EA045447B1 - DEVICE FOR QUANTUM KEY DISTRIBUTION AT SIDE FREQUENCIES, RESISTANT TO POLARIZATION SIGNAL DISTORTION IN FIBER OPTICAL COMMUNICATION LINES - Google Patents

DEVICE FOR QUANTUM KEY DISTRIBUTION AT SIDE FREQUENCIES, RESISTANT TO POLARIZATION SIGNAL DISTORTION IN FIBER OPTICAL COMMUNICATION LINES Download PDF

Info

Publication number
EA045447B1
EA045447B1 EA202291302 EA045447B1 EA 045447 B1 EA045447 B1 EA 045447B1 EA 202291302 EA202291302 EA 202291302 EA 045447 B1 EA045447 B1 EA 045447B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
polarization
electro
fiber
optical
unit
Prior art date
Application number
EA202291302
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Семен Владимирович Смирнов
Владимир Викторович Чистяков
Сергей Михайлович Кынев
Алена Евгеньевна Иванова
Владимир Ильич Егоров
Артур Викторович Глейм
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью Ооо "Смартс-Кванттелеком"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью Ооо "Смартс-Кванттелеком" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью Ооо "Смартс-Кванттелеком"
Publication of EA045447B1 publication Critical patent/EA045447B1/en

Links

Description

Настоящее изобретение относится к технике оптической связи, а именно к системам фотонной квантовой связи.The present invention relates to optical communication technology, and more specifically to photonic quantum communication systems.

Известно устройство квантовой рассылки симметричных битовых последовательностей [Патент США 6272224 В1, дата приоритета 07.04.2001. МКИ: H04L 9/08; H04K 1/00], содержащее соединенные посредством волоконно-оптической линии связи передающее устройство, включающее расположенные последовательно по ходу распространения излучения источник монохроматического излучения, электрооптический фазовый модулятор и аттенюатор, а также устройство сдвига фазы, выход которого соединен с управляющим входом электрооптического фазового модулятора, а вход устройства сдвига фазы соединен с выходом генератора радиочастотного сигнала, и приемное устройство, включающее электрооптический фазовый модулятор, выход которого оптически сопряжен со спектральным фильтром, который оптически сопряжен с приемником классического излучения и детектором одиночных фотонов, управляющий вход электрооптического фазового модулятора соединен с выходом устройства сдвига фазы, к входу которого подключен выход генератора радиочастотного сигнала, волоконно-оптическая линия связи оптически сопряжена с аттенюатором передающего устройства и с входом электрооптического фазового модулятора приемного устройства, устройство содержит блок синхронизации, первый и второй выходы которого соединены с входами генератора радиочастотного сигнала приемного и передающего устройств соответственно, а также блок управления фазовым сдвигом, первый и второй выходы которого соединены с синхронизационными входами устройства сдвига фазы приемного и передающего устройств соответственно.A device for quantum distribution of symmetric bit sequences is known [US Patent 6272224 B1, priority date 04/07/2001. MKI: H04L 9/08; H04K 1/00], containing a transmitting device connected via a fiber-optic communication line, including a monochromatic radiation source, an electro-optical phase modulator and an attenuator located in series along the direction of radiation propagation, as well as a phase shift device, the output of which is connected to the control input of the electro-optical phase modulator, and the input of the phase shift device is connected to the output of the radio frequency signal generator, and the receiving device, including an electro-optical phase modulator, the output of which is optically coupled to a spectral filter, which is optically coupled to a classical radiation receiver and a single photon detector, the control input of the electro-optical phase modulator is connected to the output of the device phase shift, to the input of which the output of the radio frequency signal generator is connected, the fiber-optic communication line is optically coupled with the attenuator of the transmitting device and with the input of the electro-optical phase modulator of the receiving device, the device contains a synchronization unit, the first and second outputs of which are connected to the inputs of the radio frequency signal generator of the receiving and transmitting devices, respectively, as well as a phase shift control unit, the first and second outputs of which are connected to the synchronizing inputs of the phase shift device of the receiving and transmitting devices, respectively.

