CN209170377U - 一种基于三芯光纤模分复用的qtth系统 - Google Patents
一种基于三芯光纤模分复用的qtth系统 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于三芯光纤模分复用的QTTH系统，包括：OLT端、MDM‑ODN和ONU端，OLT端、MDM‑ODN和ONU端通过光纤依次连接；MDM‑ODN包括模式复用器和模式解复用器，且相互之间通过MCF连接，MCF为沟槽辅助正三角型三芯光纤；OLT端包括经典信号发送器、N个DV‑QKD单元和N个OLT端的模式转换器，N个模式转换器的一端与经典信号发送器连接，另一端与MDM‑ODN的模式复用器连接；ONU包括N个DV‑QKD接收器、经典信号接收器、N个ONU端的模式转换器和2N个PD；N个DV‑QKD接收器分别通过PD与模式解复用器连接；N个ONU端的模式转换器一端与解复用器连接，另一端分别通过PD与经典信号接收器连接。
Description
技术领域
本实用新型涉及量子信息领域，尤其涉及一种基于三芯光纤模分复用的QTTH系统。
背景技术
经典的FTTH(Fiber To The Home，光纤到户)终端用户亟需解决数据安全性，QC(Quantum Cryptography，量子加密)获得理论证明的绝对安全性受到越来越多的关注。QC、QKD(Quantum Key Distribution，量子密钥分发)的无条件保护协议，可确保两个远程用户方之间的随机比特分布的信息理论安全性。近年来QKD系统，由于设备的兼容性和成本，普遍实用化应用的端到端量子通信网络应用还远未实现。为了降低QKD网络应用的成本，可以利用现有的FTTH网络将QKD和传统光通信集成在一起，以此最大地降低敷设和运营费用。
实现量子和经典融合的常用技术是WDM(Wavelength Division Multiplexing，波分复用)，例如2015年Wei Sun等人提出的基于波分复用的量子密钥分配与千兆位无源光网络的集成实验。但是考虑到光纤的非线性效应和高速传输光信噪比的要求，采用单模光纤的WDM技术已经到达容量的极限，且在线路上都需要额外的设备，会引入格外的串扰和损耗而可能损害最终的安全性，亟需采用新的复用技术来提高光传输容量，增加频谱效率，满足日益增长的容量要求。MDM(Mode Division Multiplexing，模分复用)和SDM(SpaceDivision Multiplexing，空分复用)技术有望解决传输容量的问题。
1982年，MDM由S.Berdague和P.Facq首次提出，他们利用空间滤膜选择激发渐变折射率多模光纤的两个低阶模式进行传输，传输10米后两个模式之间的串扰小于-20dB，由此证明模分复用在短距离传输中的可行性。但其采用的多模光纤存在模式色散、模间串扰和较大损耗等一系列问题，而本专利采用的三芯光纤可以有效减小模式色散，其沟槽辅助正三角型结构能够进一步降低模间串扰和非线性损耗。MDM是指利用光纤中相互正交的各个模式作为一个独立的信道来传输信息的一种复用方式，本质上是光的多输入输出过程。MDM按技术理念可分为基于涡旋光纤的OAM(Orbital Angular Momentum，轨道角动量)、少模光纤和多芯光纤的模分复用。
OAM模式的环形分布使得各模式之间具有不易干扰的优势，但其携带的光束易受外界环境的影响，只能在涡旋光纤等特殊光纤中传播。不少学者提出利用少模光纤进行模分复用，例如2015年Yuanxiang Chen等人提出地利用自身非线性检测的新型MDM-PON(Passive Optical Network：无源光纤网络)方案用于高速/容量接入网络。少模光纤通过仅激励少量模式的方法有效降低了模式色散，其较大的模场半径可以有效抑制非线性效应，但其不可避免的存在较强的模间色散和模式耦合效应。
本专利通过模分复用技术实现QKD和FTTH融合，与其他方案将比，在扩大传输容量和增强安全性的基础上，采用沟槽辅助正三角型三芯光纤进一步降低了模间耦合和非线性损伤，增大了模场有效面积。
“现有技术专利：(CN208015742U)提供了一种量子密钥分发与PON设备共纤传输的系统，但共纤传输使用的是基于单模光纤的波分复用技术，已经接近通信容量的极限。”
