KR20230157504A - 캐리어 복원을 위한 방법 및 디바이스 - Google Patents

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KR20230157504A KR1020237035955A KR20237035955A KR20230157504A KR 20230157504 A KR20230157504 A KR 20230157504A KR 1020237035955 A KR1020237035955 A KR 1020237035955A KR 20237035955 A KR20237035955 A KR 20237035955A KR 20230157504 A KR20230157504 A KR 20230157504A
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사이드 가세미
세바스티안 에체베리
발레리오 프루네리
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푼다시오 인스티튜트 드 시엔시스 포토닉스
인스티튜시오 카탈라나 드 르세르카 아이 에스투디스 아반카츠
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Abstract

본 발명은 코히어런트 광 통신에서 피드-포워드 캐리어 복원을 위한 방법 및 디바이스에 관한 것이다. 본 발명은 광원으로부터 광 신호를 수신하기 위한 방법 및 디바이스를 개시하며, 여기서 광 신호는 정보를 포함하는 적어도 하나의 신호 펄스와 적어도 하나의 파일럿 펄스를 포함한다. 적어도 하나의 파일럿 펄스의 복수의 샘플의 직교 값은 국부 발진기 소스의 국부 발진기 신호를 사용하여 결정된다. 광원의 수신된 광 신호와 국부 발진기 소스의 국부 발진기 신호 사이의 위상차는 복수의 샘플의 직교 값을 사용하여 결정되고 적어도 하나의 신호 펄스의 캐리어 정보는 결정된 위상차에 기초하여 복원된다.

Description

캐리어 복원을 위한 방법 및 디바이스
본 발명은 특히, 코히어런트(coherent) 광 통신에서, 캐리어 복원을 위한 방법 및 디바이스에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 예를 들어, 코히어런트 광 통신 및 양자 암호화에서, 위상 및/또는 주파수 복원을 허용할 수 있는, 피드포워드(feedforward) 캐리어 복원을 위한 방법 및 디바이스에 관한 것이다.
양자 키 분배(QKD; Quantum Key Distribution)는, 일반적으로 앨리스(Alice)와 밥(Bob)이라고 하는 두 당사자가, 통신 채널을 통해 양자 신호를 분배함으로써 암호화 키를 공유 및/또는 생성할 수 있도록 한다. 주요 QKD 구현 중 하나는 연속-변수 QKD(CV-QKD; Continuous-Variable QKD)이다. CV-QKD는 일반적으로 코히어런트 상태의 광(예를 들어, 약한 광 펄스)을 양자 신호로 사용하고 정보는 전자기장의 공액 직교위상으로 인코딩된다. 직교위상은 신호 펄스의 진폭 및 위상과 관련된다.
전형적인 CV-QKD 시스템은, 일반적으로 앨리스로 알려진, 방출기를 포함할 수 있고, 이는 예를 들어, 인코딩된 랜덤 정보를 갖는 저-강도 양자 펄스(즉, 코히어런트 상태)를, 일반적으로 밥으로 알려진 수신기에 전송하고, 수신기는 양자 펄스를 측정하기 위해 코히어런트 검출을 사용할 수 있다. 코히어런트 검출에서, 국부 발진기(LO; Local Oscillator)로 불리는 고-강도 기준 신호는 신호 펄스의 직교 값을 검색하기 위해 앨리스에 의해 전송된 신호 펄스와 혼합되거나 또는 간섭될 수 있다. 검출의 출력은 앨리스 심볼 신호 및 LO 신호의 임의의 위상 변동에 의해 영향을 받을 수 있다. 보다 구체적으로, LO 및 앨리스 신호 사이의 위상차의 변동은 검출에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 이유로, CV-QKD의 일부 구현에서, LO 및 양자 신호는 앨리스에서 동일한 레이저로부터 생성될 수 있고 두 신호 모두는 밥으로 전송된다. 광학 채널을 통해 LO를 전송하는 것은 고-강도 LO 및 저-강도 앨리스 펄스 사이의 위상 관계가 일정하도록 할 수 있다. 그러나, 이는 제3자에 의한 비밀 키의 원하지 않는 액세스, 즉 도청을 초래할 수 있다.
CV-QKD의 다른 일부 구현에서, LO는 추가적인 레이저로 밥의 측에서 국부적으로 생성될 수 있다. 밥의 자유-실행 LO의 이러한 사용은 앨리스 및 LO에 의해 생성되는 양자 신호 사이의 임의의 위상 변동을 보상하기 위한 캐리어 또는 위상 복원 절차를 필요로 할 수 있다. 고전적인 코히어런트 통신에서, 고-강도 신호 펄스가 사용될 때, 위상 변동은 전송된 펄스 자체를 참조함으로써 보상될 수 있다. 대안은 데이터 변조로 인한 임의의 위상 모호함을 피하기 위한 소위 파일럿 신호를 사용하는 것일 수 있다.
종래의 기술은 앨리스의 신호와 LO 신호 사이의 위상 및 주파수 차이를 추정하기 위해 두 개 이상의 연속적인 파일럿 펄스(기준 펄스라고도 지칭됨)를 사용함으로써 저-강도 신호의 위상 정보를 복원하기 위한 방법을 설명한다. 하지만, 위상의 정확한 추정을 획득하기 위해, 앨리스 레이저와 LO 사이의 주파수 차이는 ±1/2Tb의 범위 이내에 있어야 할 수 있고, Tb는 두 개의 연속적인 파일럿 펄스 사이의 시간 지연이다(도 1 참조). 예를 들어, 고속 CV-QKD 시스템에서, 파일럿 펄스는 100MHz의 속도로 실행될 수 있으며, 이 경우에서 앨리스 레이저와 LO 사이의 주파수 차이는, 50MHz 이내에 있어야 할 수 있다. 이는 구조가 복잡한, 매우 안정적인 레이저 소스의 사용을 필요로 하는 단점을 가지며, 이에 따라 가용성이 제한되고 비용이 더 많이 소모된다. 예를 들어, 원자 전이가 레이저의 주파수를 안정화시키기 위해 사용될 수 있다. 하지만, 이는 가스 셀과 같은 추가적인 구성요소의 사용을 초래할 수 있다. 레이저 신호가 안정적인 경우라 하더라도, 앨리스 레이저와 LO 사이의 방출된 주파수(파장)의 차이가 일반적으로 있을 수 있다. 따라서, 추가적인 상대적 파장 튜닝이 요구되어질 수 있고, 이는 일반적으로 전류 및/또는 온도를 변경함으로써 달성된다.
게다가, 상기 언급된 종래의 방법은 정보를 복원하도록 파일럿 및/또는 양자 펄스의 위상을 측정하기 위해 일반적으로 삼각 함수를 사용한다. 삼각 함수의 대안으로, 몇몇 구현에서, 룩-업-테이블(LUT; Look-Up-Table)이 사용될 수 있다. 하지만, 삼각 함수 및 LUT 방식 모두는, 큰 연산 시간, 하드웨어 및/또는 리소스로 인해 어려움을 겪을 수 있다. LUT-프리 기술이 실시간 피드-포워드 및 피드-백 캐리어 복원을 달성하기 위해 사용될 수 있다. 이 기술은 데이터를 복원하기 위해 각각의 심볼의 최적의 샘플(예를 들어, 파워 관점)의 선택에 기초할 수 있으며, 따라서 동작 주파수 범위를 제한한다.
종래의 일 예는, 도 1에 도시된 바와 같이, 실제 국부 발진기(LO - 소위 자유 실행)를 갖는 CV-QKD의 일반적인 실험 설정을 나타낸다. 방출기/송신기(앨리스)(101)는 연속파 레이저 소스(103)를 사용할 수 있고, 여기서 레이저는 예를 들어, 가우스 랜덤 분포를 따르는, 직교 값을 갖는 광 펄스를 획득하기 위해 진폭 변조기(AM)(105) 및/또는 위상(PM) 전기-광학 변조기(107)에 의해 변조될 수 있다. 방출기/송신기(101)에 의해 인코딩된 동위상(in-phase) 및 역위상(out-of-phase) 직교 신호는 각각
Figure pct00001
및
Figure pct00002
로 지칭된다. 이어서, 감쇠기(ATT)(109)가 비밀 키 속도를 최대화하거나 또는 최적화할 수 있는 값으로 신호 분산(즉, 앨리스 변조기 분산)을 설정하기 위해 사용될 수 있다. 변조 분산은 일반적으로 평균 광자 수의 두 배와 동일할 수 있다.
변조된 광 펄스는 수신기(밥)(201)로 전송되고, 여기서 광 펄스는 수신 유닛(203)에서, 일반적으로 연속파로 동작할 수 있는 LO(205)에 의해 생성된 LO 신호와 간섭될 수 있다. 수신 유닛(203)의, 편광 제어기(PC)(207)는, 간섭을 최대화하거나 또는 최적화하도록 양자 펄스 및 국부 발진기의 편광을 정렬하기 위해 사용될 수 있다. 간섭은 검출기(209)의 일부인 - 90° 광학 하이브리드(90°OH)에서 수행될 수 있으며, 광학 하이브리드로부터의 출력은 검출기(209)에 의해 측정될 수 있다. 수신기(201)는 앨리스 신호와 상관된 데이터,
Figure pct00003
및
Figure pct00004
를 획득하기 위해 실시간으로 측정값을 처리하도록 구성될 수 있다. 실시간 데이터 처리는 일반적으로 디지털 신호 처리(DSP; Digital Signal Processing) 유닛(211)과 같은 제어 유닛에 의해 수행될 수 있다.
방출기/전송기(앨리스) 레이저로부터 수신된 신호와 LO 사이의 주파수 차이
Figure pct00005
뿐만 아니라, 레이저의 주파수 노이즈
Figure pct00006
은, 측정된 직교위상에서 위상 드리프트(위상 노이즈)를 초래할 수 있다. 밥에 의해 수신된 양자 신호의 동위상 및 역위상 직교 값(
Figure pct00007
및
Figure pct00008
로 지칭됨)은 앨리스 신호와 다음과 같이 관련된다:
수학식 1은 노이즈
Figure pct00011
로 인한
Figure pct00012
의 위상 회전에 대응하고, 여기서
Figure pct00013
및
Figure pct00014
는 시스템의 샷 노이즈와 초과 노이즈를 포함할 수 있는 0-중심 가우스 노이즈이다.
