CN211860124U - 一种用于量子通信的时间同步系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种用于量子通信的时间同步系统，其可以包括一个或多个信号光发生装置、一个或多个同步光发生装置、发送端控制单元、第一光耦合装置、多芯光纤、第二光耦合装置、一个或多个信号光探测装置、一个或多个同步光探测装置、以及接收端控制单元。其中，第一光耦合装置将同步光脉冲和信号光脉冲分别耦合至多芯光纤中的不同纤芯，第二光耦合装置将同步光脉冲和信号光脉冲分别耦合至同步光探测装置和信号光探测装置；发送端控制单元对同步光脉冲和信号光脉冲进行编号，接收端控制单元根据同步光脉冲和信号光脉冲的编号实现信号光脉冲在发送端和接收端之间的时间同步。

Description

一种用于量子通信的时间同步系统

技术领域

本实用新型涉及量子保密通信领域，尤其涉及一种用于量子通信的时间同步系统。

背景技术

量子通信基于量子力学原理可实现无条件安全通信，近几年得到快速发展，在全球范围内引起广泛重视，各知名企业、科研机构以及高校均投入大量的人力物力对量子通信进行研究。作为量子通信领域中发展最为成熟的量子密钥分发技术已经走出实验室并实现了工程化应用，为国家安全、电力、金融等领域信息业务提供量子安全保障。

量子密钥分发系统分为发送端(Alice)和接收端(Bob)，两者之间通过光纤信道进行通信。Alice随机选择一个基矢(“+”基矢或“×”基矢)和在这个基矢下的某一个态对光子进行编码，可得到四种偏振态光子，分别为水平偏振态H(记作→)、垂直偏振态V(记作↑)、+45°偏振态P(记作↗)、-45°偏振态N(记作↘)。经过信道传输后光子被Bob接收。Bob接收到光子信息后，随机选择一组基矢进行测量，将测量结果记录下来。Alice和Bob选择基矢都是随机且相互独立的。

接下来Alice和Bob会进行基矢比对，保留选择相同基矢下的数据，随后再经过纠错和隐私放大等处理过程，得到最终的安全密钥。

在量子密钥分发过程中，一个很重要的过程是时间同步，该过程确保Alice和Bob是针对同一个光子态所属的基矢进行基矢比对，不能出现错位，否则信息就会错乱。时间同步过程基于同步光方法来实现。在Alice端，信号光激光器发送信号光光脉冲，同步光激光器发送同步光光脉冲。

在具体的实施过程中，目前常用以下两种时间同步方案。如图1所示，第一种同步方案是通过两根光纤分别来传输同步光光脉冲和信号光光脉冲；另外一种同步方案是同步光光脉冲和信号光光脉冲通过波分复用耦合进入同一根光纤进行传输，同步光光脉冲波长不同于信号光光脉冲波长，通过控制两者波长的间隔，减小或消除光强较强的同步光光脉冲对单光子级别光强的信号光光脉冲的干扰。

实用新型内容

发明人通过研究现有技术中的时间同步方案发现其至少存在以下问题。

在现有方案一中，采用两根光纤分别传输同步光光脉冲和信号光光脉冲，会额外占用一条光纤，对于光纤资源造成极大的耗费。而且，同步光光脉冲和信号光光脉冲传输经过不同的两根光纤，两根光纤受外界环境扰动影响也不同，在传输过程中会有相对相位抖动的问题，在光脉冲重复频率较高的情况下，这种影响尤为突出。

在现有方案二中，采用波分复用将同步光光脉冲和信号光光脉冲耦合进入同一根光纤传输，同步光光脉冲会占用一个传输信道，相对地，经典信号就少了一个可用的传输信道。在当今大数据量传输的光互连网络中，波长资源宝贵而且有限。

针对上述缺陷，本实用新型提出一种新颖的用于量子通信的时间同步系统，其可以包括一个或多个信号光发生装置、一个或多个同步光发生装置、发送端控制单元、第一光耦合装置、多芯光纤、第二光耦合装置、一个或多个信号光探测装置、一个或多个同步光探测装置、以及接收端控制单元，其中：