Стандартное оптическое волокно, используемое в волоконно-оптических линиях связи, обладает двулучепреломлением, которое носит случайный характер, в том числе зависит случайным образом от времени. Электрооптические фазовые модуляторы, используемые в волоконных линиях связи, в большом числе случаев чувствительны к поляризации излучения. Блок отправителя может однозначно ввести фазу в сигнал, непосредственно излучаемый его лазером. Однако при передаче этого сигнала по длинному волокну к блоку получателя состояние поляризации может непредсказуемо измениться. Кроме того, состояние поляризации может случайным образом зависеть от времени. Поскольку электрооптический фазовый модулятор в блоке получателя также чувствителен к состоянию поляризации проходящего через него излучения, результат модуляции сигнала с его стороны может случайно зависеть от времени. С учетом этих обстоятельств представленное устройство обладает следующими недостатками: высокий коэффициент квантовых ошибок, низкая скорость передачи секретного криптографического ключа и низкая степень защищенности секретного криптографического ключа.Standard optical fiber used in fiber-optic communication lines has birefringence, which is random in nature, including random dependence on time. Electro-optical phase modulators used in fiber communication lines are in a large number of cases sensitive to the polarization of radiation. The sender unit can unambiguously introduce phase into the signal directly emitted by its laser. However, when this signal is transmitted over a long fiber to the receiving unit, the polarization state may change unpredictably. In addition, the polarization state may vary randomly with time. Since the electro-optical phase modulator in the receiver unit is also sensitive to the polarization state of the radiation passing through it, the result of signal modulation on its part may randomly depend on time. Taking these circumstances into account, the presented device has the following disadvantages: a high quantum error rate, a low transmission rate of the secret cryptographic key, and a low degree of security of the secret cryptographic key.

Известно устройство квантовой рассылки криптографического ключа, в котором реализован блок компенсации поляризационных искажений [Патент RU 2454810 С1]. В приемном устройстве блок компенсации поляризационных искажений выполнен из двух расположенных по ходу излучения электрооптических фазовых модуляторов, управляющие входы которых соединены с первым и вторым выходом устройства сдвига фазы соответственно, причем выход первого электрооптического фазового модулятора оптически сопряжен с выходом второго электрооптического фазового модулятора, за модуляторами по ходу излучения установлено фарадеевское зеркало, оптически сопряженное с входом второго электрооптического фазового модулятора.A device for quantum distribution of a cryptographic key is known, in which a polarization distortion compensation unit is implemented [Patent RU 2454810 C1]. In the receiving device, the polarization distortion compensation unit is made of two electro-optical phase modulators located along the radiation path, the control inputs of which are connected to the first and second outputs of the phase shift device, respectively, and the output of the first electro-optical phase modulator is optically coupled to the output of the second electro-optical phase modulator, followed by modulators Along the radiation path, a Faraday mirror is installed, optically coupled to the input of the second electro-optical phase modulator.

Представленное устройство также имеет недостатки. При двойном проходе излучения в блоке компенсации поляризационных искажений вносятся потери, что, в свою очередь, ведет к повышению коэффициента квантовых ошибок и к уменьшению дальности рассылки ключа.The presented device also has disadvantages. When radiation passes twice, losses are introduced in the polarization distortion compensation unit, which, in turn, leads to an increase in the quantum error coefficient and a decrease in the key distribution range.

Настоящее изобретение решает задачу понижения коэффициента квантовых ошибок, повышения скорости передачи секретного криптографического ключа и повышения степени защищенности секретного криптографического ключа посредством компенсации двулучепреломления волокна и поляризационной чувствительности модулятора в системе квантовой рассылки ключа на поднесущих частотах модулированного излучения.The present invention solves the problem of reducing the quantum error rate, increasing the transmission speed of the secret cryptographic key and increasing the degree of security of the secret cryptographic key by compensating the fiber birefringence and the polarization sensitivity of the modulator in the quantum key distribution system at subcarrier frequencies of modulated radiation.