앨리스에 의해 할당된
Figure pct00015
및
Figure pct00016
의 값을 검색하기 위해, 밥은 위상 복원 알고리즘을 수행할 필요가 있을 수 있으며, 이는 좌표 회전에 의해 수행될 수 있다:
파일럿 펄스(기준 펄스)의 사용은 고전적인 및 양자 통신 모두에서 위상 복원을 위해 알려져 있다. 고전적인 코히어런트 통신에서, 위상 복원은 일반적으로 M 번째 멱승(power) 방식과 같은 방법을 사용함으로써 신호로부터 직접 수행될 수 있다. 따라서, 고전적인 코히어런트 통신에서, 파일럿 펄스는 데이터 복원을 위해 엄격히 요구되지 않는다. 연속-변수 양자 키 분배에서, 데이터를 전달하는 신호 펄스(들)(S)가 낮은 강도를 가질 수 있고 이러한 저-강도 신호 펄스(S)는 정확한 위상 노이즈 또는 주파수 드리프트 추정에 적합하지 않을 수 있으므로 파일럿 펄스(R)의 사용이 필요할 수 있다. 이 경우, 데이터 복원은 파일럿 펄스(R)의 정보에 배타적으로 기초할 수 있다.
예를 들어, 파일럿 펄스(R)가 신호 펄스(S) 사이에 인터리빙된, 도 2의 방식을 사용하면, 양자 신호 펄스(S)의 위상 정보는 삼각 함수 및/또는 선형 보간법을 사용하여 양자 신호 펄스(S)의 전후에 위치된 고-강도 파일럿 펄스(R)의 위상 정보를 검색함으로써 획득될 수 있다. 도 2에서, 파일럿 펄스(Ri)와 양자 펄스(Si) 사이의 시간 지연은 Td이고, 두 개의 파일럿 펄스(Ri 및 Ri+1) 사이의 시간 지연은 Tb이다. 인덱스 i는 신호 또는 파일럿 펄스의 i 번째를 지칭한다. 하지만, 상기 언급된 바와 같이, 이 종래의 기술은, 제한된 주파수 범위와 하드웨어 구현 복잡성과 같은, 여러 제한을 갖는다.
상기의 관점에서, 본 발명의 목적은 상기 언급된 과제, 단점 및/또는 문제 중 하나 이상을 해결하기 위한 개선된 방법 및/또는 디바이스를 제공하는 것이다. 즉, 하드웨어 복잡성을 감소시키면서 (광원의) 큰 주파수 드리프트의 존재에서 양자 신호 펄스(들)를 정확하게 복원할 수 있는 방법 및/또는 디바이스에 관한 필요성이 존재한다.
본 발명은, 특정 실시예(들)에서, 피드포워드 캐리어 복원을 위한 방법을 제공함으로써 상기 언급된 목표를 해결한다. 방법은 광원으로부터 광 신호를 수신하는 단계, 여기서 광 신호는 정보를 포함하는 적어도 하나의 신호 펄스와 적어도 하나의 파일럿 펄스를 포함하고, 국부 발진기 소스의 국부 발진기 신호를 사용하여 적어도 하나의 파일럿 펄스의 복수의 샘플의 직교 값을 결정하는 단계, 복수의 샘플의 직교 값을 사용하여 광원의 수신된 광 신호와 국부 발진기 소스의 국부 발진기 신호 사이의 위상차를 결정하는 단계, 그리고 결정된 위상차에 기초하여 적어도 하나의 신호 펄스의 캐리어 정보를 복원하는 단계를 포함한다.
이 맥락에서, "파일럿 펄스"의 용어는 기준 펄스를 지칭하고, "직교 값"의 용어는 동위상 및/또는 역위상 직교 값을 지칭할 수 있으며, "샘플"의 용어는 예를 들어, 파일럿 펄스의 진폭/강도/전력 대 시간 그래프의 한 지점을 지칭한다. "신호 펄스"의 용어는 예를 들어 그 안에 인코딩된 데이터 또는 통신 정보와 같은, 캐리어 정보를 포함하는 신호 펄스를 지칭할 수 있으며, 여기서 정보는 본질적으로 복수일 수 있다. 여기서, "캐리어 정보를 복원하는 것"은 위상차에 관한 보상 후에 신호 펄스의 검색을 지칭한다. 파일럿 펄스는 그 사이의 시간 지연이 균일하지 않은 주기적 또는 비-주기적일 수 있다.
본 발명의 방법에 따르면, 적어도 하나의 파일럿 펄스와 적어도 하나의 신호 펄스를 포함하는 광 신호는, 광원으로부터 수신되고, 국부 발진기 소스의 국부 발진기 신호를 사용하여 적어도 하나의 파일럿 소스의 복수의 샘플의 직교 값은 광원의 수신된 광 신호와 국부 발진기 소스의 국부 발진기 신호 사이의 위상차를 결정하기 위해 결정된다. 적어도 하나의 파일럿 펄스의 복수의 샘플의 직교 값이 사용되기 때문에, 이러한 정확한 결정에 의해, 특히, 예를 들어 하나의 샘플, 일반적으로 파일럿 펄스의 최적의 샘플을 사용하는 종래의 기술과 비교할 때, 광원과 국부 발진기 소스 사이의 큰 범위의 주파수 드리프트에서, 캐리어 정보 복원이 향상될 수 있다. 따라서 유리하게는, 본 발명의 방법은 실시간 동작에서 큰 주파수 드리프트를 보상하도록 할 수 있고, 피드-포워드 캐리어 복원을 위한 강력하면서도 단순화되고 및/또는 효율적인 방법을 제공할 수 있다. 또한, 큰 범위의 주파수 드리프트가 보상될 수 있으므로, 비싸고 및/또는 복잡한 레이저 하드웨어는 피해질 수 있으며, 이에 따라 비용-효율적인 적용을 달성할 수 있다.
본 발명의 특정 실시예(들)에서, 적어도 두 개의 인접한 샘플, 특히, 적어도 하나의 파일럿 펄스 중, 두 개의 직접 인접한 샘플의 직교 값은 위상차를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 특정한 일 실시예에서, 적어도 하나의 파일럿 펄스의 두 개의 인접한 샘플이 사용될 수 있다. 이 맥락에서, "두 개의 인접한 샘플"의 용어는 미리 결정된 샘플링 주파수를 이용한 "두 개의 연속적인 샘플"을 지칭할 수 있고, 예를 들어, 여기서 미리 결정된 샘플링 주파수는 샘플링 기술/하드웨어(예를 들어, 초 당 1G 샘플(1GSps)), 또는 예를 들어 사용자에 의해 설정된 고정된 주파수에 의해 결정된 최소 주파수일 수 있다. 두 개의 인접한 샘플을 사용함으로써, 직교 값과 위상차의 결정이 강력하고 단순하게 이루어질 수 있으며, 이는 특히 넓은 범위의 주파수 드리프트에서, 단순화된 절차로 캐리어 정보의 정확한 복원을 달성할 수 있다.
본 발명의 특정 실시예(들)에서, 파일럿 펄스의 샘플 중 적어도 하나는 파일럿 펄스와 신호 펄스 사이의 미리 결정된 시간 지연, 파일럿 펄스의 파워, 진폭, 강도, 및 그것들의 피크 값 중 어느 하나에 기초하여 선택될 수 있다. 파일럿 펄스의 샘플 중 적어도 하나를 선택하는 것은 복잡하지 않을 수 있고 특별한 하드웨어가 필요하지 않을 수 있으므로, 캐리어 복원 절차를 단순화하는 데 도움이 된다.
본 발명의 특정 실시예(들)에서, 캐리어 정보를 복원하는 단계는 적어도 하나의 신호 펄스의 직교 값을 결정하기 위해 보상 계수를 계산하는 단계를 포함할 수 있다. 보상 계수의 계산은 단순화된 하드웨어 절차를 사용하여, 캐리어 정보의 복원과 적어도 하나의 신호 펄스의 직교 값의 결정이 특히 정확하도록 할 수 있다. 보상 계수의 결정은 실시간 피드 포워드 복원에 도움이 된다. 따라서, 특정한 일 예에서, 보상 계수는 특히, 적어도 하나의 파일럿 펄스 뒤에 배치된 양자 신호 펄스(들)를 복원하기 위해 계산될 수 있다. 하지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 대안적인 일 실시예에서, 보상 계수는 적어도 하나의 파일럿 펄스 앞에 배치된 양자 신호 펄스(들)를 복원하기 위해 계산될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예(들)에서, 보상 계수는 위상차, 파일럿 펄스의 두 개의 인접한 샘플 사이의 시간 지연, 적어도 하나의 신호 펄스와 파일럿 펄스 중 하나 사이의 시간 지연, 및/또는 그것들의 임의의 조합 중 어느 하나에 기초하여 계산될 수 있다. 파일럿 샘플의 직교 값 또는 위상차, 또는 파일럿 펄스의 두 개의 인접한 샘플 사이의 시간 지연 및/또는 적어도 하나의 신호 펄스와 파일럿 펄스의 샘플 중 하나 사이의 시간 지연과 같은 매개변수가 사용되기 때문에, 보상 계수의 계산은 실시간 값을 설명하며, 따라서 이러한 매개변수(들)가 파일럿 및 신호 펄스로부터 쉽게 추출될 수 있으므로 계산 절차는 단순화될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예(들)에서, 보상 계수는, 예를 들어 하나 이상의 삼각 계수를 포함하는, 좌표 회전 행렬일 수 있다. 좌표 회전 행렬은, 특히 하드웨어/소프트웨어 구현의 관점에서, 캐리어 정보의 복원과 적어도 하나의 신호 펄스의 직교 값의 결정을 단순화할 수 있다.
본 발명의 특정 실시예(들)에서, 보상 계수는 블록 모듈을 사용하여 계산될 수 있다. 블록 모듈은 곱셈, 덧셈, 또는 뺄셈과 같은 단순한 수학적 연산을 용이하게 하는 구성요소를 포함하는 신호 처리 모듈일 수 있다. 따라서, 블록 모듈은 신호 처리 유닛을 사용하여 실시간 구현을 용이하게 할 수 있고 컴퓨터 사용량이 많은 삼각 함수/계산 또는 LUT를 피하도록 할 수 있다.
