KR102528603B1

KR102528603B1 - 멀티코어 광섬유 모드 분할 다중화 기반의 qtth 시스템 및 전송 방법

Info

Publication number: KR102528603B1
Application number: KR1020217024120A
Authority: KR
Inventors: 방홍 궈; 치엔린 장
Original assignee: 사우스 차이나 노멀 유니버시티; 광동 인큐베이터 테크놀로지 디벨롭먼트 컴퍼니 리미티드
Priority date: 2018-12-31
Filing date: 2019-12-27
Publication date: 2023-05-04
Also published as: KR20210132012A; US11309986B2; JP2022526209A; JP7161153B2; US20220029729A1; WO2020140853A1; CN109600221B; CN109600221A

Abstract

본 발명은 멀티코어 광섬유 모드 분할 다중화 QTTH 기반의 시스템을 제공한다. 여기에는 OLT단, MDM-ODN 및 ONU단이 포함된다. OLT단, MDM-ODN 및 ONU단은 광섬유를 통해 순차적으로 연결된다. MDM-ODN은 모드 멀티플렉서 및 모드 디멀티플렉서를 포함하며, 상호 간은 MCF에 의해 연결된다. MCF는 이종 트렌치 보조형 7 코어 광섬유이다. OLT단은 고전적 신호 수신기, N개 DV-QKD 유닛 및 N+1개 OLT단의 모드 컨버터를 포함한다. N+1개 모드 컨버터의 일단은 고전적 신호 수신기와 연결되고, 타단은 MDM-ODN의 모드 멀티플렉서와 연결된다. ONU는 N개 DV-QKD 수신기, 고전적 신호 수신기, N+1개 ONU단의 모드 컨버터와 2N+1개 PD 및 1개 ONU단의 OC를 포함한다. N개 DV-QKD 수신기는 각각 PD를 통해 모드 디멀티플렉서와 연결된다. N+1개 ONU단의 모드 컨버터는 디멀티플렉서와 연결된다. 여기에서 N개 ONU단의 모드 컨버터는 각각 PD를 통해 고전적 신호 수신기와 연결되며, 나머지 하나의 ONU단의 모드 컨버터는 하나의 PD와 ONU단의 OC를 거쳐 각 고전적 신호 수신기와 각각 연결된다.

Description

멀티코어 광섬유 모드 분할 다중화 기반의 QTTH 시스템 및 전송 방법

본 발명은 양자 정보 분야에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 멀티코어 광섬유 모드 분할 다중화 기반의 QTTH 시스템 및 전송 방법에 관한 것이다.

고전적인 FTTH(Fiber To The Home, 광가입자망) 단말 사용자는 데이터 보안성을 시급히 해결해야 하며, 이론적으로 입증된 QC(Quantum Cryptography, 양자 암호)의 절대적 보안성이 점점 더 많은 주목을 받고 있다. QC 및 QKD(Quantum Key Distribution, 양자 암호키 분배)의 무조건 보호 프로토콜은 두 원격 사용자 간의 임의 비트 분포의 정보 이론 보안성을 보장할 수 있다. 최근 몇 년 동안 QKD 시스템은 장비의 호환성과 비용으로 인해 보편적으로 실용화되어 응용되는 단대단(end-to-end) 양자 통신망 응용이 구현되지 않았다. QKD 네트워크 응용의 비용을 낮추기 위해, 종래의 FTTH 네트워크를 이용하여 QKD와 기존 광통신을 하나로 집적하여 설치 및 운영 비용을 최소화할 수 있다.

양자와 고전적인 융합을 구현하는 일반적인 기술은 WDM(Wavelength Division Multiplexing, 파장 분할 다중화)이다. 예를 들어 2015년 Wei Sun 등이 제안한 파장 분할 다중화 기반의 양자키 분배와 기가비트 수동형 광네트워크의 집적 실험이 있다. 그러나 광섬유의 비선형 효과와 고속 전송광 신호 대 잡음비의 요건을 고려할 때, 단일 모드 광섬유를 사용하는 WDM 기술은 용량 한계에 가깝고 선로 상에 추가 장비가 필요하다. 이로 인해 추가적인 누화 및 손실이 발생하여 최종적인 보안성을 위협할 수 있다. 따라서 새로운 다중화 기술을 채택하여 광전송 용량을 향상시키고 스펙트럼 효율을 높임으로써 날로 증가하는 용량 요건을 충족시키는 것이 시급하다. MDM(Mode Division Multiplexing, 모드 분할 다중화) 및 SDM(Space Division Multiplexing, 공간 분할 다중화) 기술은 전송 용량 문제를 해결할 것으로 기대된다.

1982년, MDM은 S.Berdague와 P.Facq가 처음으로 제안했다. 그들은 공간 여과막을 이용하여 그레이디드 굴절률(graded index) 멀티모드 광섬유의 두 가지 저차 모드(low order mode) 여기를 선택하여 전송하였으며, 전송 10m 후 두 모드 간의 누화는 -20dB 미만으로 단거리 전송에서 모드 분할 다중화의 실시 가능성을 입증하였다. 그러나 채택된 멀티모드 광섬유는 모드 색분산, 모드 간 누화 및 비교적 큰 손실 등 일련의 문제가 있다. 본 특허에서 채택하는 멀티코어 광섬유는 모드 색분산을 효과적으로 줄이고 그 이종 트렌치형 구조는 모드 간 누화와 비선형 손실을 더욱 감소시킬 수 있다. MDM은 광섬유 중 상호 직교하는 각 모드를 이용하여 하나의 독립된 채널로 사용하는 일종의 다중화 방식이다. 본질적으로 광의 멀티 입출력 과정이다. MDM 기술은 이론적으로 와류 광섬유 기반의 OAM(Orbital Angular Momentum, 궤도 각운동량), 소수 모드 광섬유와 멀티코어 광섬유의 모드 분할 다중화로 나눌 수 있다.