所述信号光发生装置被配置成利用激光器输出的光信号生成承载有编码信息的信号光脉冲；

所述同步光发生装置被配置成生成和输出同步光脉冲；

所述发送端控制单元被配置成使相邻两个所述同步光脉冲之间存在多个所述信号光脉冲，并且对所述同步光脉冲进行编号，以及根据所述信号光脉冲与所述同步光脉冲中相邻的一个之间的时间间隔，关于所述相邻的同步光脉冲对所述信号光脉冲进行编号；

所述第一光耦合装置被配置成将所述同步光脉冲和所述信号光脉冲分别耦合至所述多芯光纤中的不同纤芯；

所述第二光耦合装置被配置成将所述同步光脉冲和所述信号光脉冲分别耦合至所述同步光探测装置和所述信号光探测装置；

所述信号光探测装置被配置成对所述信号光脉冲进行探测和解码；

所述同步光探测装置被配置成对所述同步光脉冲进行探测；

所述接收端控制单元被配置成基于所述信号光探测装置和所述同步光探测装置的输出，根据所述同步光脉冲的编号及隶属同一同步光脉冲的所述信号光脉冲的编号实现所述信号光脉冲在发送端和接收端之间的时间同步。

用于输出所述光信号的激光器为脉冲或连续激光器。

所述同步光脉冲的重复频率小于所述信号光脉冲的重复频率。

所述信号光探测装置包括单光子探测器。

所述第一光耦合装置包括具有多个单模光纤的多芯光纤连接器；所述第二光耦合装置包括具有多个单模光纤的多芯光纤连接器；所述信号光发生装置还包括单模光纤输出端；所述同步光发生装置还包括单模光纤输出端；所述同步光发生装置和所述信号光发生装置的所述单模光纤输出端通过法兰或光纤熔接与所述第一光耦合装置的所述多芯光纤连接器中的单模光纤连接；所述信号光探测装置还包括单模光纤输入端；所述同步光探测装置还包括单模光纤输入端；所述同步光探测装置和所述信号光探测装置的所述单模光纤输入端通过法兰或光纤熔接与所述第二光耦合装置的所述多芯光纤连接器中的单模光纤连接。

所述第一光耦合装置包括多个透镜，其用于将所述同步光脉冲和所述信号光脉冲聚焦耦合至所述多芯光纤的所述纤芯上；所述第二光耦合装置包括多个透镜，其用于将在所述纤芯中传播的所述同步光脉冲和所述信号光脉冲准直耦合至所述同步光探测装置和所述信号光探测装置。

本实用新型的时间同步系统还可以包括一个或多个第一通信装置、一个或多个第二通信装置、第一波分复用器、以及第二波分复用器。其中，所述第一通信装置被配置成输出经典信号；所述第二通信装置被配置成接收所述经典信号；所述第一波分复用器被配置成将所述经典信号与所述信号光脉冲进行波分复用；所述第二波分复用器被配置成将经波分复用的所述经典信号和所述信号光脉冲分离。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

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使用的附图作简单地介绍，显而易见，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来获得其他的附图。

图1示意性地示出了现有技术中的一种用于量子通信的时间同步方案；

图2示意性地示出了现有技术中的另一种用于量子通信的时间同步方案；

图3示意性地示出了根据本实用新型的用于量子通信的时间同步系统的一个示例性实施例。

具体实施方式

在下文中，本实用新型的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本实用新型的精神给本实用新型所属领域的技术人员。因此，本实用新型不限于本文公开的实施例。

图3示出了根据本实用新型的用于量子通信的时间同步系统的一个示例性实施例，以说明本实用新型的工作原理。

如图所示，时间同步系统可以包括一个或多个信号光发生装置，一个或多个同步光发生装置，发送端控制单元，第一光耦合装置，多芯光纤，第二光耦合装置，一个或多个信号光探测装置，一个或多个同步光探测装置，以及接收端控制单元。

在信号光发生装置中，利用激光器输出的光信号生成承载有编码信息的信号光脉冲。其中，用于输出光信号的激光器可以为脉冲或连续激光器。

同步光发生装置用于生成和输出同步光脉冲。同步光脉冲可以具有固定的重复频率，且该重复频率不同于信号光脉冲的重复频率。优选地，同步光脉冲的重复频率小于信号光脉冲的重复频率。同步光发生装置可以包括激光器。