“现有技术专利：(CN108028718A)采用模分复用技术提高了FTTH的通信容量，但其没有使用QKD技术，所以在安全性方面有所欠缺。”
实用新型内容
本实用新型提供了一种提升通信容量和安全性的基于三芯光纤模分复用的QTTH(表示QKD和FTTH融合)系统。采用沟槽辅助正三角型三芯光纤进行模分复用，即能扩大通信容量，又因其物理隔离的结构，使得弱量子信号受到经典信号的干扰较其他方案更小，易在量子和经典同传时获得更好的量子密钥分发性能，且沟槽辅助正三角型结构能够有效减小模间串扰和非线性损伤，增大光效有效模场面积。
为了达到上述技术效果，本实用新型的技术方案如下：
一种基于三芯光纤模分复用的QTTH系统，包括：OLT端(Optical Line Terminal,光线路终端)、MDM-ODN(Mode Division Multiplexing-Optical Distribution Network，模分复用-光分配网络)和ONU端(Optical Network Unit，光网络单元)，OLT端、MDM-ODN和ONU端通过光纤依次连接；
MDM-ODN包括模式复用器和模式解复用器，且相互之间通过MCF(Multi CoreFiber，多芯光纤)连接，MCF为沟槽辅助正三角型三芯光纤；
OLT端包括经典信号发送器、N个DV-QKD(Discrete Variable-Quantum KeyDistribution，离散变量-量子密钥分发)单元和N个OLT端的模式转换器，N个模式转换器的一端与经典信号发送器连接，另一端与MDM-ODN的模式复用器连接；
ONU包括N个DV-QKD接收器、经典信号接收器、N个ONU端的模式转换器和2N个PD(光探测器)；N个DV-QKD接收器分别通过PD与模式解复用器连接；N个ONU端的模式转换器一端与解复用器连接，另一端分别通过PD与经典信号接收器连接；
经典信号发送器发送的N个经典信号经过模式转化器从基模转换成不同且相互正交的模式后，连同N个DV-QKD单元发送的N个量子信号进入模式复用器转换成适合MCF传输的模式，并通过MCF发送到模式解复用器分解成独立的N个经典信号和N个量子信号；分解后的各束经典信号分别通过模式转换器转换成基模的模式，并经过连接的PD发送到经典信号接收器；量子信号通过连接的PD发送到DV-QKD接收器。
进一步的，经典信号发送器包括依次连接的LD(激光二极管)、IM(强度调制器)和OC(分束器)；
N个经典信号均为OOK信号。
更进一步的，PD采用以盖革模式操作的InGaAs雪崩光电二极管。
更进一步的，模式复用器和模式解复用器由级联模式选择耦合器组成。
以上的，DV-QKD单元为基于诱骗态BB84协议产生量子信号的DV-QKD单元。
进一步的，量子信号的偏振态包括四种偏振态：水平偏振态、垂直偏振态、45°偏振态和135°偏振态。
更进一步的，水平偏振态为：|H>＝|0>；垂直偏振态为：|V>＝|1>；45°偏振态为：135°偏振态为：
优选的，MCF的纤芯半径为5μm，射率为1.4457，MCF的芯间距为42μm；
MCF的纤芯外侧设置有折射率沟槽，折射率沟槽的厚度为3μm；MCF的纤芯与MCF的包层之间折射率差为0.003，折射率沟槽与MCF的包层之间的折射率差为0.003。
另一优选的，MCF的三个纤芯分别传输量子信号、上行信号和下行信号。
更优选的，在MCF进行传输时，量子信号采用1550nm的波长信道；经典信号采用上行1490nm的波长信道或下行1310nm的波长信道。
与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果是：
1)采用模分复用技术实现QTTH技术，先前提出的基于单模光纤WDM/TDM等复用技术已经到达传输容量的极限，且在线路上都需要额外的设备，会引入格外的损耗和串扰而可能损害最终的安全性。而本发明的模分复用采用相互正交的模式进行复用，能提高光通信的传输容量和最终的安全性。
