用于根据所述分光器件按比例分配得到的部分所述经典信号实时监控衰减后的经典信号光强。

3.根据权利要求1所述的量子信号与经典信号复用光纤传输的装置，其特征在于，所述量子信号与经典信号解复用模块包括第二波分复用器；

所述第一波分复用器通过所述光纤链路与所述第二波分复用器连接；

所述第二波分复用器通过光纤分别与所述QKD接收方终端、所述经典信号输出模块通信连接，用于从复用一条光纤传输的信号中解复用出所述量子信号与所述经典信号。

4.根据权利要求3所述的量子信号与经典信号复用光纤传输的装置，其特征在于，所述量子信号与经典信号解复用模块还包括通过光纤连接在所述第二波分复用器和所述QKD接收方终端之间的滤波子模块。

5.根据权利要求4所述的量子信号与经典信号复用光纤传输的装置，其特征在于，所述滤波子模块包括至少一级滤波器。

6.根据权利要求5所述的量子信号与经典信号复用光纤传输的装置，其特征在于，当所述滤波子模块包括至少两级滤波器时，每级所述滤波器之间的连接方式为级联。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的量子信号与经典信号复用光纤传输的装置，其特征在于，所述经典信号输入模块包括经典信号发生子模块、合波器、第一光放大器；

所述经典信号发生子模块、所述合波器、所述第一光放大器、所述光强自适应调整器件通过光纤依次连接。

8.根据权利要求1至6中任意一项所述的量子信号与经典信号复用光纤传输的装置，其特征在于，所述经典信号输出模块包括第二光放大器、分波器、经典信号接收子模块；

所述量子信号与经典信号解复用模块、所述第二光放大器、所述分波器、所述经典信号接收子模块通过光纤依次连接。