Поставленная задача решается следующим образом. Новая техническая реализация блока приемника устройства фотонной квантовой связи позволяет снизить коэффициент квантовых ошибок за счет понижения потерь в блоке электрооптической модуляции с компенсацией поляризационных искажений. В состав приемного блока между электрооптическим фазовым модулятором и спектральным фильтром введены: волоконный поляризационный светоделитель, второй электрооптический фазовый модулятор и волоконный поляризационный соединитель. Устройство фотонной квантовой связи представлено на фигуре, 1 - лазер, 2 - волоконный оптический изолятор, 3, 6, 7 - электрооптический фазовый модулятор, 4 волоконный оптический аттенюатор, 5 - радиоэлектронный блок управления и синхронизации блока отправителя, квантовый канал - квантовый канал связи, 8 - волоконный поляризационный светоделитель, 9 - волоконный поляризационный соединитель, 10 - спектральный фильтр, 11 - детектор одиночных фотонов, 12 - радиоэлектронный блок управления и синхронизации блока получателя, 13 - квантовый канал для передачи одиночных фотонов, 14 - канал для передачи классического сигнала синхронизации от радиоэлектронного блока передатчика к радиоэлектронному блоку приемника, 15 - открытый канал связи для классической коммуникации между радиоэлектронными блоками приемника и передатчика.The problem is solved as follows. A new technical implementation of the receiver block of a photonic quantum communication device makes it possible to reduce the quantum error rate by reducing losses in the electro-optical modulation block with compensation of polarization distortions. The receiving unit between the electro-optical phase modulator and the spectral filter includes: a fiber polarization beam splitter, a second electro-optical phase modulator and a fiber polarization connector. The photonic quantum communication device is presented in the figure, 1 - laser, 2 - fiber optical isolator, 3, 6, 7 - electro-optical phase modulator, 4 fiber optical attenuator, 5 - radio-electronic control and synchronization unit of the sender unit, quantum channel - quantum communication channel, 8 - fiber polarization beam splitter, 9 - fiber polarization connector, 10 - spectral filter, 11 - single photon detector, 12 - radio-electronic control and synchronization unit of the receiver unit, 13 - quantum channel for transmitting single photons, 14 - channel for transmitting a classical synchronization signal from the radio-electronic unit of the transmitter to the radio-electronic unit of the receiver, 15 - an open communication channel for classical communication between the radio-electronic units of the receiver and transmitter.

В блок электрооптической модуляции с компенсацией поляризационных искажений в приемномIn the electro-optical modulation unit with compensation of polarization distortions in the receiving

--

Claims (1)