OAM 모드의 고리형 분포는 각 모드 간에 간섭이 쉽지 않도록 만드는 장점이 있으나, 휴대한 빔은 외부 환경의 영향을 받기 쉽고 와류 광섬유 등 특수 광섬유에서만 전파될 수 있다. 적지 않은 학자들이 소수 모드 광섬유를 이용한 모드 분할 다중화를 제안하였다. 예를 들어 2015년 Yuanxiang Chen 등은 자체적 비선형 검출을 이용한 신규한 MDM-PON(Passive Optical Network: 패시브 광섬유 네트워크) 방안을 고속/용량 엑세스 네트워크에 적용하도록 제안하였다. 소수 모드 광섬유는 소수 모드만 활성화하는 방법을 통해 모드 색분산을 효과적으로 줄이며, 비교적 큰 모드 필드 반경은 비선형 효과를 효과적으로 억제할 수 있다. 그러나 필연적으로 비교적 강한 모드 간 색분산 및 모드 결합 효과가 존재한다.

본 특허는 모드 분할 다중화 기술을 통해 QKD와 FTTH 융합을 구현한다. 다른 방안에 비해 전송 용량 확대 및 안전성 향상을 기반으로 이종 트렌치형 구조를 채택하여 7 코어 광섬유를 보조하여 모드 간 결합을 더욱 감소시키고 모드 필드 유효 면적을 확대하였다.

"종래 기술 특허: (CN208015742U)는 양자키 분배 및 PON 장비의 공동 광섬유 전송 시스템을 제안하였으나, 공동 광섬유 전송에 사용되는 것은 단일 모드 광섬유의 파장 분할 다중화 기술이며, 이는 이미 통신 용량의 한계에 가깝다."

"종래 기술 특허: (CN108028718A)는 모드 분할 다중화 기술을 채택하여 FTTH의 통신 용량을 향상시켰으나, OKD 기술을 사용하지 않으므로 보안성 측면에서 결함이 있다."

본 발명은 통신 용량과 보안성을 향상시키는 멀티코어 광섬유 모드 분할 다중화 기반의 QTTH(QKD와 FTTH 융합을 의미함) 시스템 및 방법을 제공한다. 이종 트렌치 보조형 7 코어 광섬유를 채택하여 모드 분할 다중화를 수행하면, 통신 용량을 확장할 수 있을 뿐만 아니라 물리적으로 이격된 구조로 인해 약한 양자 신호가 고전적인 신호의 간섭을 받는 것이 다른 방안보다 더욱 작고, 양자와 고전 동시 전송 시 더욱 우수한 양자키 분배 성능을 획득할 수 있다. 또한 트렌치 보조형 구조는 모드 간 누화를 효과적으로 감소시키고, 광효율 유효 모드필드 면적을 증가시킬 수 있다.

본 발명은 디코이 상태(decoy state) 비대칭 BB84 프로토콜 기반의 QKD 기술(DV-QKD)을 채택한다. BB84 프로토콜에서 송신측 Alice는 2세트의 비직교 기저 벡터의 단일 광자를 랜덤 송신하고, 수신측 Bob은 기저 벡터를 랜덤 선택하여 측정한다. 이상적인 경우 이 둘이 동일한 기저 벡터를 사용할 때, 양측은 안전하고 일관된 키를 획득할 수 있다. 비대칭성이 이 두 그룹의 비직교 기저 벡터에 구현되어 선택되는 확률이 다르며, 선택율이 큰 기저는 키 생성에 사용되고, 선택률이 작은 기저는 보안 검출에 사용된다. 이러한 방식은 더욱 높은 최종 키 비율을 구현할 수 있다. 실제 QKD 시스템에서 다중 광자 펄스 및 채널 손실로 인한 보안 취약점을 해결하기 위해, 본 발명은 PNS(Photon Number Splitting, 광자수 분리) 공격을 검출하는 데에만 사용되는 디코이 상태를 추가로 도입하였다. 즉, 송신측은 상이한 강도의 광원(신호 상태와 디코이 상태)을 랜덤 선택하여 수신측에 송신한다. 전술한 기술적 효과를 구현하기 위해, 본 발명은 하기의 기술적 해결책을 채택한다.

멀티코어 광섬유 모드 분할 다중화 QTTH 기반의 시스템에 있어서, OLT단(Optical Line Terminal, 광 선로 단말), MDM-ODN(Mode Division Multiplexing-Optical Distribution Network, 모드 분할 다중화-광 분배 네트워크) 및 ONU단(Optical Network Unit, 광 네트워크 유닛)을 포함한다. OLT단, MDM-ODN 및 ONU단은 광섬유를 통해 순차적으로 연결된다.

MDM-ODN은 모드 멀티플렉서와 모드 디멀티플렉서를 포함하며, 상호 간에는 MCF(Multi Core Fiber, 멀티코어 광섬유)를 통해 연결된다. MCF는 이종 트렌치 보조형 7 코어 광섬유이다.

OLT단은 고전적 신호 수신기, N개 DV-QKD(Discrete Variable-Quantum Key Distribution, 이산 변수-양자키 분배) 유닛과 N+1개 OLT단의 모드 컨버터를 포함한다. N+1개 모드 컨버터의 일단은 상기 모드 컨버터와 연결되며, 타단은 MDM-ODN의 모드 컨버터와 연결된다.