본 발명의 특정 실시예에서, 광 신호는 신호 펄스 열을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 파일럿 펄스에 대응하는 신호 펄스 열을 가짐으로써, 파일럿 또는 기준 펄스의 수가 감소될 수 있고, 파일럿 펄스는 키를 추출하기 위해 사용될 수 있는 인코딩된 데이터 정보를 가지고 있지 않을 수 있으므로 오버헤드를 감소시키고 보안 키 속도를 증가시킬 수 있다. 여기서, "대응하는"의 용어는 위상차를 결정함에 있어, 신호 펄스의 주어진 열에 관해, 적어도 하나의 파일럿 펄스가 기준 펄스로서 사용되는 것을 나타낼 수 있다. 여기서, 신호 펄스 열 중 적어도 하나의 신호 펄스는 캐리어 정보를 포함할 수 있다.
본 발명의 특정 실시예(들)에서, 파일럿 펄스의 샘플 중 하나 이상은 파일럿 펄스의 펄스 폭의 역수의 적어도 두 배인 샘플링 주파수에서 샘플링될 수 있다. 특정한 일 실시예에서, 각각의 파일럿 펄스는 적어도 두 번 샘플링될 수 있다. 이는 또한 펄스 형상, 펄스 열의 펄스 간 간격에 관계없이 적용된다. 이 샘플링 주파수는 적어도 두 개의 샘플을 제공할 수 있는 파일럿 펄스 중, 최적의 샘플링을 보장할 수 있고, 이는 복수의 샘플을 사용하여 위상차의 정확한 추정을 위해 필요할 수 있다.
본 발명의 특정 실시예(들)에서, 적어도 하나의 파일럿 펄스는 적어도 하나의 신호 펄스보다 더 높은 강도를 갖는 광 펄스일 수 있다. 따라서, 임의의 위상 변동은 고-강도 파일럿 펄스를 참조함으로써 보상될 수 있고, 이로써 신호 펄스(들)의 인코딩된 정보의 손실을 피할 수 있다. 또한, 고-강도 파일럿 펄스를 가짐으로써, 파일럿 펄스로 인한 노이즈가 최소화될 수 있고, 이로써 신호 펄스의 캐리어 정보의 정확한 복원에 도움이 될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예(들)에서, 적어도 하나의 파일럿 펄스는 적어도 하나의 신호 펄스와 인터리빙될 수 있다. 즉, 적어도 하나의 파일럿 펄스는 하나 또는 복수의 신호 펄스와 인터리빙될 수 있다. 이는 특히 하드웨어 요구사항을 감소시킴에 있어 유리할 수 있다. 특정한 일 예에서, 인터리빙은 시분할 멀티플렉싱을 사용하여 수행될 수 있다. 다른 특정한 실시예에서, 인터리빙은, 예를 들어 신호 소스로부터의 파일럿 펄스 및 신호 펄스로 구성된 멀티플렉싱된 데이터를 전송함으로써 수행될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예(들)에서, 적어도 하나의 신호 펄스는 양자 암호화 프로토콜, 특히 연속-변수 양자 키 분배(CV-QKD) 프로토콜에 따라 전송될 수 있다. CV-QKD에서, 일반적으로 저-강도 신호 펄스가 검출된다. 따라서 유리하게는, 이 실시예는 이러한 저-강도 신호 펄스를 검출하기 위한 안정적인 레이저 소스(들)가 필요한 단점 없이 저-강도 신호 펄스의 코히어런트 검출을 가능하게 할 수 있다.
특정 실시예(들)에서, 본 발명은 피드포워드 캐리어 복원을 위해 구성된 디바이스를 제공함으로써 상기 언급된 목표를 해결한다. 디바이스는 광원으로부터 광 신호를 수신하도록 구성된 수신 유닛을 포함하고, 여기서 광 신호는 정보를 포함하는 적어도 하나의 신호 펄스와 적어도 하나의 파일럿 펄스를 포함한다. 디바이스는 국부 발진기 소스의 국부 발진기 신호를 사용하여 적어도 하나의 파일럿 펄스의 복수의 샘플의 직교 값을 결정하도록 구성된 제어 유닛을 더 포함한다. 제어 유닛은 복수의 샘플의 직교 값을 사용하여 광원의 수신된 광 신호와 국부 발진기 소스의 국부 발진기 신호 사이의 위상차를 결정하고, 그리고 결정된 위상차에 기초하여 적어도 하나의 신호 펄스의 캐리어 정보를 복원하도록 더 구성된다.
본 발명의 디바이스에서, 제어 유닛은 국부 발진기 소스의 국부 발진기 신호를 사용하여 적어도 하나의 파일럿 펄스의 복수의 샘플의 직교 값을 결정한다. 적어도 하나의 파일럿 펄스의 복수의 샘플의 직교 값이 사용되기 때문에, 이러한 정확한 결정에 의해, 특히, 예를 들어 파일럿 펄스의 하나의 샘플을 사용하는 종래의 기술과 비교할 때, 광원과 국부 발진기 소스 사이의 큰 범위의 주파수 드리프트에서, 캐리어 정보 복원이 향상될 수 있다. 따라서 유리하게는, 본 발명의 디바이스는 실시간 동작에서 큰 주파수 드리프트를 보상할 수 있도록 하고, 피드-포워드 캐리어 복원을 위한 강력하면서도 단순화되고 및/또는 효율적인 디바이스를 제공할 수 있다. 또한, 큰 범위의 주파수 드리프트가 보상될 수 있으므로, 비싸고 및/또는 복잡한 레이저 하드웨어는 피해질 수 있으며, 이에 따라 비용-효율적인 디바이스를 달성할 수 있다.
본 발명의 특정 실시예(들)에서, 제어 유닛은 적어도 하나의 파일럿 펄스의 두 개의 인접한 샘플의 직교 값을 사용하여 위상차를 결정하도록 구성될 수 있다. 특정한 일 실시예에서, 적어도 하나의 파일럿 펄스의 두 개의 인접한 샘플이 사용될 수 있다. 두 개의 인접한 샘플을 사용함으로써, 직교 값과 위상차의 결정이 단순화될 수 있고, 특히, 광원과 국부 발진기 소스 사이의 큰 범위의 주파수 드리프트에서, 그것들의 정확도가 동시에 향상될 수 있고, 이는 단순화된 디바이스로 캐리어 정보의 정확한 복원을 달성할 수 있다.
본 발명의 특정 실시예(들)에서, 제어 유닛은 적어도 하나의 신호 펄스의 직교 값을 결정하기 위해 보상 계수를 계산하도록 구성될 수 있다. 보상 계수의 계산은 단순화된 하드웨어를 사용하여, 캐리어 정보의 복원과 적어도 하나의 신호 펄스의 직교 값의 결정이 특히 정확하도록 할 수 있다. 특정한 일 예에서, 보상 계수는 특히, 적어도 하나의 파일럿 펄스 뒤에 배치된 양자 신호 펄스(들)를 복원하기 위해 계산될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예(들)에서, 제어 유닛은 수신 유닛에 의해 수신되고 및/또는 검출된 신호 펄스와, 및/또는 캐리어 정보를 복원하기 위한 적어도 하나의 파일럿 펄스(R)를 수신하도록 구성된 클럭 복원 회로를 포함할 수 있다. 클럭 복원 회로는 캐리어 복원을 지원하는 디지털 신호 처리의 일부로서 동작할 수 있다. 제어 유닛의 클럭 복원 회로는 적어도 하나의 파일럿 펄스의 복수의 샘플의 직교 값을 결정하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예(들)에서, 클럭 복원 회로는 파일럿 펄스와 신호 펄스 사이의 미리 결정된 시간 지연, 파일럿 펄스의 파워, 진폭, 강도, 및 그것들의 피크 값 중 어느 하나에 기초하여 파일럿 펄스의 샘플 중 적어도 하나를 선택하도록 구성될 수 있다. 클럭 복원 회로를 사용하여, 파일럿 펄스의 샘플 중 적어도 하나를 선택하는 것은 복잡하지 않을 수 있고 특별한 하드웨어가 필요하지 않을 수 있으므로, 캐리어 복원을 단순화하는 데 도움이 된다. 특정한 일 예에서, 클럭 복원 회로는 1/TS의 주파수를 갖는 입력 처리 클럭을 사용하여 파일럿 펄스, 그것의 인접한 샘플 및/또는 신호 펄스/심볼에 대한 광 파워의 관점에서 최상의 샘플을 식별하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예(들)에서, 제어 유닛은 위상차, 파일럿 펄스의 두 개의 인접한 샘플 사이의 시간 지연, 적어도 하나의 신호 펄스와 파일럿 펄스의 샘플 중 하나 사이의 시간 지연, 및/또는 그것들의 임의의 조합 중 어느 하나에 기초하여 보상 계수를 계산하도록 구성될 수 있다. 파일럿 샘플의 직교값 또는 위상차, 또는 파일럿 펄스의 두 개의 인접한 샘플 사이의 시간 지연 및/또는 적어도 하나의 신호 펄스와 파일럿 펄스의 샘플 중 하나 사이의 시간 지연과 같은 매개변수가 사용되기 때문에, 이러한 매개변수(들)가 파일럿 및 신호 펄스로부터 제어 유닛에 의해 쉽게 추출될 수 있으므로 보상 계수의 연산이 단순화될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예(들)에서, 보상 계수는, 예를 들어 하나 이상의 삼각 계수를 포함하는, 좌표 회전 행렬일 수 있다. 좌표 회전 행렬은, 특히 하드웨어/소프트웨어 구현의 관점에서, 캐리어 정보의 복원과 적어도 하나의 신호 펄스의 직교 값의 결정을 단순화할 수 있다.
본 발명의 특정 실시예(들)에서, 제어 유닛은 보상 계수를 계산하도록 구성된 블록 모듈을 포함할 수 있다. 블록 모듈은 곱셈, 덧셈, 또는 뺄셈과 같은 단순한 수학적 연산을 포함하는 신호 처리 모듈일 수 있다. 따라서, 블록 모듈은 디지털 신호 처리를 사용하여 실시간 구현을 용이하게 할 수 있고 컴퓨터 사용량이 많은 삼각 함수 또는 LUT를 피하도록 할 수 있다.
본 발명의 특정 실시예(들)에서, 블록 모듈은 보상 계수를 계산하기 위한 적어도 하나의 가산기 및 적어도 하나의 곱셈기를 포함할 수 있다. 하나 이상의 가산기 및/또는 하나 이상의 곱셈기를 사용하는 블록 모듈을 구성함으로써, 삼각 계수를 수반할 수 있는, 보상 계수의 계산은, 단순한 덧셈 및/또는 곱셈을 사용하여 단순화될 수 있고, 여기서 뺄셈 및 나눗셈 또한 각각 가산기 및 곱셈기를 사용하여 수행될 수 있다. 따라서, 단순하지만 강한 피드-포워드 캐리어 복원이 단순화된 아키텍처로 가능해질 수 있다.