2)采用沟槽辅助正三角型三芯光纤实现模分复用，三芯光纤基于物理结构隔离，使强经典信号和弱量子信号同时传输时有非常好的信噪比和核心之间的隔离，保证了系统更高的稳定性和鲁棒性，允许通过同一光纤传输严格独立的信道。且采用沟槽辅助正三角型结构，可以有效减小强经典信号对弱量子信号的干扰，增大光纤有效场的面积，降低不同模式之间的串扰，有效减小了非线性损伤。
3)采用诱骗态BB84协议产生量子信号。此方法即能够有效抵御PNS攻击，又提高了密钥生成率、安全性，增加了传输距离。
4)在终端采用相干检测技术，在提高频谱效率和接收机灵敏度的同时，有效扩大了网络覆盖范围。
附图说明
图1是本发明基于三芯光纤模分复用的QTTH系统的整体结构框架图；
图2是本发明基于三芯光纤模分复用的QTTH系统的沟槽辅助正三角型三芯光纤横截面图；
图3是本发明基于三芯光纤模分复用的QTTH系统的沟槽辅助正三角型三芯光纤折射率分布图；
图4是本发明基于三芯光纤模分复用的QTTH系统的信号分配图；
图5是本发明基于三芯光纤模分复用的QTTH系统的经典信号发送器的原理结构示意图；
图6是本发明基于三芯光纤模分复用的QTTH系统的传输方法的流程图；
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
实施例1
一种基于三芯光纤模分复用的QTTH系统，如图1所示，包括：OLT端、MDM-ODN和ONU端，OLT端、MDM-ODN和ONU端通过光纤依次连接；
MDM-ODN包括模式复用器和模式解复用器，且相互之间通过MCF连接，MCF为沟槽辅助正三角型三芯光纤；其具有低串扰、非线性损耗小和大模场面积的优势。另外，模式复用器和模式解复用器由级联模式选择耦合器组成，携带多种模式的光束通过沟槽辅助正三角型三芯光纤进行复用传输，之后通过模式解复用器转换成多路信号。
OLT端包括经典信号发送器、N个DV-QKD单元和N个OLT端的模式转换器，N个模式转换器的一端与经典信号发送器连接，另一端与MDM-ODN的模式复用器连接；
ONU包括N个DV-QKD接收器、经典信号接收器、N个ONU端的模式转换器和2N个PD；N个DV-QKD接收器分别通过PD与模式解复用器连接；N个ONU端的模式转换器一端与解复用器连接，另一端分别通过PD与经典信号接收器连接。
经典信号发送器发送的N个经典信号经过模式转化器从基模转换成不同且相互正交的模式后，连同N个DV-QKD单元发送的N个量子信号进入模式复用器转换成适合MCF传输的模式，并通过MCF发送到模式解复用器分解成独立的N个经典信号和N个量子信号；分解后的各束经典信号分别通过模式转换器转换成基模的模式，并经过连接的PD发送到经典信号接收器；量子信号通过连接的PD发送到DV-QKD接收器。
其中，PD采用以盖革模式操作的InGaAs雪崩光电二极管。
具体的，如图5所示，经典信号发送器包括依次连接的LD、IM和OC，用以产生OOK信号。上述的N个经典信号均为OOK信号，其优势体现于，其发射和接收设备相对简单，功耗较低。
具体的，所述发射DV-QKD的量子发射机采用诱骗态BB84协议生成量子态。原理是利用单光子的4种偏振态来编码随机密钥信息，4种偏振态分别为水平偏振态|H>＝|0〉，垂直偏振态|V>＝|1〉，45°偏振态135°偏振态
进一步的，由于三芯光纤不可避免地也存在模间耦合，需运用耦合模型方程来分析三芯光纤的传输特性，看其是否满足模分复用的要求。其中三芯具有完全相同的特征，波在其中传播的非线性控制方程为：
其中aj(j＝1,2,3)是第j个芯中电场的慢变包络，z是传播距离，t是时间坐标，β2是群速度色散系数，是非线性系数(n2是折射率，λ是载波波长，Aeff是有效光芯面积)；C是线性耦合系数,实现三芯中周期性脉冲转换,描述线性耦合系数随入射光频率的依赖关系,其中w是入射脉冲的角频率,w0为中心载波频率。C1又称为耦合系数色散，会导致脉冲展宽甚至分裂现象。根据耦合模式理论，对正三角型三芯光纤中注入等腰对称平面波(即两芯中场完全相同,第三芯中场入射功率与其他两芯中不同的平面波,其存在的前提是入射光总功率(P)必须大于某最小值Pmin)来研究其非线性效应是否满足模分复用的要求。分析发现耦合色散对增益谱的影响在正常色散和反常色散区都非常弱，所以可通过注入不同功率的方法有效减小模式色散和非线性损伤。采用沟槽结构与非沟槽结构相比，串扰整体降低约20-30dB，进而通过增大沟道内径、减小沟槽外径、减小沟槽与包层的折射率差来增大模场面积，以减少非线性损伤。由此证明沟槽辅助正三角形型结构可被用于模分复用中。