ONU는 N개 DV-QKD 수신기, 고전적 신호 수신기, N+1개 ONU단의 모드 컨버터와 2N+1개 PD 및 1개 ONU단의 OC를 포함한다. N개 DV-QKD 수신기는 각각 PD(광 검출기)를 통해 모드 디멀티플렉서와 연결된다. N+1개 ONU단의 모드 컨버터는 디멀티플렉서와 연결된다. 여기에서 N개 ONU단의 모드 컨버터는 각각 PD를 통해 고전적 신호 수신기와 연결되며, 나머지 하나의 ONU단의 모드 컨버터는 하나의 PD와 ONU단의 OC(빔 분리기)를 거쳐 각 고전적 신호 수신기와 각각 연결된다.

고전적 신호 수신기에서 송신하는 N+1개의 고전적 신호는 모드 컨버터를 거쳐 기본 모드로부터 상이하고 서로 직교하는 모드로 변환된 후, N개 DV-QKD 유닛에서 송신하는 N개 양자 신호와 함께 모드 멀티플렉서로 진입하여 MCF 전송에 적합한 모드로 변환하고, MCF를 통해 모드 디멀티플렉서로 송신되어 독립된 N+1개 고전적 신호와 N개 양자 신호로 분해된다. 분해된 각 고전적 신호는 각각 모드 컨버터를 통해 기본 모드의 모드로 변환되고, 연결된 PD를 거쳐 고전적 신호 수신기로 송신된다. 양자 신호는 연결된 PD를 통해 DV-QKD 수신기로 송신된다.

바람직하게는, 고전적 신호 수신기는 레이저 다이오드, 빔 분리기 및 N개 강도 변조기를 포함한다. 여기에서 N개 OLT단의 모드 컨버터는 각각 강도 변조기를 통해 빔 분리기와 연결된다. 나머지 하나의 OLT단의 모드 컨버터는 빔 분리기와 직접 연결된다.

N+1개의 고전적 신호는 1개의 파일럿 신호와 N개의 OOK(On-Off Keying, 이진법 온오프 키잉) 신호를 포함한다.

더욱 바람직하게는, PD는 가이거 모드(Geiger mode)로 조작하는 InGaAs 어발란체 포토다이오드(avalanche photodiode)를 채택한다.

MCF가 전송을 수행할 때 양자 신호는 1550nm의 파장 채널을 채택하고, 고전적 신호는 업스트림 1490nm의 파장 채널 또는 다운스트림 1310nm의 파장 채널을 채택한다.

보다 바람직하게는 모드 멀티플렉서와 모드 디멀티플렉서는 캐스케이드 모드에서 커플러를 선택하여 구성한다.

상기 DV-QKD 유닛은 디코이 상태 비대칭 BB84 프로토콜을 기반으로 양자 신호를 생성하는 DV-QKD 유닛이다.

더 나아가, MCF의 섬유 코어 반경은 5μm이고, MCF의 섬유 코어 외측에 굴절률 트렌치가 설치된다. 굴절률 트렌치의 두께는 3μm이고, MCF의 코어 간격은 42μm이다.

한층 더 나아가, MCF의 섬유 코어 굴절률은 1.4457이고, MCF의 섬유 코어와 MCF의 클래딩 간 굴절률 차이는 0.003이다. 굴절률 트렌치와 MCF의 클래딩 간의 굴절률 차이는 0.003이다.

멀티코어 광섬유 모드 분할 다중화 QTTH 기반의 전송 방법은 하기 단계를 포함한다.

S1. 시스템 노이즈 테스트: OLT단이 레이저 펄스열을 방출하는 경우, 시스템 노이즈를 테스트하며, 신호 대 잡음비가 설정된 신호 대 잡음비의 소정 값보다 높은지 여부를 판단한다. 신호 대 잡음비가 설정된 신호 대 잡음비 소정 값보다 높으면 S2 및 S2' 단계로 진입한다. 신호 대 잡음비가 설정된 신호 대 잡음비 소정 값보다 낮으면 프롬프트 정보를 생성한다.

S2. 양자 상태 제조: DV-QKD 유닛은 디코이 상태 비대칭 BB84 프로토콜에 따라 양자 상태를 제조하고, 양자 신호를 생성한다.

S2'. OOK 변조: 고전적 신호 수신기는 고전적 신호를 빔 분리기를 통해 N+1개로 분할한다. 그 중 하나는 파일럿 신호로 사용되고, 다른 N개는 강도 변조기를 통해 N개 OOK 신호로 변조된다. 이때 고전적 신호는 파일럿 신호 및 N개 OOK 신호를 포함한다.

S2'.1. 모드 변환: S2' 단계에서 획득한 각 고전적 신호는 모드 컨버터를 거쳐 모드 변환을 수행한다.

S3. 모드 다중화 전송: S2 및 S2'.1을 통해 획득한 각 신호는 모드 멀티플렉서를 통해 MCF로 진입하여 다중화 전송을 수행한 후 모드 디멀티플렉서에 도달하며, 다중 신호로 분해된다.

S4. 모드 변환: 각 고전적 신호는 모드 컨버터를 통해 기본 모드 신호로 변환된다.

S5. 자기 호모다인(selfhomodyne) 검출: 각 OOK 신호에 대해 자기 호모다인 검출을 수행한다.

S6. 비트 오류율 검출: ONU단은 DV-QKD 스크리닝 코드의 일부분을 랜덤으로 선택하여 비트 오류율을 검출한다. 측정된 비트 오류율 값이 디코이 상태의 이론적 계산값 이상이면 단계 S2 및 S2'로 돌아간다. 측정된 비트 오류율 값이 디코이 상태의 이론적 계산값 미만이면 보안 통신이 구축된다.