본 발명의 특정 실시예(들)에서, 블록 모듈은 블록 모듈에 관한 하나 이상의 입력을 선택하도록 구성된 적어도 하나의 멀티플렉서와, 블록 모듈에 관한 하나 이상의 입력을 처리하도록 구성된 적어도 하나의 레지스터 버퍼를 포함할 수 있다. 하나 이상의 멀티플렉서와 하나 이상의 레지스터 버퍼는 보상 계수가 단순화된 하드웨어로 정확하게 결정될 수 있도록 블록 모듈에 관한 하나 이상의 입력의 처리를 용이하게 할 수 있다.
본 발명의 특정 실시예(들)에서, 제어 유닛은 디지털 신호 처리(DSP; Digital Signal Processing) 하드웨어, 특히, 필드-프로그래머블 게이트 어레이(FPGA; Field-Programmable Gate Array)에서 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명의 디바이스는, 고전적인 통신 및 양자 암호화 적용 모두에서 비용 효율적인 시스템을 위한 저비용 레이저로, FPGA와 같은 실시간 DSP 또는 오프라인 프로세서에 의해 적용될 수 있다.
도 1은 실제 LO를 갖는 CV-QKD의 종래의 실험 설정을 도시한다.
도 2는 위상 복원을 위한 파일럿 펄스(기준 펄스)의 종래의 사용을 도시한다.
도 3은 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른 피드포워드 캐리어 복원을 위한 방법의 개략적인 흐름도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른 적어도 두 개의 인접한/연속적인 샘플의 직교 값을 결정하기 위해 적어도 하나의 파일럿 펄스를 샘플링하는 것을 도시한다.
도 5는 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른 i 번째 파일럿 펄스의 두 개의 연속적인/인접한 샘플의 복소 평면에서의 위상을 도시한다.
도 6은 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른 블록 모듈을 도시한다.
도 7은 특정 실시예(들)에 따른 피드포워드 캐리어 복원을 위한 디바이스를 도시한다.
도 8은 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른, 디바이스의 일부, 특히, 제어 유닛을 도시한다.
도 9는 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른 제어 유닛의 일부, 특히, 블록 회로(BC)를 도시한다.
도 10은 본 방법을 지지하고 본 발명의 캐리어 복원의 성능을 평가하는 시뮬레이션 결과를 도시한다.
다음에서, 본 발명의 특징 및 유리한 실시예가 도면을 참조하여 상세하게 설명될 것이다.
도 3은 본 발명의 특정 실시예(들)에 따른 피드포워드 캐리어 복원을 위한 방법(300)의 개략적인 흐름도를 나타낸다. 방법은 광원으로부터 광 신호를 수신하는 단계(302)를 포함하고, 여기서 광 신호는 정보를 포함하는 적어도 하나의 신호 펄스(S)와 적어도 하나의 파일럿 펄스(R)를 포함한다. 방법은 국부 발진기 소스, 특히 국부 발진기 소스의 국부 발진기 신호를 사용하여 적어도 하나의 파일럿 펄스(R)의 복수의 샘플(R0, R1)의 직교 값을 결정하는 단계(304)를 더 포함한다. 방법은 복수의 샘플(R0, R1)의 직교 값을 사용하여, 광원, 특히 수신된 광 신호와, 국부 발진기 소스, 특히 국부 발진기 신호 사이의 위상차를 결정하는 단계(306)를 더 포함한다. 방법은 결정된 위상차에 기초하여 적어도 하나의 신호 펄스(S)의 캐리어 정보를 복원하는 단계(308)를 더 포함한다.
도 3의 단계(302)는 광학 경로를 통해 광 신호를 수신하는 것을 포함할 수 있다. 광학 경로는 하나 이상의 광-섬유 채널일 수 있다. 광 신호는 도 1의 송신기 또는 송신기 광원(연속 레이저 소스와 같은)으로부터 수신될 수 있다. 광 신호는 적어도 하나의 파일럿 펄스(즉, 기준 펄스)(R)와 적어도 하나의 신호 펄스(S)를 포함한다. 일 실시예에서, 신호 펄스는 예를 들어, 그 안에 인코딩된 데이터, 또는 통신 정보와 같은 캐리어 정보를 포함하는 펄스일 수 있다. 일 예에서, 신호 펄스(S)는 위상 및/또는 진폭 변조될 수 있다. 파일럿 펄스는 기준 펄스이고 신호 펄스와 동일한 소스로부터의 것일 수 있고, 또는 신호 펄스와 다른 소스로부터의 것일 수 있다. 파일럿 펄스(R)는 그 안에 인코딩된 정보를 포함하지 않을 수 있다. 일 예에서, 파일럿 펄스(R)는 위상 및/또는 진폭 변조될 수 있다.
일 실시예에서, 적어도 하나의 파일럿 펄스(R)는 적어도 하나의 신호 펄스(S) 보다 더 높은 강도(예를 들어, 진폭)를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 파일럿 펄스(R)의 강도와 신호 펄스(S)의 강도 사이의 비율은 100 내지 500의 범위일 수 있다. 특정한 일 실시예에서, 비율은 적어도 100일 수 있다. 특정한 일 실시예에서, 파일럿 펄스(R)는 고-강도 파일럿 펄스일 수 있고 신호 펄스(S)는 연속-변수 양자 키 분배(CV-QKD) 프로토콜과 같은 양자 암호화 프로토콜에 따라 그 사이에서 미리 결정된 강도 비율을 갖는 저-강도 양자 펄스일 수 있다.
도 4(추후 상세하게 설명될 것임)는, 일 실시예에서, 광 신호가 적어도 하나의 파일럿 펄스(R)에 후속하는 신호 펄스의 열 또는 시퀀스(S0 내지 SN-1)를 포함할 수 있음을 도시하고, 여기서 N은 열/시퀀스의 신호 펄스 수를 지칭한다. 즉, 적어도 하나의 파일럿 펄스(R)는 하나 또는 복수의 신호 펄스(S0 내지 SN-1)와 인터리빙될 수 있다. 특정한 일 실시예에서, 인터리빙은 시분할 멀티플렉싱을 사용하여 수행될 수 있다. 다른 특정한 실시예에서, 인터리빙은 광원으로부터의 적어도 하나의 파일럿 펄스(들)(R)와 하나 이상의 양자 신호 펄스(들)(S0 내지 SN-1)로 구성된 멀티플렉싱된 데이터를 전송함으로써 수행될 수 있다.
도 3의 단계(304)는 국부 발진기 소스를 사용하여 적어도 하나의 파일럿 펄스(R)의 직교 값을 결정하는 것을 포함한다. 특히, 적어도 하나의 파일럿 펄스(R)의 복수의 샘플(R0, R1)의 직교 값은 국부 발진기 소스, 특히 국부 발진기 소스의 국부 발진기 신호를 사용하여 결정된다. 일 실시예에서, 직교 값은 동위상 및 역위상 직교 값을 지칭한다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서, 적어도 하나의 파일럿 펄스(R)의 적어도 두 개의 샘플(R0, R1)은 직교 값 결정을 위해 샘플링된다. 그러나 샘플링은 두 개에 제한되지 않는다. 상황 및/또는 하드웨어/소프트웨어 제한에 따라, 두 개 이상, 세 개, 네 개 또는 그 이상의 샘플이 사용될 수도 있다. 특정한 일 예에서, 오직 두 개의 인접한 샘플이 사용된다.
특정한 일 실시예에서, 두 개의 샘플은 미리 결정된 샘플링 주파수/속도로 서로 인접하거나 또는 연속적이다. 미리 결정된 샘플링 주파수는 사용자에 의해 설정된 주파수 또는 샘플링 기술/하드웨어에 의해 결정된 최소 주파수일 수 있다. 일 실시예에서, 도 4는 두 개의 인접한 샘플(R0,i 및 R1,i)(또는 i-1 번째 파일럿 펄스에 관하여는 R0,i-1 및 R1, i-1)을 갖는 i 번째 파일럿 펄스(R)를 나타낸다. 일 실시예에서, 인접한 샘플(R0,i 및 R1,i)은 N-1 개의 신호 펄스(S0 내지 SN-1)가 뒤따른다. 인접한 샘플(R0 및 R1)의 샘플링 주파수는 1/TS로 지칭된다.
바람직한 일 실시예에서, 파일럿 펄스(R)의 하나 이상의 샘플(R0, R1)은 나이퀴스트 이론(Nyquist theorem)을 충족하도록 파일럿 펄스(R)의 펄스 폭(시간 단위로 측정됨)의 역수의 적어도 두 배일수 있는 샘플링 주파수(1/TS)에서 샘플링된다. 특정한 일 실시예에서, 각각의 파일럿 펄스는 적어도 두 번 샘플링된다. 이는 다른 펄스 형상, 펄스 열의 펄스 간 간격에도 적용된다. 파일럿 펄스(R)의 복수의 샘플(R0, R1) 중 적어도 하나는 파일럿 펄스(R)와 신호 펄스(S) 사이의 미리 결정된 시간 지연(Td), 파일럿 펄스(R)의 파워, 진폭, 강도, 및 그것들의 피크 값 중 어느 하나에 기초하여 선택될 수 있다. 도 4에서, 샘플(R1)은 파일럿 펄스(R)의 피크 파워/진폭/강도에 기초하여 최적의 샘플로 선택된다. 샘플(R0)은 미리 결정된 샘플링 지점, 및/또는 파일럿 펄스(R)의 R1(최상의 샘플)과의 미리 결정된 시간 지연에 기초하여 선택될 수 있다.
여기서, "국부 발진기 소스"의 용어는 밥(수신기) 측의 자유 실행 레이저 소스를 지칭할 수 있고, "국부 발진기"의 용어는 출력, 즉 레이저 발진기 소스의, 국부 발진기 신호를 지칭할 수 있다. 파일럿 펄스(R) 및 신호 펄스(S)는 직교 값을 결정하기 위해 국부 발진기 신호와 간섭하도록 이루어질 수 있다.
단계(306)에서, 광원의 수신된 광 신호와 국부 발진기 소스의 국부 발진기 신호 사이의 위상차는 적어도 하나의 파일럿 펄스(R)의 복수의 샘플(R0, R1)의 직교 값을 사용하여 결정된다. 일 실시예에서, 위상차를 결정하는 이 단계는 캐리어 정보를 복원하고 적어도 하나의 신호 펄스의 직교 값을 결정함으로써 위상 오차를 보상하는 데 사용될 수 있는 결정된 위상차의 함수 또는 성분을 제공할 수 있다.