在本实用新型中，借助发送端控制单元对各个同步光脉冲进行编号，并且使得相邻的两个同步光脉冲(例如第n个同步光脉冲与第n+1个同步光脉冲)之间存在多个(例如m个)信号光脉冲。此外，在本实用新型的发送端控制单元中，还根据信号光脉冲与其相邻的一个同步光脉冲之间的时间间隔，关于该同步光脉冲对这些信号光脉冲进行编号。例如，当在第n个同步光脉冲与第n+1个同步光脉冲之间存在m个信号光脉冲时，可以根据信号光脉冲相对于第n个同步光脉冲的时间间隔对这些信号光脉冲编号为1至m，且认为该编号从1至m的m个信号光脉冲是隶属于第n个同步光脉冲的。

在本实用新型中，同步光脉冲和信号光脉冲借助第一光耦合装置从发送端分别耦合至多芯光纤中的不同纤芯中，从而在不同的纤芯中朝向接收端传播，并随后借助第二光耦合装置分别被耦合至同步光探测装置和信号光探测装置。

信号光探测装置用于对信号光脉冲进行探测和解码，以获得信号光脉冲上承载的编码信息。在示例中，信号光探测装置可以包括单光子探测器。

同步光探测装置用于对同步光脉冲进行探测。

在接收端，接收端控制单元可以基于信号光探测装置和同步光探测装置的输出，根据同步光脉冲的编号及隶属同一同步光脉冲的信号光脉冲的编号来实现信号光脉冲在发送端和接收端之间的时间同步。例如，对于某个信号光脉冲a，可以先确定其隶属的同步光脉冲(例如可以事先约定其隶属于与之相邻且靠前的同步光脉冲)的编号(例如为第一帧同步光脉冲)，随后再根据信号光脉冲a相对于该同步光脉冲的时间间隔来确定其编号(例如为相对于该帧同步光脉冲的第2个)，从而可以确定该信号光脉冲a的时间位置(例如为第1帧同步光脉冲中的第2个)。因此，借助接收端控制单元，可以保证探测到的信号光脉冲与发送端输出的信号光脉冲一一对应，不会出现时间错位，达到时间同步。

图3以示例的方式示出了两组同步光脉冲和信号光脉冲借助同一多芯光纤实现时间同步的具体实施例。

在该示例中，多芯光纤至少包括四根纤芯，以便能够传输两组同步光脉冲和信号光脉冲。光耦合装置可以包括具有多个单模光纤的多芯光纤连接器，其例如可以为4芯光纤连接器，如图3所示。信号光发生装置还包括单模光纤1(3)作为信号光脉冲的输出端。同步光发生装置还包括单模光纤2(4)作为同步光脉冲的输出端。同步光发生装置和信号光发生装置的单模光纤输出端可以通过法兰或光纤熔接的方式与多芯光纤连接器中的单模光纤连接。信号光探测装置还包括单模光纤5(7)作为信号光脉冲的输入端。同步光探测装置还包括单模光纤6(8)作为同步光脉冲的输入端。同步光探测装置和信号光探测装置的单模光纤输入端可以通过法兰或光纤熔接的方式与多芯光纤连接器中的单模光纤连接。

作为替换方式，光耦合装置可以包括多个透镜，用于将同步光发生装置和信号光发生装置输出的光脉冲聚焦耦合至多芯光纤中的相应纤芯上，以及将在多芯光纤中传播的光脉冲准直耦合至同步光探测装置和信号光探测装置。

在本实用新型的时间同步系统中，可以消除强同步光脉冲对弱信号光脉冲的串扰影响，且节省了一个波长通道，给经典信号多增加了一个可用的波长通道；同时，还能够避免外部环境扰动对同步光脉冲和信号光脉冲造成不期望的影响。

因此，在本发明的进一步实施例中，本实用新型的用于量子通信的时间同步系统还可以包括一个或多个第一通信装置，一个或多个第二通信装置，第一波分复用器，以及第二波分复用器。其中，第一通信装置可以输出经典信号，第二通信装置可以接收经典信号，从而实现经典通信过程。

第一波分复用器用于将第一通信装置输出的经典信号与信号光发生装置输出的信号光脉冲进行波分复用。因此，第一波分复用器的输出端可以通过第一光耦合装置与多芯光纤中的纤芯形成光学连接。