바람직하게는 신호 대 잡음비 소정 값이 20dB이고, 디코이 상태의 이론적 계산값이 11%이다.

종래 기술에 비해 본 발명의 기술적 해결책은 하기와 같은 유익한 효과를 나타낸다.

1) 모드 분할 다중화 기술을 채택하여 QTTH 기술을 구현한다. 이전에 제안된 단일 모드 광섬유 WDM/TDM 등 다중화 기술은 전송 용량의 한계에 근접했으며, 선로 상에 추가적인 장비가 필요하므로, 추가적인 손실 및 누화가 발생하여 최종적인 보안성을 해칠 수 있다. 그러나 본 발명의 모드 분할 다중화는 서로 직교인 모드를 채택하여 다중화를 수행하므로, 광통신의 전송 용량과 최종적인 보안성을 향상시킬 수 있다.

2) 이종 트렌치 보조형 멀티코어 광섬유를 채택하여 모드 분할 다중화를 구현한다. 멀티코어 광섬유는 물리적 구조 이격을 기반으로 하므로, 강한 고전적 신호와 약한 양자 신호가 동시에 전송될 때 매우 우수한 신호 대 잡음비와 코어 간의 이격을 갖는다. 따라서 시스템의 더 높은 안정성과 견고성을 보장함으로써, 동일한 광섬유 전송을 통해 엄격하고 독립적인 채널을 전송하도록 허용한다. 또한 이종 트렌치 보조형 구조를 채택함으로써, 강한 고전적 신호가 약한 양자 신호에 미치는 간섭을 효과적으로 감소시키고, 광섬유 유효 필드의 면적을 증가시키며, 상이한 모드 간의 누화를 낮출 수 있다.

자기 호모다인 검출 기술을 이용하여 레이저 위상 노이즈를 효과적으로 억제할 수 있으며, 편광 보상 및 파일럿 위상 보정의 다중 입출력 DSP(디지털 신호 처리) 없이 독립적인 OOK 신호를 직접 검출할 수 있다.

3) MCF의 두 섬유 코어를 이용하여 상호 편광 없는 기저를 생성하고, 디코이 상태 비대칭 BB84 프로토콜을 채택하여 양자 신호를 생성한다. 이 방법은 PNS 공격에 효과적으로 저항할 수 있을 뿐만 아니라, 키 생성율, 보안성을 향상시키고 전송 거리를 증가시킨다.

도 1은 본 발명에 따른 멀티코어 광섬유 모드 분할 다중화 기반의 QTTH 시스템의 전체 구조 프레임도이다.
도 2는 본 발명에 따른 멀티코어 광섬유 모드 분할 다중화 기반의 QTTH 시스템의 이종 트렌치 보조형 7 코어 광섬유 횡단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 멀티코어 광섬유 모드 분할 다중화 기반의 QTTH 시스템의 이종 트렌치 보조형 7 코어 광섬유 굴절율 분포도이다.
도 4는 본 발명에 따른 멀티코어 광섬유 모드 분할 다중화 기반의 QTTH 시스템의 신호 분배도이다.
도 5는 본 발명에 따른 멀티코어 광섬유 모드 분할 다중화 기반의 QTTH 시스템의 전송 방법의 흐름도이다.

이하에서는 본 발명 실시예 중의 첨부 도면을 참고하여 본 출원 실시예 중의 기술적 해결책을 명확하고 완전하게 설명한다. 설명된 실시예는 본 발명의 전부가 아닌 일부 실시예일 뿐이다. 본 발명의 실시예를 기반으로 창의적인 작업 없이 당업자에 의해 획득된 다른 모든 실시예는 본 발명의 보호 범위에 속한다.

실시예 1

멀티코어 광섬유 모드 분할 다중화 기반의 QTTH 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 OLT단, MDM-ODN 및 ONU단을 포함한다. OLT단, MDM-ODN 및 ONU단은 광섬유를 통해 순차적으로 연결된다.

MDM-ODN은 모드 멀티플렉서 및 모드 디멀티플렉서를 포함한다. 모드 멀티플렉서 및 모드 디멀티플렉서는 모두 캐스케이드 모드에서 커플러를 선택하여 구성된다. 또한 상호 간에는 MCF를 통해 연결된다. MCF는 이종 트렌치 보조형 7 코어 광섬유이며, 낮은 누화 및 큰 모드 필드 면적의 장점을 갖는다. 또한 캐스케이드 모드 선택 커플러는 위상 매칭 원리를 기반으로 한다. 기본 모드와 고차 모드가 위상 매칭에 도달하면 소산장 결합이 발생하여 상이한 포트에서 상이한 모드를 출력하는 모드 분리 기능을 구현할 수 있다. 따라서 모드 멀티플렉서와 디멀티플렉서의 역할을 효과적으로 충당할 수 있으며 제조가 용이하고 광섬유와의 호환성이 높으며 모드 누화가 적은 장점 등이 있다.

OLT단은 고전적 신호 수신기, N개 DV-QKD 유닛 및 N+1개 OLT단의 모드 컨버터를 포함한다. N+1개 모드 컨버터의 일단은 상기 고전적 신호 수신기와 연결되고, 타단은 MDM-ODN의 모드 멀티플렉서와 연결된다.

ONU는 N개 DV-QKD 수신기, 고전적 신호 수신기, N+1개 ONU단의 모드 컨버터와 2N+1개 PD 및 1개 ONU단의 OC를 포함한다. N개 DV-QKD 수신기는 각각 PD를 통해 모드 디멀티플렉서와 연결된다. N+1개 ONU단의 모드 컨버터는 디멀티플렉서와 연결된다. 여기에서 N개 ONU단의 모드 컨버터는 각각 PD를 통해 고전적 신호 수신기와 연결되며, 나머지 하나의 ONU단의 모드 컨버터는 하나의 PD와 ONU단의 OC를 거쳐 각 고전적 신호 수신기와 각각 연결된다.