도 3의 단계(308)에서, 적어도 하나의 신호 펄스(S)의 캐리어 정보는 결정된 위상차에 기초하여 복원된다. 이 단계는 단계(306)에서 적어도 하나의 파일럿 펄스로부터 추출된 위상차/정보를 사용하여 위상 오차/불일치를 보상할 수 있게 한다. 특정한 일 예에서, 단계(308)는 고-강도 파일럿 펄스의 샘플링에 기초하여 저-강도 신호 펄스(들)의 피드-포워드 캐리어 복원을 허용할 수 있다.
본 발명의 비-제한적인 특정한 일 실시예는 도 4 및 5를 참조하여 설명될 것이다. 이 특정한 실시예에서, 적어도 하나의 파일럿 펄스(R)의 적어도 두 개의 인접한/연속적인 샘플(R0, R1)의 직교 값은 위상차를 결정하기 위해 사용된다.
도 4에서, i 번째 패턴은 N-1 개의 신호 펄스(S)가 뒤따르는 두 개의 연속적인 샘플(
Figure pct00019
및
Figure pct00020
)로 구성된 하나의 파일럿 펄스(R)에 대응한다. 파워 관점에서, 최적의 샘플(
Figure pct00021
)을 갖는 각각의 신호 펄스(k로 라벨링됨). 최적의 샘플(
Figure pct00022
)은, 예를 들어, 파워 관점에서, 신호 펄스의 제1 샘플(
Figure pct00023
) 및 마지막 샘플(
Figure pct00024
)과 관련하여 각각 시간 지연(
Figure pct00025
및
Figure pct00026
)을 갖는다. 이 실시예에서, 신호 펄스는 동일한 시간 지연(
Figure pct00027
)으로 주기적으로 수신된다. 그러나 본 발명은 주기적 및/또는 동일한 시간 지연(
Figure pct00028
)에 제한되지 않는다. 밥(수신기)에 의해 측정된 i 번째 파일럿 펄스(R)의 동위상(
Figure pct00029
) 및 역위상(
Figure pct00030
) 직교위상은 다음과 같이 주어질 수 있다:
여기서 A는 파일럿 펄스의 진폭과 관련된 계수이며, 단순화를 위해 1로 간주된다. 그러나 본 발명은, A=1인 것으로 제한되지 않는다.
Figure pct00033
은 위상 노이즈이고,
Figure pct00034
는 파일럿 펄스(R) 상의 광원(앨리스-송신기)으로부터 전송된 신호의 위상이다. 위상
Figure pct00035
는 앨리스에 의해 인코딩된 위상과 앨리스 레이저 주파수와 연관된 위상을 포함한다.
Figure pct00036
는 LO 주파수와 연관된 국부 발진기로부터의 광원의 신호의 위상이다. 따라서, 파일럿 펄스(R)는
Figure pct00037
의 위상차를 가질 수 있다. 위상
Figure pct00038
는 앨리스(즉, 송신기)에 의해 인코딩된 정보(즉 변조되지 않음)가 없는 파일럿 펄스(들)에 관한 앨리스 레이저 주파수와 관련된 성분을 가질 수 있다. 그러나, 본 발명은 이 특정내용에 제한되지 않는다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 파일럿 펄스(R)의 샘플(R0, R1) 중 적어도 하나는 시간 지연(Td), 파일럿 펄스(R)의 파워, 진폭, 강도, 및 그것들의 피크 값 중 어느 하나에 기초하여 선택될 수 있다. 특정한 일 예에서, 최상의 샘플(들)은 1/TS의 주파수를 갖는 입력 처리 클럭을 사용하여 파일럿 펄스(R)의 광 파워의 관점에서 식별된다. 유사하게, 신호 펄스(S)의 최적/최상의 샘플(들)은 파일럿 펄스(R)와 신호 펄스(S) 사이의 시간 지연(Td), 및/또는 신호 펄스의 파워, 진폭, 강도 중 어느 하나, 및 그것들의 피크 값에 기초하여 선택될 수 있다. 다른 특정한 예에서, 최상의 샘플(R1,i)은 1/TS의 주파수를 갖는 입력 처리 클럭을 사용하여, 광 파워, 그것의 인접한 샘플(
Figure pct00039
)(미리 결정된 샘플링 지점, 및/또는 R1,i의 미리 결정된 시간 지연), 및 신호 펄스(
Figure pct00040
)의 관점에서 클럭 복원 회로(추후 설명됨)에 의해 식별/선택될 수 있다.
게다가, 파일럿 펄스(R)의 샘플 중 하나 이상은 파일럿 펄스(R)의 펄스 폭의 역수의 적어도 두 배인 주파수에서 샘플링될 수 있다. 이 샘플링 주파수는 나이퀴스트 이론을 충족하도록 보장할 수 있고, 이로써 최적의 샘플링을 보장할 수 있다.
도 4의 실시예에서, 광 신호는 두 개의 기준 펄스(R) 사이의 신호 펄스 열(
Figure pct00041
)(k는 1 내지 N-1)을 포함한다. 따라서, 적어도 하나의 파일럿 펄스(R)에 대응하는 신호 펄스 열에 관하여, 파일럿 또는 기준 펄스의 수가 감소될 수 있고, 파일럿 펄스는 키를 추출하기 위해 사용될 수 있는 인코딩된 데이터 정보를 가지고 있지 않을 수 있으므로 오버헤드를 감소시키고 보안 키 속도를 증가시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복소 평면에서 i 번째 파일럿 펄스의, 각각 위상
Figure pct00042
및
Figure pct00043
를 갖는 두 개의 연속적인/인접한 샘플(
Figure pct00044
및
Figure pct00045
)의 위상을 도시한다. 따라서, i 번째 패턴의 k 번째 신호 펄스(k : 0→N-1)의 위상은 다음과 같이 주어질 수 있다:
Figure pct00047
의 양은
Figure pct00048
및
Figure pct00049
과 연관된 위상 오차를 나타낼 수 있다. 이 실시예에서, 국부 발진기 소스와 송신기(앨리스) 레이저 사이의 주파수 차이
Figure pct00050
는 레이저의 주파수 노이즈
Figure pct00051
보다 높을 수 있고, 및/또는 주파수 차이
Figure pct00052
는 두 개의 연속적인 파일럿 펄스 사이의 시간((N+1)Td) 동안 일정할 수 있다. 따라서, 패턴의 각각의 개별적인 샘플의 위상은, 예를 들어 기준 위상
Figure pct00053
을 시작 지점으로 가정하면, 이전 샘플과 연관된,
Figure pct00054
의 누적에 대응할 수 있다. 그러나 본 발명은, 주파수 차이가 각각의 파일럿 펄스 이후의 신호 펄스의 위상의 정확한 추정을 보장하는 한 이 관계에 제한되지 않는다.
이 실시예에서, 파일럿 펄스는 복소 평면에서 일정한 엔벨로프(envelope) 및/또는 일정한 반경을 가질 수 있으며(도 5), 이는 다음과 같은 삼각 관계를 유도한다 (도 6 참조):
삼각 항등식을 사용하여:
다음의 수학식 7은 수학식 5로부터 획득될 수 있다:
따라서 상기 수학식 7로, 복수의 샘플(R0, R1)의 직교 값을 사용하여 광원의 수신된 광 신호와 국부 발진기 소스의 국부 발진기 신호 사이의 위상차를 결정하는 단계(306)(도 3)가 위상차의 함수(들) 또는 성분(여기서 sin 및 cos 함수/성분)의 관점에서 수행될 수 있다. 수학식 7로부터 명백한 바와 같이, 위상차의 함수 또는 성분은 파일럿 펄스(R)의 복수의 샘플의 직교 값에 대한 단순한 수학적 연산에 의해 결정될 수 있다. 게다가, 위상차의 함수(들) 또는 성분은 적어도 하나의 신호 펄스(S)의 캐리어 정보를 복원하고 직교 값을 결정함으로써 위상 오차에 관해 보상하기 위해 사용될 수 있다.
특히, 파일럿 펄스의 직교위상은 송신기 레이저 소스 및 국부 발진기 소스로부터의 수신기에서의 측정값 사이의 위상차를 결정하기 위해 사용된다. 위상차는 이어서 송신기 레이저 소스를 참조하여 국부 발진기 소스의 신호 펄스의 직교위상의 측정값과 정렬하거나 또는 보상하기 위해 사용될 수 있고, 이로써 신호 펄스에 대한 정보가 복원될 수 있도록 한다.
이 측면에서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 캐리어 정보를 복원하는 단계(308)는 적어도 하나의 신호 펄스(S)의 직교 값을 결정하기 위해 보상 계수(W)를 계산하는 단계를 포함할 수 있다. 특정한 일 실시예에서, 보상 계수(W)는, 예를 들어 파일럿 펄스(R) 이후에 위치되는, 양자 신호 펄스(들)(S)에 관해 계산될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 정보를 복원하는 단계가 다음에 설명되어 있다. 이 실시예에서, k 번째 신호 펄스, 특히 정보를 포함하는 신호 펄스는, 수학식 1 및 수학식 4에 기초하여 i 번째 패턴의
Figure pct00063
의 동위상 직교위상 및
Figure pct00064
의 역위상 직교위상을 포함하는, 직교 값
Figure pct00065
로 복원될 수 있다. 따라서, 복원된 신호 펄스의 직교 값
Figure pct00066
과 수신된 신호 펄스의 직교 값
Figure pct00067
사이의 관계는 다음과 같이 주어질 수 있다:
여기서
회전 행렬(
Figure pct00071
)은 전송된 정보, 즉 신호 펄스(S)에 인코딩된 정보를 복원하기 위한 보상 계수(W)로 지칭된다. 상기 수학식 9로부터 그리고 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라, 보상 계수(W)는 파일럿 펄스(R)의 두 개의 인접한 샘플(R0, R1) 사이의 시간 지연(TS) 및/또는 적어도 하나의 신호 펄스(S)와 샘플(R0, R1) 중 하나, 특히 파일럿 펄스(R)의, 최적의 샘플(R1) 사이의 시간 지연(Td)기초할 수 있음을 볼 수 있다. 즉, 보상 계수(W)는 파일럿 샘플의 직교 값 이외의 추가적인 계수에 기초할 수 있다. 보상 계수(W)는 좌표 회전 행렬, 또는 그것들의 계수로 지칭될 수 있다.
일 실시예에서, 행렬(W)을 단순화하기 위해,
Figure pct00072
및
Figure pct00073
가 가정된다.