第二波分复用器用于将由多芯光纤中的同一光纤传输的经典信号与信号光脉冲分离，以分别输出至第二通信装置和信号光探测装置。因此，第二波分复用器的输入端可以通过第二光耦合装置与多芯光纤中的纤芯形成光学连接。

借助该进一步实施例，可以大大提升量子保密通信的效率和传输容量。

尽管前面结合附图通过具体实施例对本实用新型进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本实用新型的原理，其并不会对本实用新型的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围。

Claims (8)

1.一种用于量子通信的时间同步系统，其特征在于包括一个或多个信号光发生装置、一个或多个同步光发生装置、发送端控制单元、第一光耦合装置、多芯光纤、第二光耦合装置、一个或多个信号光探测装置、一个或多个同步光探测装置、以及接收端控制单元，其中：

所述信号光发生装置被配置成利用激光器输出的光信号生成承载有编码信息的信号光脉冲；

所述同步光发生装置被配置成生成和输出同步光脉冲；

所述发送端控制单元被配置成使相邻两个所述同步光脉冲之间存在多个所述信号光脉冲，并且对所述同步光脉冲进行编号，以及根据所述信号光脉冲与所述同步光脉冲中相邻的一个之间的时间间隔，关于所述相邻的同步光脉冲对所述信号光脉冲进行编号；

所述第一光耦合装置被配置成将所述同步光脉冲和所述信号光脉冲分别耦合至所述多芯光纤中的不同纤芯；

所述第二光耦合装置被配置成将所述同步光脉冲和所述信号光脉冲分别耦合至所述同步光探测装置和所述信号光探测装置；

所述信号光探测装置被配置成对所述信号光脉冲进行探测和解码；

所述同步光探测装置被配置成对所述同步光脉冲进行探测；

所述接收端控制单元被配置成基于所述信号光探测装置和所述同步光探测装置的输出，根据所述同步光脉冲的编号及隶属同一同步光脉冲的所述信号光脉冲的编号实现所述信号光脉冲在发送端和接收端之间的时间同步。

2.根据权利要求1所述的时间同步系统,其特征在于，用于输出所述光信号的激光器为脉冲或连续激光器。

3.根据权利要求1所述的时间同步系统，其特征在于，所述同步光脉冲的重复频率小于所述信号光脉冲的重复频率。

4.根据权利要求1所述的时间同步系统，其特征在于，所述信号光探测装置包括单光子探测器。

5.根据权利要求1所述的时间同步系统，其特征在于，

所述第一光耦合装置包括具有多个单模光纤的多芯光纤连接器；

所述第二光耦合装置包括具有多个单模光纤的多芯光纤连接器；

所述信号光发生装置还包括单模光纤输出端；

所述同步光发生装置还包括单模光纤输出端；

所述同步光发生装置和所述信号光发生装置的所述单模光纤输出端通过法兰或光纤熔接与所述第一光耦合装置的所述多芯光纤连接器中的单模光纤连接；

所述信号光探测装置还包括单模光纤输入端；

所述同步光探测装置还包括单模光纤输入端；

所述同步光探测装置和所述信号光探测装置的所述单模光纤输入端通过法兰或光纤熔接与所述第二光耦合装置的所述多芯光纤连接器中的单模光纤连接。

6.根据权利要求1所述的时间同步系统，其特征在于，

所述第一光耦合装置包括多个透镜，其用于将所述同步光脉冲和所述信号光脉冲聚焦耦合至所述多芯光纤的所述纤芯上；

所述第二光耦合装置包括多个透镜，其用于将在所述纤芯中传播的所述同步光脉冲和所述信号光脉冲准直耦合至所述同步光探测装置和所述信号光探测装置。

7.根据权利要求1所述的时间同步系统，其特征在于还包括一个或多个第一通信装置、一个或多个第二通信装置、第一波分复用器、以及第二波分复用器。

8.根据权利要求7所述的时间同步系统，其特征在于，

所述第一通信装置被配置成输出经典信号；

所述第二通信装置被配置成接收所述经典信号；

所述第一波分复用器被配置成将所述经典信号与所述信号光脉冲进行波分复用；

所述第二波分复用器被配置成将经波分复用的所述经典信号和所述信号光脉冲分离。

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