여기에서 PD는 가이거 모드로 조작하는 InGaAs 어발란체 포토다이오드를 채택한다.

구체적으로, 고전적 신호 수신기는 레이저 다이오드, 빔 분리기 및 N개 강도 변조기를 포함한다. 여기에서 N개 OLT단의 모드 컨버터는 각각 강도 변조기를 통해 빔 분리기와 연결된다. 나머지 하나의 OLT단의 모드 컨버터는 빔 분리기와 직접 연결되고, N+1개 고전적 신호는 1개의 파일럿 신호와 N개의 OOK 신호를 포함한다. 고전적 신호기를 통해 하나의 파일럿 신호를 생성한다. 그 장점은 수신단에서 코히어런트 검출(coherent detection)을 사용하여 스펙트럼 효율과 네트워크 커버리지 범위를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, ONU 상에서 협대역 국부 발진기(LO) 등 사용으로 인한 관련 비용을 줄일 수 있으며, OOK 신호는 자동 검출을 통해 독립적으로 수신될 수 있다는 것이다.

구체적으로, DV-QKD 유닛은 디코이 상태 비대칭 BB84 프로토콜을 기반으로 양자 신호를 생성하여 키 분배를 수행한다. 상기 프로토콜은 자유도로 편광이 아닌 MCF의 공간 차원을 이용한다. 그 작동 원리는 MCF 임의 두 섬유 코어 중 전송된 양자 신호를 이용하여 2개의 상호 편향되지 않은 기저를 생성하는 것이다. 코어 A와 코어 B의 경우, 그 X는 (

)로 정의되고, 그 Y는(

)로 정의되고, 최종적인 키 비율은

이다. 여기에서

는 Alice(OLT단의 DV-QKD 유닛)와 Bob(ONU단의 DV-QKD 수신기) 간의 고전적 상호 정보

이고,

와 Alice와 Eve 또는 Alice와 Eve 간의 양자 상호 정보와 관련이 있다. 비대칭성이 X 기저와 Y 기저에 구현되어 선택되는 확률이 다르며, 선택률이 큰 기저는 키 생성에 사용되고, 선택률이 작은 기저는 보안 검출에 사용된다. 이러한 방식은 더욱 높은 최종 키 비율을 구현할 수 있다. 디코이 상태를 채택하여 PNS 공격에 효과적으로 저항할 수 있다.

더 나아가, 멀티코어 광섬유는 필연적으로 모드 간 결합이 존재하므로, 전력 결합 방정식을 사용하여 멀티코어 광섬유의 전송 특성을 분석하고 그것이 모드 분할 다중화의 요건을 충족하는지 여부를 확인해야 한다. 전력 결합 모드 이론은 모드 결합 이론에 하나의 시스템 평균값을 도입하고, 전력을 결합 매개변수로 직접 사용하므로, 멀티코어 광섬유 중의 코어 간 누화 문제를 효과적으로 분석할 수 있다. 인접 섬유 코어의 전력 결합만 고려하면 i번째 섬유 코어 중의 전력

은 하기와 같이 나타낼 수 있다.

여기에서 합을 구하는 기호는 인접한 섬유 코어 결합 전력의 합을 나타내고,

은 섬유 코어 i와 섬유 코어 j 사이의 전력 결합 계수를 나타낸다. 여기에서 중간 섬유 코어와 주변 섬유 코어 사이의 전력 결합 계수가 동일하게 h이고 주변 섬유 코어 간의 전력 결합 계수도 동일하게 g라고 가정하면, 공식은 구체적으로 하기와 같이 나타낼 수 있다.

전술한 모든 공식을 더하면 다음과 같다.

식에서 P=

이고, 중간 섬유 코어의 z=0 지점 전력을

라고 설정하면, 전술한 두 식에 따라 7 코어 광섬유 중간 섬유 코어와 주변 섬유 코어의 정규화 전력은 각각 하기와 같다.

여기에서

(k=2, 3, ……, 7)가 k번째 섬유 코어 중의 광 전력이면, 중간 섬유 코어가 여기되는 조건에서 주변 섬유 코어의 누화는 하기와 같다.

여기에서 전력 결합 계수가 멀티코어 광섬유의 누화에 매우 큰 영향을 미침을 알 수 있다. 전력 결합 모드 이론을 이용하여 멀티코어 광섬유 중 상이한 랜덤 오차 하의 누화 상황을 계산하여, 섬유 코어 간의 직경 차이가 커질 때 누화가 감소하는 것을 발견하였으며, 이는 이질 멀티코어 광섬유가 모드 간 누화를 효과적으로 억제함을 증명한다. 비트렌치 구조에 비해 트렌치 구조는 누화가 전체적으로 약 20-30dB 낮다. 또한 트렌치 내경 증가, 트렌치 외경 감소, 트렌치와 클래딩의 굴절률 차이 감소에 의해 모드 필드 영역이 증가하고 비선형 손실이 더욱 감소한다. 이는 이종 트렌치 구조의 7 코어 광섬유가 각 섬유 코어에서 광파를 전파할 수 있어 섬유 코어 간의 결합을 크게 줄임으로써 모드 분할 다중화에 사용할 수 있음을 증명한다.

보다 구체적으로는, 도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 트렌치 보조의 섬유 코어의 경우, 도면에서 우측 상단 모서리의 구조에서 중간이 섬유 코어이며, 섬유 코어 외측에는 클래딩과 트렌치 구조가 설치된다.