수학식 9의 행렬(
Figure pct00074
)의 요소에 관한 삼각 값을 획득하기 위해, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 블록 모듈(BM; Block Module)(600)을 나타낸다. 본 발명에 따르면, 블록 모듈(600)은 디지털 신호 처리 유닛의 일부로 구현될 수 있다. 블록 모듈(600)은 하나 이상의 입력(In1 내지 In4), 및 하나 이상의 출력(Out1, Out2)을 포함하고, 여기서 각각의 입력은 삼각 계수(trigonometric coefficient), 특히 보상 계수 및/또는 신호 펄스의 직교 값의 계수와 관련될 수 있다.
이 실시예에서, 블록 모듈(600)은 적어도 하나의 가산기(600A1, 600A2) 및 적어도 하나의 곱셈기(600M1, 600M2, 600M3, 600M4)를 더 포함할 수 있다. 블록 모듈(600)은 이러한 구성요소 및/또는 기능에 제한되지 않는다. 예를 들어, 블록 모듈은 가산기 및/또는 곱셈기를 사용하여, 뺄셈 및/또는 나눗셈을 각각 수행하도록 구성될 수 있다. 또한, 블록 모듈(600)의 수는 하나에 제한되지 않는다. 특정한 일 실시예에서, 복수의 블록 모듈 또한 제공될 수 있다.
본 실시예에서, 입력
Figure pct00075
은
Figure pct00076
와 연관되고, 입력
Figure pct00077
은
Figure pct00078
와 연관되고, 입력
Figure pct00079
은
Figure pct00080
와 연관되고, 입력
Figure pct00081
은
Figure pct00082
와 연관되어, 블록 모듈(600)은 적어도 하나의 가산기(600A1, 600A2), 및 적어도 하나의 곱셈기(600M1, 600M2, 600M3, 600M4)를 사용하여
Figure pct00083
및
Figure pct00084
의 출력을 생성할 수 있다. 따라서, 다음의 수학식을 고려하여:
그리고 기능을 사용하여, 특히, 블록 모듈(600)의, 단순한 곱셈 및 덧셈, 및 수학식 5 및 7의 정의로부터, 보상 계수(W)인,
Figure pct00087
의 행렬 요소가 획득될 수 있다. 따라서 블록 모듈(600)을 사용함으로써, 임의의 룩 업 테이블(LUT)의 사용, 또는 임의의 특정한 삼각 함수 연산기의 사용을 보상 계수의 결정에서 피할 수 있다.
따라서, 수학식 5 및 7, 그리고 도 6의 블록 모듈(600)의 출력을 사용하여, 수학식 9의 회전 행렬(W)의 요소가 획득될 수 있고 이로써 S의 동위상 및 직교위상을 입력으로 하여 수학식 8을 해결할 수 있다. 블록 모듈(600)로부터의 행렬 계수와 상기 입력에 기초하여, 신호 펄스(S)의 직교 값 및 S'의 행렬 요소가 주어진 위상 변동에 대응하여 복원될 수 있다.
다음에서, 본 발명에 따른 피드포워드 캐리어 복원을 위한 디바이스(700)가 본 발명의 방법(300)을 참조하여 설명된다. 디바이스(700)는 도 3 내지 6을 참조하여 상기 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 피드포워드 캐리어 복원을 위한 방법(300)의 단계를 실행하도록 구성된다. 방법(300)과 관련하여 이미 설명된 특징은 반복되지 않으나 여기에 참조로서 포함된다. 도 7은 본 발명의 특정한 실시예(들)에 따른 피드포워드 캐리어 복원을 위한 디바이스(700)를 도시한다.
디바이스(700)는 광원으로부터 광 신호를 수신하도록 구성된 수신 유닛(701)을 포함하고, 여기서 광 신호는 적어도 하나의 파일럿 펄스(R)와 적어도 하나의 신호 펄스(S)를 포함한다. 수신 유닛(701)은 국부 발진기 소스(LO)를 포함한다. 특정한 일 실시예에서, 수신 유닛(700)은 밥으로 알려진 수신기일 수 있다. 예를 들어, 수신 유닛(700)은 도 1의 수신기(201)의 일부 또는 모든 구성요소를 포함할 수 있다. 디바이스는 또한 도 1의 송신기(101)의 일부 또는 모든 구성요소를 갖는 송신 유닛(도시되지 않음)을 포함할 수 있다.
특정한 일 실시예에서, 수신 유닛(701)은 광원으로부터 송신된 광 신호(들)의 수신 및 검출을 수행하도록 구성될 수 있다. 수신 유닛(701)은 하나 이상의 광-전자 구성요소를 포함할 수 있다. 수신 유닛(701)의 하나 이상의 광-전자 구성요소는 90° 광학 하이브리드, 균형/불균형 마이컬슨 간섭계(Michelson interferometer) 또는 균형/불균형 마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer)와 같은 간섭계, 하나 이상의 빔 스플리터, 편광-유지 광학 섬유(PMF; Polarization-Maintaining optical Fiber)와 같은 편광 부재, 간섭을 최대화 또는 최적화하기 위해 신호 펄스(들)와 국부 발진기의 편광을 정렬하기 위한 편광 제어기, 하나 이상의 변조기/복조기 등의 임의의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
수신 유닛(701)은 또한 하나 이상의 단일-광자 검출기, 헤테로다인(heterodyne) 검출기, 호모다인(homodyne) 검출기 등과 같은 하나 이상의 광-전자 구성요소를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 수신 유닛(701)은 호모다인 또는 헤테로다인 검출을 사용할 수 있다. 호모다인 검출에서, 수신 유닛은 국부 발진기에 90° 위상 편이를 추가함으로써 X 또는 P 직교위상을 측정하도록 무작위로 선택할 수 있는 반면, 헤테로다인 검출에서, 수신 유닛은 예를 들어 90° 광학 하이브리드를 사용하여 신호를 두 부분으로 분할함으로써 두 직교위상을 동시에 측정할 수 있다.
광원은 도 1을 참조하여 정의된 바와 같이 송신기(101)의 일부일 수 있다. 광원은 디바이스(700)의 일부일 수 있거나 또는 디바이스(700) 또는 송신기(101)와 별개이고 외부에 있을 수 있다. 디바이스(700) 또는 송신기(101)는 가우시안 랜덤 분포를 따르는 직교 값을 갖는 광 펄스를 획득하기 위한 진폭 변조기 및/또는 위상 변조기를 포함할 수 있다. 송신기는 또한 비밀 키 속도를 최대화하거나 또는 최적화할 수 있는 값으로 신호 분산(즉, 앨리스 변조기 분산)을 설정하기 위한 감쇠기를 포함할 수 있다. 변조 분산은 일반적으로 평균 광자 수의 두배와 동일할 수 있다. 수신 유닛(701)은 광원으로부터 광 신호를 수신하도록 구성된다.
본 발명의 일 실시예에서, 송신기(101)에 대신하여 또는 그에 추가하여, 종래에 알려진 임의의 송신기(들)가 디바이스(700), 특히 도 7에 도시된 수신 유닛(701)과 결합하여 광 섬유 네트워크, 예를 들어 CV-QKD 네트워크에서 통신하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 광 섬유 네트워크는 임의의 수의 송신 및 수신 디바이스를 가질 수 있다. 본 발명의 디바이스는 또한 트랜시버의 일부일 수 있다. 게다가, 네트워크의 수신 디바이스의 전부 또는 일부는 본 발명에 따라 구성될 수 있다.
디바이스(700)는 국부 발진기 소스(LO)(예를 들어, 도 1의 요소(203)와 유사한 연속 파 레이저)를 사용하여 적어도 하나의 파일럿 펄스(R)의 복수의 샘플(R0, R1)의 직교 값을 결정하도록 구성된 제어 유닛(703)을 더 포함한다. 이와 관련하여, 샘플링 유닛(도시되지 않음)은 적어도 하나의 파일럿 펄스(R)를 샘플링하기 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, 제어 유닛(703)은 적어도 하나의 파일럿 펄스(R)를 샘플링하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어 유닛(703)은 나이퀴스트 이론을 충족하도록 파일럿 펄스(R)의 펄스 폭의 역수의 적어도 두 배일 수 있는 미리 결정된 샘플링 주파수(1/TS)에서 적어도 하나의 파일럿 펄스를 샘플링하기 위한 아날로그-디지털 컨버터를 포함할 수 있다. 제어 유닛(703)은 시간 지연(Td), 파일럿 펄스(R)의 파워, 진폭, 강도, 및 그것들의 피크 값 중 어느 하나에 기초하여 파일럿 펄스(R)의 샘플 중 적어도 하나를 선택하도록 구성될 수 있다.
제어 유닛(703)은 복수의 샘플(R0, R1)의 직교 값을 사용하여 광원의 수신된 광 신호와 국부 발진기 소스(LO)의 국부 발진기 신호 사이의 위상차를 결정하고, 결정된 위상차에 기초하여 적어도 하나의 신호 펄스(S)의 캐리어 정보를 복원하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 4 및 5를 참조하면, 제어 유닛(703)은 적어도 하나의 파일럿 펄스(R)의 두 개의 인접한 샘플(R0, R1)의 직교 값을 사용하여 위상차를 결정하도록 구성된다. 제어 유닛(703)은 또한 적어도 하나의 신호 펄스(S)의 직교 값을 결정하기 위해 보상 계수(W)를 계산하도록 구성된다. 특정한 일 실시예에서, 제어 유닛(703)은, 특히 도 6을 참조하여 상기 설명된 바와 같이, 회전 행렬의 하나 이상의 삼각 계수를 갖는, 보상 계수(W)를 계산하기 위한 블록 모듈(600)을 포함한다.