устройстве установлен волоконный поляризационный светоделитель, порты которого сопряжены с двумя расположенными по ходу излучения электрооптическими фазовыми модуляторами, после чего промодулированное излучение соединяется посредством волоконного поляризационного соединителя.The device is equipped with a fiber polarization beam splitter, the ports of which are connected to two electro-optical phase modulators located along the radiation path, after which the modulated radiation is connected through a fiber polarization connector. Необходимо отметить, что в настоящем раскрытии блок отправителя может быть назван передающим устройством, а блок приемника может быть также назван приемником, приемным устройством или блоком получателя.It should be noted that in the present disclosure, a sender unit may be referred to as a transmitter unit, and a receiver unit may also be referred to as a receiver unit, a receiver unit, or a receiver unit. Принцип работы устройства: монохроматическое излучение с несущей частотой, генерируемое источником монохроматического излучения, пройдя через волоконный оптический изолятор, поступает в электрооптический фазовый модулятор, где создается световое поле на поднесущих частотах с произвольно заданной фазовой отстройкой относительно фазы несущей частоты. Фазовая отстройка задаётся в радиоэлектронном блоке управления и синхронизации из набора четырех базисных состояний (например 0, 90, 180, 270°) в двух ортогональных базисах. Величина фазовой отстройки содержит информацию, передаваемую от передатчика к приемнику с помощью однофотонных состояний. Далее излучение попадает в аттенюатор, где оно ослабляется до уровня, заданного протоколом (например, 0,2 фотона на такт фазовой модуляции суммарно на боковых частотах). Пройдя через квантовый канал, излучение поступает в блок получателя и попадает в блок электрооптической модуляции с компенсацией поляризационных искажений. Основополагающим принципом данного блока электрооптической модуляции с компенсацией поляризационных искажений является разделение сигнала, пришедшего из линии связи, на две ортогональные компоненты поляризации для последующей модуляции непосредственно каждой поляризационной моды. Это достигается за счет использования волоконного поляризационного светоделителя с коэффициентом деления 50/50. Использование в данном устройстве специальных волокон, сохраняющих поляризацию, снижает риск изменения поляризации разделенных сигналов. Соединение поляризационного светоделителя и электрооптических фазовых модуляторов выполняется таким образом, что оси поляризации излучения, выходящего из поляризационного светоделителя, совпадают с осями кристаллов электрооптических фазовых модуляторов. После повторной модуляции происходит интерференция двух состояний фотона на поднесущих частотах, созданных в отправителе и приемнике.The principle of operation of the device: monochromatic radiation with a carrier frequency, generated by a source of monochromatic radiation, passing through a fiber optical isolator, enters an electro-optical phase modulator, where a light field is created at subcarrier frequencies with an arbitrarily specified phase detuning relative to the phase of the carrier frequency. The phase detuning is set in the radio-electronic control and synchronization unit from a set of four basic states (for example, 0, 90, 180, 270°) in two orthogonal bases. The amount of phase detuning contains information transmitted from the transmitter to the receiver using single-photon states. Next, the radiation enters the attenuator, where it is attenuated to the level specified by the protocol (for example, 0.2 photons per phase modulation cycle in total at side frequencies). Having passed through the quantum channel, the radiation enters the receiver block and enters the electro-optical modulation block with compensation for polarization distortions. The fundamental principle of this electro-optical modulation block with compensation of polarization distortions is the division of the signal coming from the communication line into two orthogonal polarization components for subsequent modulation of each polarization mode directly. This is achieved by using a fiber polarizing beam splitter with a 50/50 split ratio. The use of special polarization preserving fibers in this device reduces the risk of polarization changes in separated signals. The connection of the polarization beam splitter and electro-optical phase modulators is carried out in such a way that the polarization axes of the radiation emerging from the polarization beam splitter coincide with the axes of the crystals of the electro-optical phase modulators. After re-modulation, the two states of the photon interfere at subcarrier frequencies created at the sender and receiver. Далее излучение собирается волоконным поляризационным соединителем в одно волокно и попадает в спектральный фильтр, где оно очищается от остальных спектральных составляющих. После спектральной очистки результат интерференции на поднесущих частотах, пройдя через спектральный фильтр, регистрируется с помощью детектора одиночных фотонов и обрабатывается в радиоэлектронном блоке управления и синхронизации блока получателя. Далее, в соответствии с протоколом, на основе собранных данных радиоэлектронные блоки отправителя и получателя, используя открытый канал, производят процедуру формирования симметричных битовых последовательностей, которая включает этап просеивания по базисам, при котором отбрасываются срабатывания детектора, произошедшие при фазовой модуляции в разных базисах, формирование сырой битовой последовательности на основании номеров базисов во временных интервалах, когда произошла конструктивная интерференция, расчет коэффициента ошибок и процедуру очистки от ошибок и усиления секретности. Также радиоэлектронные блоки управления и синхронизации обеспечивают синхронную работу блоков отправителя и получателя через оптический канал синхронизации.Next, the radiation is collected by a fiber polarizing connector into one fiber and enters a spectral filter, where it is cleared of other spectral components. After spectral cleaning, the result of interference at subcarrier frequencies, passing through a spectral filter, is recorded using a single photon detector and processed in the radio-electronic control and synchronization unit of the receiver unit. Further, in accordance with the protocol, based on the collected data, the radio-electronic units of the sender and receiver, using an open channel, carry out a procedure for generating symmetrical bit sequences, which includes the stage of sifting by basis, in which detector activations that occurred during phase modulation in different basis are discarded, the formation raw bit sequence based on the basis numbers in the time intervals when constructive interference occurred, calculation of the error rate and the procedure for clearing errors and enhancing secrecy. Also, radio-electronic control and synchronization units ensure synchronous operation of the sender and receiver units through an optical synchronization channel. Техническая задача заявляемого устройства заключается в уменьшении коэффициента квантовых ошибок за счет снижения потерь в блоке электрооптической модуляции с компенсацией поляризационных искажений. Технический результат заявляемого устройства заключается в увеличении максимальной дальности передачи квантовых состояний. Технический результат достигается тем, что в состав приемника введен волоконный поляризационный светоделитель, второй электрооптический фазовый модулятор (если сравнивать с известными устройствами) и волоконный поляризационный соединитель, т.е. достигается тем, что приемное устройство содержит блок электрооптической модуляции с компенсацией поляризационных искажений, который содержит волоконный поляризационный светоделитель, два электрооптических фазовых модулятора, подключенные к двум портам волоконного поляризационного светоделителя, и волоконный поляризационный соединитель, подключенный к двум электрооптическим фазовым модуляторам.The technical task of the proposed device is to reduce the quantum error rate by reducing losses in the electro-optical modulation unit with compensation of polarization distortions. The technical result of the proposed device is to increase the maximum range of transmission of quantum states. The technical result is achieved by the fact that the receiver includes a fiber polarization beam splitter, a second electro-optical phase modulator (when compared with known devices) and a fiber polarization connector, i.e. is achieved in that the receiving device contains an electro-optical modulation unit with compensation of polarization distortions, which contains a fiber polarization beam splitter, two electro-optical phase modulators connected to two ports of the fiber polarization beam splitter, and a fiber polarization connector connected to two electro-optical phase modulators. Настоящее изобретение не ограничено конкретными вариантами, раскрытыми в описании в иллюстративных целях, и охватывает все возможные модификации и альтернативы, входящие в объём настоящего изобретения, определённый формулой изобретения.The present invention is not limited to the specific embodiments disclosed in the specification for illustrative purposes, but covers all possible modifications and alternatives falling within the scope of the present invention as defined by the claims. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM 1. Устройство для передачи квантовых состояний с блоком компенсации поляризационных искажений, содержащее передающее устройство, которое содержит источник монохроматического излучения, волоконный оптический изолятор, подключенный к источнику монохроматического излучения, электрооптический фазовый модулятор, подключенный к волоконному оптическому изолятору, оптический аттенюатор, подключенный к электрооптическому фазовому модулятору, и радиоэлектронный блок управления и1. A device for transmitting quantum states with a polarization distortion compensation unit, containing a transmitting device that contains a source of monochromatic radiation, a fiber optical isolator connected to the source of monochromatic radiation, an electro-optical phase modulator connected to the fiber optical isolator, an optical attenuator connected to the electro-optical phase modulator, and radio-electronic control unit and --
EA202291302 2019-11-12 2019-12-23 DEVICE FOR QUANTUM KEY DISTRIBUTION AT SIDE FREQUENCIES, RESISTANT TO POLARIZATION SIGNAL DISTORTION IN FIBER OPTICAL COMMUNICATION LINES EA045447B1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019136312 2019-11-12