은 코어 간격을 나타내고,

는 42μm로 설치된다. 섬유 코어 주변에 한 층의 굴절률 트렌치 구조가 존재하므로 코어에서 멀리 떨어진 전계가 억제되어 인접한 섬유 코어의 전계 간의 중첩 적분을 작게 만들 수 있다. 이는 어느 정도 누화를 억제한다.

보다 구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, MCF의 섬유 코어 외측에 굴절률 트렌치가 설치되고, MCF의 섬유 코어의 굴절률은

=1.4457이고, MCF의 섬유 코어와 MCF의 클래딩의 굴절률 차이는

이고, MCF의 트렌치와 클래딩 굴절률 차이는

이다. 또한 MCF의 섬유 코어 반경은

이고, MCF의 섬유 코어 중심과 트렌치의 거리는

이며, MCF의 트렌치의 폭은

이다. 종합적인 분석을 통해 이러한 매개 변수 설정은 모드 색분산을 효과적으로 줄이고 광섬유의 유효 모드 필드 영역을 늘릴 수 있다.

보다 구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, MCF의 이종 트렌치 보조형 7 코어 광섬유에서 코어 1과 코어 3은 DV-QKD 신호를 전송하고, 코어 2는 파일럿을 전송하고, 코어 4와 코어 5는 업스트림 신호를 전송하고 코어 6과 코어 7은 다운스트림 신호를 전송한다.

바람직하게는 MCF가 전송을 수행할 때 양자 신호는 1550nm의 파장 채널을 채택하고, 고전적 신호는 업스트림 1490nm의 파장 채널 또는 다운스트림 1310nm의 파장 채널을 채택하여, 라만 산란(Raman scattering) 노이즈의 영향을 약화시키는 데 사용한다.

S1. 시스템 노이즈 테스트: OLT단, MDM-ODN 및 ONU단의 장비가 정상적으로 작동할 수 있는지 여부를 검사하고, 초기 조건을 설정한다. OLT측에서 레이저 펄스열을 방출하는 경우, 시스템 노이즈를 테스트하며 신호 대 잡음비가 설정한 신호 대 잡음비 소정값보다 높은지 여부를 판단한다. 신호 대 잡음비가 설정한 신호 대 잡음비 소정값보다 높으면 단계 S2 및 S2'로 이동한다. 신호 대 잡음비가 설정한 신호 대 잡음비 소정값보다 낮으면 프롬프트 정보를 생성한다. 여기에서 테스트 시스템의 신호 대 잡음비는 다음 공식을 채택한다. SNR=10lg (

/

),

는 신호 전력이고,

는 노이즈 전력이며 신호 대 잡음비의 기본값은 20dB이다.

S2. OOK 변조: 고전적 신호 수신기는 고전적 신호를 빔 분리기를 통해 N+1개로 분할한다. 그 중 하나는 파일럿 신호로 사용되고, 다른 N개는 강도 변조기를 통해 N개 OOK 신호로 변조된다. 이때 고전적 신호는 파일럿 신호 및 N개 OOK 신호를 포함한다.

S2.1. 모드 변환: 단계 S2'에서 획득한 각 고전적 신호는 모드 컨버터를 거쳐 모드 변환을 수행하여, 기본 모드에 있는 고전적 신호가 모드 컨버터를 거쳐 상이하고 서로 직교하는 모드로 변환하도록 만들고, 양자 신호는 모드 변환 필요 없이 기본 모드 형태로 전송을 수행한다.

S2'. 양자 상태 제조: DV-QKD 유닛은 디코이 상태 비대칭 BB84 프로토콜에 따라 양자 상태를 제조하고, 양자 신호를 생성한다. 구체적인 단계는 하기와 같다.

S2'.1: 각 펄스 송신 주기에서 Alice는 하나의 신호 상태 또는 디코이 상태를 랜덤으로 제조하여 수신측 Bob에게 보낸다. 이 둘의 차이는 평균 광자수가 다르다는 것이다. 여기에서 Alice에서 제조한 초기 상태

는 마하젠더(Mach-Zehnder) 간섭계의 다른 포트를 통해 위상이 다른 두 가지 상태

와

로 변환된다. 상태

와

가 MCF로 전송된 후, MCF는 임의 두 개의 섬유 코어(예를 들어 코어 A 및 코어 B)의 다른 공간 차원을 이용하여 상태를 변환한다.

는 코어 A를 거친 후 양자 상

로 변환되고，

는 코어 B를 거친 후 양자 상태

로변환된다. 마찬가지로

은 상이한 섬유 코어를 거친 후 각각

,

로 변환된다. 4가지 상태는 2가지의 서로 편향 없는 기저를 구성하고, 기저 X는 (

,

)로 정의되고 기저 Y는 (

,

)로 정의된다.

S2'.2: Alice는 고전적 채널(Alice와 Bob 사이에 통신을 위해 독립적인 고전적 채널이 설치됨)을 사용하여 Bob에게 이러한 상태 중 어느 것이 신호 상태이고 어느 것이 디코이 상태인지 알린다.

S3. 모드 다중화 전송: S2.1 및 S2'.1을 통해 획득한 각 신호는 모드 멀티플렉서를 통해 MCF로 진입하여 다중화 전송을 수행한 후 모드 디멀티플렉서에 도달하며, 다중 신호로 분해된다.

S4. 모드 변환: 각 고전적 신호는 모드 컨버터에 의해 기본 모드 신호로 변환되고, 양자 신호는 변환할 필요가 없다. 이때 고전적 신호와 양자 신호는 모두 기본 모드이며, 단일 모드 광섬유를 통해 전송을 수행할 수 있다.