일 실시예에서, 수신 유닛(701)은 소프트웨어, 제어 유닛(703), 또는 그것들의 조합에 의해 제어될 수 있다. 다른 특정한 실시예에서, 국부 발진기 소스(LO)는 수신 유닛(701) 또는 제어 유닛(703)의 일부일 수 있다. 다른 특정한 실시예에서, 국부 발진기 소스(LO)는 수신 유닛(701) 및 제어 유닛(703)과 별개일 수 있다. 제어 유닛(703)은 하드웨어 및/또는 소프트웨어 요소일 수 있다. 특정한 일 실시예에서, 제어 유닛(703)은 소프트웨어에 의해 제어될 수 있다. 다른 특정한 실시예에서, 제어 유닛(703)은 수신 유닛(701) 및 국부 발진기 소스(LO)의 구성요소를 제어하고 및/또는 구동하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 비-제한적인 특정한 실시예가 도 8 및 9를 참조하여 설명될 것이다. 도 8은 디바이스(700)의 제어 유닛(703)을 도시한다. 이 특정한 실시예에서, 제어 유닛(703)은 수신 유닛(701)에 의해 수신되고 및/또는 검출된 신호 펄스와, 그리고/또는 캐리어 정보를 복원하기 위한 적어도 하나의 파일럿 펄스(R)를 수신하도록 구성된 클럭 복원 회로(803)를 포함한다. 제어 유닛(703)은 캐리어 정보를 복원하기 위한 캐리어 복원 회로(805)를 더 포함한다. 특히, 특정한 일 실시예에서, 클럭 복원 회로(803)는, 위상차를 보상하는 것에 도움이 되도록, 캐리어 복원 회로(805)에 관해, 입력 회로로서 동작한다. 그러나, 제어 회로가 그것들의 기능을 실행하도록 구성되는 한 별도의 클럭 복원 회로 및 별도의 캐리어 복원 회로는 필요하지 않다.
이 특정한 실시예에서, 본 발명의 디바이스(700) 및 본 발명의 방법(300)은 수신된 데이터 클럭 또는 처리 속도 및 샘플링 주파수 사이의 차이를 보상하기 위해, 클럭 복원 회로(803) 및 캐리어 복원 회로(805)를 사용하여, 캐리어 복원을 수행할 수 있다.
제어 유닛(703)의 클럭 복원 회로(803)는 파일럿 펄스와 신호 펄스 사이의 시간 지연(Td), 파일럿 펄스(R)의 파워, 진폭, 강도, 및 그것들의 피크 값 중 어느 하나에 기초하여 파일럿 펄스(R)의 복수의 샘플(R0, R1) 중 적어도 하나를 선택하거나 또는 식별하도록 구성될 수 있다. 이 특정한 실시예에서, 샘플(R1)은 특히 파일럿 펄스(R)에 대한 광 파워의 관점에서, 파일럿 펄스(R)의 피크 파워/진폭/강도에 기초하여 최적의 샘플로 선택된다. 샘플(R0)은 미리 결정된 샘플링 주파수, 및/또는 파일럿 펄스(R)의 R1의 미리 결정된 시간 지연에 기초하여 선택될 수 있다.
이 실시예에서, 캐리어 복원 회로(805)는, 클럭 복원 회로(803)로부터의 입력과 적어도 하나의 파일럿 펄스(R) 및 그것의 샘플을 사용하여, 위상차를 결정하고 위상차를 사용하여 캐리어 정보를 복원하도록 구성된다. 보상 계수(W)는 블록 모듈(600)을 사용하여 계산될 수 있다.
이 특정한 실시예에서, 캐리어 복원 회로(805)는 상기 설명된 하나 이상의 블록 모듈, 특히 3개의 블록 모듈(807, 809, 및 811)(도 8)을 포함한다. 블록 모듈 기능을 사용하여, 수학식 8을 풀기 위한 본 발명의 캐리어 복원의 설명이 도 8에 나타나 있으며, 여기서 밥의(즉, 수신 유닛의) 신호인, 바람직하게는, 디지털화된,
Figure pct00088
(1) 및
Figure pct00089
(2)는, 클럭 복원 회로(803)에 관한 입력으로서 제공된다.
상기 설명된 바와 같이, 클럭 복원 회로(803)는,
Figure pct00090
의 주파수를 갖는 입력 처리 클럭(4)을 사용하여, 파일럿 펄스 즉
Figure pct00091
의 광 파워, 그것의 인접한 샘플
Figure pct00092
및 양자 신호 펄스
Figure pct00093
의 관점에서 최상의 샘플을 선택/식별하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어 입력 옵션을 갖는 D-플립-플롭으로 구성된 레지스터를 사용하여, 클럭 복원 회로(803)는, 다음 업데이트된 파일럿 펄스 즉 (i+1) 번째 또는 양자 신호 펄스 즉 (k+1) 번째까지, 신호(
Figure pct00094
(5),
Figure pct00095
(6),
Figure pct00096
(7),
Figure pct00097
(8),
Figure pct00098
(9),
Figure pct00099
(10))신호를 출력하고 래칭하도록 구성된다. 신호(5 내지 8)를 입력으로서 사용하여, 블록 모듈(807)은 다음과 같은 수학식 7을 적용함으로써 출력(12)(Out1 및 Out2로 지칭됨)을 출력한다:
논리적 부정 연산자(13)가, 예를 들어, 블록 모듈(807) 기능과 수학식 7 사이의 임의의 부호 신호 불일치를 정정하기 위해
Figure pct00102
전에, 사용될 수 있다. 그러나, 논리적 부정 연산자의 위치는 이에 제한되지 않는다.
도 8에 도시된 바와 같이, 블록 모듈(807)의 출력(12)은 블록 회로(BC)에 관한 입력으로서 동작할 수 있다. 따라서, 블록 회로(BC)는 두 개의 입력, 즉 블록 모듈(807)의 출력인
Figure pct00103
및
Figure pct00104
를 수신하도록 구성될 수 있다.
도 8의 블록 회로(BC)는 도 9에 상세히 도시되어 있다. 블록 회로(BC)는 또한 블록 모듈(18)일 수 있으나, 블록 모듈에 관한 하나 이상의 입력을 선택하도록 구성된 하나 이상의 멀티플렉서(14, 15)와, 블록 모듈에 관한 하나 이상의 입력을 처리하도록 구성된 하나 이상의 레지스터 버퍼(21, 25)를 추가적으로 포함할 수 있다.
멀티플렉서(14, 15)는, 선택적 제어 신호(16, 17)를 사용하여, 블록 회로(BC)의 입력(즉, 블록 모듈(807)의 출력)을 블록 모듈(18)로 전달하여, 각각 출력(19, 20)으로서
Figure pct00105
와
Figure pct00106
를 획득할 수 있다. 레지스터 버퍼(21)는, 선택적 제어 신호(22)를 사용하여, 입력 처리 클럭(4)이 있으면 그것의 입력 데이터를 래칭할 수 있다. 제어 신호(16, 17)는 제어되거나 또는 변경될 수 있고 이로써 멀티플렉서(14, 15)는 획득된 출력을 통과시켜 블록 모듈(18)로 피드-백하여
Figure pct00107
및
Figure pct00108
와 결합하여,
Figure pct00109
및
Figure pct00110
을 획득할 수 있다. 제어 신호(16, 17)는 다음 검출된 파일럿 펄스(즉, (i+1) 번째)까지 온 상태에서 바람직하게 유지될 수 있다. 블록 모듈(18)은
Figure pct00111
이후의 j 번째 샘플에 대응하는,
Figure pct00112
및
Figure pct00113
(23, 24) 각각을 획득할 수 있다. 일 실시예에서, N 개의 양자 신호 펄스 이후에, 제어(16, 17, 및 22)는 이전과 동일한 기능으로, 다음 패턴을 위해 리셋될 수 있다. 예를 들어,
Figure pct00114
이후의 (j+1) 번째 샘플이 양자 펄스인 경우, 블록 회로(BC)의 제2 레지스터 버퍼(25) 및 그것의 선택적인 제어(26)는,
Figure pct00115
(27) 및
Figure pct00116
(28)에 관한,
Figure pct00117
및
Figure pct00118
을 래칭할 수 있고, 다음이 그 결과이다.
수학식 5 및 6을 사용하여, 그리고 수학식 9의 회전 행렬(
Figure pct00121
)에 관한 요소를 획득하기 위해, 블록 회로(BC) 출력으로부터의 신호를 사용함으로써, 다음의 출력은 블록 모듈(809)에 의해
Figure pct00122
(30) 및
Figure pct00123
(31)로서 달성될 수 있다.
여기서, 블록 모듈(811)로의 입력으로서
Figure pct00126
의 동위상 및 직교위상과 수학식 13을 조합하는 것은, 다음에 의한
Figure pct00127
(33) 및
Figure pct00128
(34)에 대한 동일한 값으로 수학식 8을 풀 수 있다:
따라서 수학식 14에서, 신호 펄스는 수학식 13의 추정된 값(들)에 기초하여 회전된 것으로 간주될 수 있고,
Figure pct00131
의 행렬 요소는 위상 변동에 대응하여 복원될 수 있다. 일 실시예에서, 다음의 파일럿 펄스를 수신함으로써, 전체 캐리어 복원 절차가 재시작될 수 있다.
도 10은, 본 방법을 지지하고 본 발명의 캐리어 복원 방법의 성능을 평가하는 시뮬레이션 결과를 도시한다. 도 10(a) 및 10(c)에서,
Figure pct00132
이고,
Figure pct00133
의 총 파일럿 및 양자 펄스 폭이며,
Figure pct00134
=60 MHz (a) 및 1060 MHz (c)를 갖는 동위상 X 및 직교위상 P를 포함하는 양자 펄스의 배치(constellation)가 시뮬레이션된다.
Figure pct00135
에 관하여, 배치가
Figure pct00136
의 샘플 주기동안
Figure pct00137
이상 회전할 수 있다는 것이 보여질 수 있다. 도 10(b) 및 10(d)는 각각 도 10(a) 및 10(c)의 신호에 대응하는 복원된 양자 펄스를 나타낸다. 시뮬레이션 결과는 본 발명의 방법을 사용하여, 데이터가 매우 큰 주파수 드리프트에 관해서도 올바르고 정확하게 복원될 수 있음을 나타낸다. 이 실시예에서,
Figure pct00138
및
Figure pct00139
을 선택하는 것에 관한 이론적 제한은 없다. 그러나, 레이저 주파수가 짧은 시간에서도 변경될 수 있는 실제 적용에서는, 캐리어 데이터 복원을 위한 최적의 그리고 양호한 성능을 가지기 위해,
Figure pct00140
및
Figure pct00141
은 각각 2 내지 256 및 1 내지 256의 범위로 제한하는 것이 바람직하다. 가장 바람직한 실시예에서,
Figure pct00142
이고,
Figure pct00143
이다.
도 9와 관련하여 설명된 바와 같이, 본 발명에서, 피드-포워드 위상 보상과 함께, 예를 들어 수학식 13의, 추정된 값(들)으로부터 획득된 피드-백 신호는, 국부 발진기(LO) 소스의 파장을 능동적으로 튜닝함으로써 레이저의 주파수 차이를 최소화하기 위해 사용될 수 있다. 바람직하게는, 총 16 개의 곱셈기와 8 개의 가산기를 사용하여, 단순하지만 강건한 피드-포워드 캐리어 복원이 달성될 수 있다.