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EA045447B1 true EA045447B1 (en) 2023-11-27

Family

ID=

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11424838B2 (en) Quantum communication network
JP4784202B2 (en) Multiplexed communication system and crosstalk elimination method thereof
RU2454810C1 (en) Device of quantum distribution of cryptographic key on modulated radiation frequency subcarrier
US7116917B2 (en) Optical transmitter and optical transmission system
US10389526B2 (en) Methods for quantum key distribution and related devices
EP1041783A2 (en) Encoding, modulation and multiplexing for optical transmission
GB2405294A (en) Receiver for a quantum cryptography communication system
US6714742B1 (en) Polarization-division multiplexing based on power encoding of different polarization channels
JPH09502321A (en) Key distribution system and method using quantum cryptography
JPH08204636A (en) Optical communication system
CN112769554B (en) Noise processing system and noise processing method for quantum classical fusion transmission
JPH11510974A (en) Dispersion compensation
CN111181650A (en) Optical frequency hopping system based on electric absorption modulation laser
EP1341323B1 (en) Optical signal multiplexer/demultiplexer employing pseudorandom mode modulation
RU2747164C1 (en) Device for quantum key distribution at side frequencies which is resistant to polarization distortions of signal in fiber-optic communication lines
EA045447B1 (en) DEVICE FOR QUANTUM KEY DISTRIBUTION AT SIDE FREQUENCIES, RESISTANT TO POLARIZATION SIGNAL DISTORTION IN FIBER OPTICAL COMMUNICATION LINES
JP2004356996A (en) Quantum encryption communication system composed of combined receiver- re-transmitter, and combined transmitter-re-receiver, and its method for generating timing signal
CN114142933B (en) Secret communication device based on multi-core optical fiber and communication method thereof
CN115996093A (en) Physical layer encryption system and method based on optical carrier driving chaotic laser synchronization
JP3752540B2 (en) Optical pulse separation method and optical pulse separation device
JP4705077B2 (en) Quantum cryptography system
RU2750810C1 (en) Device for quantum communication at side frequencies with radiation registration at the central frequency
RU2812341C2 (en) Method for detecting phases of low-photon coherent light fields at side frequencies in quantum key distribution system
Zhao et al. Physical-Layer Secure Optical Communication Based on Private Chaotic Phase Scrambling
CN213879848U (en) Noise processing system for quantum classical fusion transmission