S5. 신호 검출: 각 신호는 광전식 감지기에 의해 감지된다. 여기에서 감지기는 가이거 모드로 작동하는 InGaAs 어발란체 포토다이오드를 사용하며, 어발란체 다이오드의 작동 모드는 선형 모드와 가이거 모드로 나뉜다. 선형 모드에 작동하는 어발란체 다이오드는 고전적인 강한 광 신호에만 응답할 수 있으며 양자의 약한 단일 광자 신호에는 응답할 수 없다. 가이거 모드에 작동하는 어발란체 다이오드는 두 신호 모두에 응답할 수 있다.

S6. 자기 호모다인 검출: 모든 신호가 각각 수신기에 도달하여 정보의 전송을 완료하며, 파일럿은 국부 발진기를 대체하여 각 OOK 신호에 대해 자기 호모다인 검출을 수행한다. 여기에는 복잡한 DSP가 필요하지 않다.

S7. 비트 오류율 검출: OLT단은 스크리닝 코드의 일부분을 랜덤으로 선택하여 비트 오류율을 검출한다. 측정된 비트 오류율 값이 디코이 상태의 이론적 계산값 이상이면 단계 S2 및 S2'로 돌아가 새로운 통신을 다시 시작한다. 측정된 비트 오류율 값이 디코이 상태의 이론적 계산값 미만이면 보안 통신이 구축된다. 여기에서 디코이 상태의 이론적 계산값은 11%이며, 구체적으로 하기 단계를 포함한다.

S7.1: Bob은 측정 기저를 랜덤으로 선택하여 측정을 수행하며, 자신이 채택한 측정 기저와 어느 주기의 양자 상태를 수신했는지 선언한다.

S7.2: Alice와 Bob단은 기저 벡터 비교가 정확한 부분을 스크리닝 코드로 남겨두고, 신호 상태와 디코이 상태의 계수율과 비트 오류율을 각각 계산한다. 여기에서 신호 상태는 일부분만 추출하여 비트 오류율 추정을 수행한다.

S7.3: Alice와 Bob단은 전술한 데이터를 기반으로 비트 오류율 검출을 수행하여 도청 여부를 판단한다. 도청이 존재하면 키를 폐기하고 통신을 종료하며, 도청이 존재하지 않으면 오류 수정 및 기밀성 확대 등 작업을 수행한다.

상기 실시예는 본 발명의 기술적 해결책을 설명하기 위한 것으로 본 발명을 제한하지 않는다. 전술한 실시예를 참고하여 본 출원을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속한 기술 분야의 당업자는 전술한 실시예에 기재된 기술적 해결책을 수정하거나, 그 중 일부 기술적 해결책을 동등한 수준으로 대체한 경우, 이러한 수정과 대체는 상응하는 기술적 해결책의 본질이 본 출원 각 실시예의 기술적 해결책의 사상과 범위를 벗어나도록 만들지 않는다.