도 6 내지 9를 참조하여 설명된 구성은 또한 전통적인 통신 및 양자화 암호 적용 모두에서 비용 효율적인 시스템을 위해 저비용 레이저를 가지고, 필드-프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)와 같은 실시간 디지털 신호 처리 유닛 또는 오프라인 프로세서(들)에 의해 적용될 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어 유닛(703)은 디지털 신호 처리 하드웨어/소프트웨어에서 구현될 수 있다. 특정한 일 예에서, 디지털 신호 처리 하드웨어는 필드-프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)일 수 있다. 따라서, 본 발명은 전송된 정보를 복원하기 위해 디지털 신호 처리(DSP; Digital Signal Processing)와 결합될 수 있다.
본 발명은 하드웨어 복잡성을 감소시키면서 (광원의) 큰 주파수 드리프트의 존재에서 양자 신호 펄스(들)를 정확하게 복원할 수 있는 개선된 방법 및/또는 디바이스를 제공한다. 특히, 개시된 방법 및/또는 디바이스는 광원(들)(예를 들어, 레이저)의 신호 불안정성과 연관된 큰 주파수 드리프트를 보상하도록 할 수 있고, 또한 효율적이고 개선된 캐리어 복원 절차로 인한 실시간 동작을 갖는 단순화된 하드웨어/소프트웨어 구현의 가능성을 제공할 수 있다. 즉, 파일럿 펄스의 다수의 샘플을 사용함으로써, 본 발명은 파일럿 펄스의 하나의 샘플을 사용하는 종래의 기술과 비교할 때 송신기 및 수신기의 광원 사이의 큰 범위의 주파수 드리프트에서 캐리어 복원을 정확하게 할 수 있도록 한다. 본 발명의 방법 및/또는 디바이스는, 예를 들어 저-강도 양자 펄스의 코히어런트 검출에 기초하는 CV-QKD와 같은 양자 암호화에 특히 적합할 수 있다.
본 발명은 또한 곱셈 및 덧셈(또는 뺄셈)을 포함하여, 단순한 수학적 연산에 의존하는 하드웨어를 사용하는 캐리어 복원을 개시하며, 따라서 이는 디지털 신호 처리 유닛을 사용하여 실시간 구현을 용이하게 하고 컴퓨터 사용량이 많은 삼각 함수 또는 LUT를 피하도록 할 수 있다.
게다가, 본 발명의 방법 및/또는 디바이스는 코히어런트 광 통신에서 위상 및/또는 주파수 복원을 허용할 수 있고 예를 들어 전통적인 통신 및 양자 암호화 응용 모두에서, 비용 효율적인 시스템을 위해 저비용 레이저를 가지고, FPGA와 같은 실시간 DSP 및/또는 오프라인 프로세서로 구성될 수 있다.
본 발명의 상기 언급된 실시예/단계/예 중 하나 이상은 처리/컴퓨팅 디바이스 및 소프트웨어/프로그램과 같은 하나 이상의 구성요소를 전적으로 또는 부분적으로 사용하여 자동화될 수 있다. 본 발명의 단계/실시예/예 중 하나 이상은 이 구성요소들의 사용에 의해 구현될 수 있다.
상기 설명은 특정한 실시예 및 예를 기술하고 설명한 것임이 이해될 것이다. 그러나, 설명은 본 발명의 다양한 실시예 및 예의 임의의 및 모든 변형을 다루도록 의도된 것이다. 본 명세서에 구체적으로 설명되지 않은 상기 실시예 / 예 / 배열의 조합은, 상기 설명을 검토하면 해당 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 개시는 개시된 특정 실시예 / 예 / 배열에 제한되지 않고, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범위 내에 속하는 모든 실시예 및 배열을 포함하도록 의도된다.

Claims (23)

  1. 피드-포워드 캐리어 복원 방법으로서,
    광원으로부터 광 신호를 수신하는 단계 - 상기 광 신호는 정보를 포함하는 적어도 하나의 신호 펄스(Sk)와 적어도 하나의 파일럿 펄스(Ri)를 포함함 -;
    국부 발진기 소스의 국부 발진기 신호를 사용하여 상기 적어도 하나의 파일럿 펄스(Ri)의 복수의 샘플(R0,i, R1,i)의 직교 값을 결정하는 단계;
    상기 복수의 샘플(R0,i, R1,i)의 상기 직교 값을 사용하여 상기 광원으로부터의 상기 수신된 광 신호와 상기 국부 발진기 소스의 상기 국부 발진기 신호 사이의 위상차를 결정하는 단계; 그리고
    상기 결정된 위상차에 기초하여 상기 적어도 하나의 신호 펄스(Sk)의 상기 캐리어 정보를 복원하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 파일럿 펄스(R)의 적어도 두 개의 인접한 샘플(R0,i, R1,i)의 직교 값은 상기 위상차를 결정하기 위해 사용되는, 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 파일럿 펄스의 샘플 중 적어도 하나는 상기 파일럿 펄스(R)와 상기 적어도 하나의 신호 펄스(S) 사이의 미리 결정된 시간 지연(Td), 상기 파일럿 펄스의 파워, 진폭, 강도, 및 그것들의 피크 값 중 어느 하나에 기초하여 선택되는, 방법.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐리어 정보를 복원하는 단계는 상기 적어도 하나의 신호 펄스(S)의 직교 값을 결정하기 위해 보상 계수(W)를 계산하는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 보상 계수는 상기 위상차, 상기 파일럿 펄스(R)의 두 개의 인접한 샘플 사이의 시간 지연(Ts), 상기 적어도 하나의 신호 펄스(S)와 상기 파일럿 펄스(R)의 샘플 중 하나 사이의 시간 지연(Td), 및 또는 그것들의 임의의 조합 중 어느 하나에 기초하여 계산되는, 방법.
  6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 보상 계수(W)는 하나 이상의 삼각 계수를 포함하는, 방법.
  7. 청구항 4 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보상 계수(W)는 블록 모듈을 사용하여 계산되는, 방법.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 신호는 신호 펄스(S) 열을 포함하는, 방법.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파일럿 펄스(R)의 샘플(R0, R1) 중 하나 이상은 상기 파일럿 펄스(R)의 펄스 폭의 역수의 적어도 두 배인 샘플링 주파수(1/Ts)에서 샘플링되는, 방법.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 파일럿 펄스(R)는 상기 적어도 하나의 신호 펄스(S)보다 더 높은 강도를 갖는 광 펄스인, 방법.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 파일럿 펄스(R)는 상기 적어도 하나의 신호 펄스(S)와 인터리빙되는, 방법.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 신호 펄스(S)는 양자 암호화 프로토콜, 특히 연속-변수 양자 키 분배(CV-QKD) 프로토콜에 따라 전송되는, 방법.
  13. 피드-포워드 캐리어 복원을 위해 구성된 디바이스로서,
    광원으로부터 광 신호를 수신하도록 구성된 수신 유닛 - 상기 광 신호는 정보를 포함하는 적어도 하나의 신호 펄스(S)와 적어도 하나의 파일럿 펄스(R)를 포함함 -; 및
    국부 발진기 소스의 국부 발진기 신호를 사용하여 상기 적어도 하나의 파일럿 펄스(R)의 복수의 샘플(R0,i, R1,i)의 직교 값을 결정하도록 구성된 제어 유닛을 포함하고,
    상기 제어 유닛은:
    상기 복수의 샘플(R0,i, R1,i)의 상기 직교 값을 사용하여 상기 광원의 상기 수신된 광 신호와 상기 국부 발진기 소스의 상기 국부 발진기 신호 사이의 위상차를 결정하고; 그리고
    상기 결정된 위상차에 기초하여 상기 적어도 하나의 신호 펄스(S)의 상기 캐리어 정보를 복원하도록 더 구성되는, 디바이스.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 적어도 하나의 파일럿 펄스(R)의 두 개의 인접한 샘플의 직교 값을 사용하여 상기 위상차를 결정하도록 구성되는, 디바이스.
  15. 청구항 13 또는 청구항 14에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 적어도 하나의 신호 펄스(S)의 직교 값을 결정하기 위해 보상 계수(W)를 계산하도록 구성되는, 디바이스.
  16. 청구항 13 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 수신 유닛에 의해 수신되고 및/또는 검출된 상기 신호 펄스, 및/또는 캐리어 정보 복원을 위한 상기 적어도 하나의 파일럿 펄스(R)를 수신하도록 구성된 클럭 복원 회로를 포함하는, 디바이스.
  17. 청구항 13 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 클럭 복원 회로는 상기 파일럿 펄스(R)와 상기 적어도 하나의 신호 펄스(S) 사이의 미리 결정된 시간 지연(Td), 상기 파일럿 펄스의 파워, 진폭, 강도, 및 그것들의 피크 값 중 어느 하나에 기초하여 상기 파일럿 펄스(R)의 샘플 중 적어도 하나를 선택하도록 구성되는, 디바이스.
  18. 청구항 15 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 위상차, 상기 파일럿 펄스(R)의 두 개의 인접한 샘플 사이의 시간 지연(Ts), 상기 적어도 하나의 신호 펄스(S)와 상기 파일럿 펄스(R)의 샘플 중 하나 사이의 시간 지연(Td), 및 또는 그것들의 임의의 조합 중 어느 하나에 기초하여 상기 보상 계수를 계산하도록 구성되는, 디바이스.
  19. 청구항 15 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보상 계수(W)는 하나 이상의 삼각 계수를 포함하는, 디바이스.
  20. 청구항 13 내지 청구항 19 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 보상 계수(W)를 계산하도록 구성된 블록 모듈을 포함하는, 디바이스.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 블록 모듈은 상기 보상 계수를 계산하기 위한 적어도 하나의 가산기 및 적어도 하나의 곱셈기를 포함하는, 디바이스.
  22. 청구항 20 또는 청구항 21에 있어서,
    상기 블록 모듈은 상기 블록 모듈에 관한 하나 이상의 입력을 선택하도록 구성된 적어도 하나의 멀티플렉서와, 상기 블록 모듈에 관한 하나 이상의 입력을 처리하도록 구성된 적어도 하나의 레지스터 버퍼를 포함하는, 디바이스.
  23. 청구항 13 내지 청구항 22 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 디지털 신호 처리(DSP) 하드웨어, 특히, 필드-프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)에서 구현되는, 디바이스.
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