更具体的，如图2所示，对一个沟槽辅助的纤芯来说，图中右上角的结构，中间是纤芯，纤芯外侧设有包层和沟槽结构,Λ表示芯间距。由于纤芯周围存在一层折射率沟槽结构，所以远离纤芯的电场将会被抑制，从而会使相邻纤芯纤芯的电场间的重叠积分变小，这样在一定程度上抑制了串扰。芯间距太大会使得纤芯之间产生串扰，太小会造成光纤体积的增大，所以本实用新型将芯间距设置为42μm，42μm是综合考虑下最优的芯间距。
更具体的，如图3所示，MCF的纤芯外侧设置有折射率沟槽，且MCF的纤芯的折射率n1＝1.4457，MCF的纤芯与MCF的包层的折射率差Δ1＝0.003，MCF的沟槽与包层的折射率差Δ2＝0.003。另外，MCF的纤芯半径为r1＝5μm，MCF的纤芯中心与沟槽的距离r2＝10μm，MCF的沟槽的宽度为r3＝3μm。经综合分析得，这种参数设置能有效减小模式色散，增大光纤有效模场面积。
更具体的，如图4所示，沟槽辅助正三角型三芯光纤中，芯1传输DV-QKD信号，芯2传输上行信号，芯3传输下行信号。
优选的，在MCF进行传输时，量子信号采用1550nm的波长信道；经典信号采用上行1490nm的波长信道或下行1310nm的波长信道，用以减弱拉曼散射噪声的影响。
如图6所示，一种基于三芯光纤模分复用的QTTH系统的传输方法，包括以下步骤：
S1、系统初始化及噪声测试：检查OLT、MDM-ODN和ONU处的设备是否能正常运转，设定初始条件；在OLT侧发射激光脉冲串的情况下，测试系统噪声，判断信噪比是否高于设定的信噪比预设值，若信噪比高于设定的信噪比预设值，进入步骤S2，若信噪低于设定的信噪比预设值，生成提示信息；其中，测试系统的信噪比采用如下公式：SNR＝10lg(PS/PN)，PS为信号功率，PN为噪声功率，信噪比预设值为20dB；
S2、信号制备：经典信号单元把光信号通过LD、IM、OC转换成经典信号，此处经典信号为OOK信号；DV-QKD单元根据诱骗态BB84协议制备量子态，生成量子信号，具体步骤包括：
S2`.1:在每个脉冲发送周期，Alice随机制备并发送一个信号态或诱骗态给接收方Bob，两者的区别在于平均光子数不同。其中Alice的光源处制备的初始态为线偏振态通过波片后变为圆偏振态之后通过光开关进入到不同的起偏器，随机被转换为水平偏振态|H>＝|0>，垂直偏振态|V>＝|1>，45°偏振态135°偏振态之一；四种偏振态构成两个正交基矢，基X定义为(|H>，|V>,基Y定义为(|+>，|->)；
S2'.2：Alice使用经典信道(Alice和Bob之间设有独立的经典信道用以通信)告诉Bob，这些态中哪些是信号态，哪些是诱骗态；
S3、模式转换：通过步骤S2得到的各个经典信号经过模式转换器进行模式转换，使处于基模的经典信号经过模式转换器转换成不同且相互正交的模式，而量子信号无需模式模式，以基模形式进行传输；
S4、模式复用传输：通过步骤S2`.1和S3得到的各个信号通过模式复用器转换成适合MCF传输的特定模式后，携带多种模式的光束被发射到沟槽辅助正三角型三芯光纤中进行复用传输。MCF的三个纤芯分别传输量子信号、上行信号和下行信号S5、模式解复用：各信号通过模式解复用器分解成独立且模式不同的信号，其中经典信号需经过模式转换器转换至基模信号。此时经典信号和量子信号都为基模模式，可通过单模光纤进行传输；
S6、探测信号：各信号由光电探测器进行探测；此处探测器使用以盖革模式操作的InGaAs雪崩光电二极管，雪崩二极管的工作模式分为线性模式和盖革模式，工作于线性模式的雪崩二极管只能响应经典的强光信号却不能响应量子的弱单光子信号，而工作于盖革模式的雪崩二极管对两种信号都能响应；
S7、相干接收：所有的信号分别到达接收机，完成信息的传输。其中对经典信号进行相干接收；
S8、误码率检测：OLT端随机选取筛选码的一部分检测误码率；若测量得到的误码率值大于等于诱骗态的理论计算值，则返回步骤S2和S2’，重新开始新一轮通信，若测量得到的误码率值小于诱骗态的理论计算值，建立安全通信；其中，诱骗态的理论计算值为11％，具体步骤包括：