Claims

멀티코어 광섬유 모드 분할 다중화 QTTH 기반의 시스템에 있어서,
OLT단(Optical Line Terminal, 광 선로 단말), MDM-ODN(Mode Division Multiplexing-Optical Distribution Network, 모드 분할 다중화-광 분배 네트워크) 및 ONU단(Optical Network Unit, 광 네트워크 유닛)을 포함하되, 상기 OLT단, MDM-ODN 및 ONU단은 광섬유를 통해 순차적으로 연결되고;
상기 MDM-ODN은 모드 멀티플렉서와 모드 디멀티플렉서를 포함하며, 상호 간에는 MCF(Multi Core Fiber, 멀티코어 광섬유)를 통해 연결되고; 상기 MCF는 이종 트렌치 보조형 7 코어 광섬유이고;
상기 OLT단은 고전적 신호 수신기, N개 DV-QKD(Discrete Variable-Quantum Key Distribution, 이산 변수-양자키 분배) 유닛과 N+1개 OLT단의 모드 컨버터를 포함하고, 상기 N+1개 모드 컨버터의 일단은 상기 모드 컨버터와 연결되며, 타단은 MDM-ODN의 모드 컨버터와 연결되고;
상기 ONU는 N개 DV-QKD 수신기, 고전적 신호 수신기, N+1개 ONU단의 모드 컨버터와 2N+1개 PD 및 1개 ONU단의 OC를 포함하고; 상기 N개 DV-QKD 수신기는 각각 PD(광 검출기)를 통해 모드 디멀티플렉서와 연결되고; 상기 N+1개 ONU단의 모드 컨버터는 디멀티플렉서와 연결되고; 여기에서 N개 ONU단의 모드 컨버터는 각각 PD를 통해 고전적 신호 수신기와 연결되며, 나머지 하나의 ONU단의 모드 컨버터는 하나의 PD와 ONU단의 OC(빔 분리기)를 거쳐 각 고전적 신호 수신기와 각각 연결되고;
상기 고전적 신호 수신기에서 송신하는 N+1개의 고전적 신호는 모드 컨버터를 거쳐 기본 모드로부터 상이하고 서로 직교하는 모드로 변환된 후, 상기 N개 DV-QKD 유닛에서 송신하는 N개 양자 신호와 함께 모드 멀티플렉서로 진입하여 상기 MCF 전송에 적합한 모드로 변환하고, 상기 MCF를 통해 모드 디멀티플렉서로 송신되어 독립된 N+1개 고전적 신호와 N개 양자 신호로 분해되고; 상기 분해된 각 고전적 신호는 각각 모드 컨버터를 통해 기본 모드의 모드로 변환되고, 연결된 PD를 거쳐 고전적 신호 수신기로 송신되고; 상기 양자 신호는 연결된 PD를 통해 DV-QKD 수신기로 송신되는 것을 특징으로 하는 멀티코어 광섬유 모드 분할 다중화 QTTH 기반의 시스템.
제1항에 있어서,
상기 고전적 신호 수신기는 레이저 다이오드, 빔 분리기 및 N개 강도 변조기를 포함하고, 여기에서 N개 OLT단의 모드 컨버터는 각각 상기 강도 변조기를 통해 빔 분리기와 연결되고, 나머지 하나의 OLT단의 모드 컨버터는 빔 분리기와 직접 연결되괴;
상기 N+1개의 고전적 신호는 1개의 파일럿 신호와 N개의 OOK(On-Off Keying, 이진법 온오프 키잉) 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티코어 광섬유 모드 분할 다중화 QTTH 기반의 시스템.
제1항에 있어서,
상기 PD는 가이거 모드(Geiger mode)로 조작하는 InGaAs 어발란체 포토다이오드(avalanche photodiode)를 채택하는 것을 특징으로 하는 멀티코어 광섬유 모드 분할 다중화 QTTH 기반의 시스템.
제3항에 있어서,
상기 MCF가 전송을 수행할 때, 상기 양자 신호는 1550nm의 파장 채널을 채택하고; 상기 고전적 신호는 업스트림 1490nm의 파장 채널 또는 다운스트림 1310nm의 파장 채널을 채택하는 것을 특징으로 하는 멀티코어 광섬유 모드 분할 다중화 QTTH 기반의 시스템.
제4항에 있어서,
상기 모드 멀티플렉서와 모드 디멀티플렉서는 캐스케이드 모드에서 커플러를 선택하여 구성하는 것을 특징으로 하는 멀티코어 광섬유 모드 분할 다중화 QTTH 기반의 시스템.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 DV-QKD 유닛은 디코이 상태 비대칭 BB84 프로토콜을 기반으로 양자 신호를 생성하는 DV-QKD 유닛인 것을 특징으로 하는 멀티코어 광섬유 모드 분할 다중화 QTTH 기반의 시스템.
제6항에 있어서,
상기 MCF의 섬유 코어 반경은 5μm이고; 상기 MCF의 섬유 코어 외측에 굴절률 트렌치가 설치되고, 상기 굴절률 트렌치의 두께는 3μm이고; 상기 MCF의 코어 간격은 42μm인 것을 특징으로 하는 멀티코어 광섬유 모드 분할 다중화 QTTH 기반의 시스템.
제7항에 있어서,
상기 MCF의 섬유 코어 굴절률은 1.4457이고; 상기 MCF의 섬유 코어와 MCF의 클래딩 간 굴절률 차이는 0.003이고, 굴절률 트렌치와 MCF의 클래딩 간의 굴절률 차이는 0.003인 것을 특징으로 하는 멀티코어 광섬유 모드 분할 다중화 QTTH 기반의 시스템.
하기의 단계,
S1. 시스템 노이즈 테스트: OLT단이 레이저 펄스열을 방출하는 경우, 시스템 노이즈를 테스트하며, 신호 대 잡음비가 설정된 신호 대 잡음비의 소정 값보다 높은지 여부를 판단하고, 신호 대 잡음비가 설정된 신호 대 잡음비 소정 값보다 높으면 S2 및 S2' 단계로 진입하고, 신호 대 잡음비가 설정된 신호 대 잡음비 소정 값보다 낮으면 프롬프트 정보를 생성하는 단계;
S2. 양자 상태 제조: DV-QKD 유닛은 디코이 상태 비대칭 BB84 프로토콜에 따라 양자 상태를 제조하고, 양자 신호를 생성하는 단계;
S2'. OOK 변조: 고전적 신호 수신기는 고전적 신호를 빔 분리기를 통해 N+1개로 분할하고, 그 중 하나는 파일럿 신호로 사용되고, 다른 N개는 강도 변조기를 통해 N개 OOK 신호로 변조되고; 이때, 고전적 신호는 파일럿 신호 및 N개 OOK 신호를 포함하는 단계;
S2'.1. 모드 변환: S2' 단계에서 획득한 각 고전적 신호는 모드 컨버터를 거쳐 모드 변환을 수행하는 단계;
S3. 모드 다중화 전송: S2 및 S2'.1을 통해 획득한 각 신호는 모드 멀티플렉서를 통해 MCF로 진입하여 다중화 전송을 수행한 후 모드 디멀티플렉서에 도달하며, 다중 신호로 분해되는 단계;
S4. 모드 변환: 각 고전적 신호는 모드 컨버터를 통해 기본 모드 신호로 변환되는 단계;
S5. 자기 호모다인(selfhomodyne) 검출: 각 OOK 신호에 대해 자기 호모다인 검출을 수행하는 단계;
S6. 비트 오류율 검출: ONU단은 DV-QKD 스크리닝 코드의 일부분을 랜덤으로 선택하여 비트 오류율을 검출하고; 측정된 비트 오류율 값이 디코이 상태의 이론적 계산값 이상이면 단계 S2 및 S2'로 돌아가고, 측정된 비트 오류율 값이 디코이 상태의 이론적 계산값 미만이면 보안 통신이 구축되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 멀티코어 광섬유 모드 분할 다중화 QTTH 기반의 전송 방법.
제9항에 있어서,
상기 신호 대 잡음비 소정 값이 20dB이고, 상기 디코이 상태의 이론적 계산값이 11%인 것을 특징으로 하는 멀티코어 광섬유 모드 분할 다중화 QTTH 기반의 전송 방법.