S8.1：Bob随机选择测量基进行测量，并声明自己采用的测量基和接收到了哪些周期中的量子态；
S8.2：Alice和Bob端留下基矢对比正确的部分作为筛选码，分别计算信号态和诱骗态的计数率和误码率，其中信号态只提取一部分进行误码率估计；
S8.3：Alice和Bob端根据上述数据进行误码率检测判断是否存在窃听，存在窃听则抛弃密钥、中止通信，不存在窃听则进行纠错和密性放大等操作。
以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于三芯光纤模分复用的QTTH系统，其特征在于，包括：OLT端、MDM-ODN和ONU端，所述OLT端、MDM-ODN和ONU端通过光纤依次连接；
所述MDM-ODN包括模式复用器和模式解复用器，且相互之间通过MCF连接，所述MCF为沟槽辅助正三角型三芯光纤；
所述OLT端包括经典信号发送器、N个DV-QKD单元和N个OLT端的模式转换器，所述N个模式转换器的一端与所述经典信号发送器连接，另一端与MDM-ODN的模式复用器连接；
所述ONU包括N个DV-QKD接收器、经典信号接收器、N个ONU端的模式转换器和2N个PD；所述N个DV-QKD接收器分别通过PD与模式解复用器连接；所述N个ONU端的模式转换器一端与解复用器连接，另一端分别通过PD与经典信号接收器连接；
所述经典信号发送器发送的N个经典信号经过模式转化器从基模转换成不同且相互正交的模式后，连同所述N个DV-QKD单元发送的N个量子信号进入所述模式复用器转换成适合所述MCF传输的模式，并通过所述MCF发送到所述模式解复用器分解成独立的N个经典信号和N个量子信号；所述分解后的各束经典信号分别通过模式转换器转换成基模的模式，并经过连接的PD发送到经典信号接收器；所述量子信号通过连接的PD发送到DV-QKD接收器。
2.根据权利要求1所述的一种基于三芯光纤模分复用的QTTH系统，其特征在于，包括：
所述经典信号发送器包括依次连接的LD、IM和OC；
所述N个经典信号均为OOK信号。
3.根据权利要求2所述的一种基于三芯光纤模分复用的QTTH系统，其特征在于，包括：
所述PD采用以盖革模式操作的InGaAs雪崩光电二极管。
4.根据权利要求3所述的一种基于三芯光纤模分复用的QTTH系统，其特征在于，包括：
所述模式复用器和模式解复用器由级联模式选择耦合器组成。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种基于三芯光纤模分复用的QTTH系统，其特征在于：
所述DV-QKD单元为基于诱骗态BB84协议产生量子信号的DV-QKD单元。
6.根据权利要求5所述的一种基于三芯光纤模分复用的QTTH系统，其特征在于：
所述量子信号的偏振态包括四种偏振态：水平偏振态、垂直偏振态、45°偏振态和135°偏振态。
7.根据权利要求6所述的一种基于三芯光纤模分复用QTTH系统，其特征在于：
所述水平偏振态为：|H＞＝|0〉；
所述垂直偏振态为：|V>＝|1>；
所述45°偏振态为：
所述135°偏振态为：
8.根据权利要求7所述的一种基于三芯光纤模分复用的QTTH系统，其特征在于：
所述MCF的纤芯半径为5μm，折射率为1.4457，所述MCF的芯间距为42μm；
所述MCF的纤芯外侧设置有折射率沟槽，所述折射率沟槽的厚度为3μm；所述MCF的纤芯与MCF的包层之间折射率差为0.003，所述折射率沟槽与MCF的包层之间的折射率差为0.003。
9.根据权利要求8所述的一种基于三芯光纤模分复用QTTH系统，其特征在于：
所述MCF的三个纤芯分别传输所述量子信号、上行信号和下行信号。
10.根据权利要求9所述的一种基于三芯光纤模分复用的QTTH技术系统，其特征在于：
在所述MCF进行传输时，所述量子信号采用1550nm的波长信道；所述经典信号采用上行1490nm的波长信道或下行1310nm的波长信道。
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| GR01 | Patent grant | ||
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