RU2758709C1 - Устройство квантовой рассылки симметричной битовой последовательности на поднесущей частоте модулированного излучения с гомодинным методом приема - Google Patents

Устройство квантовой рассылки симметричной битовой последовательности на поднесущей частоте модулированного излучения с гомодинным методом приема Download PDF

Info

Publication number
RU2758709C1
RU2758709C1 RU2020130399A RU2020130399A RU2758709C1 RU 2758709 C1 RU2758709 C1 RU 2758709C1 RU 2020130399 A RU2020130399 A RU 2020130399A RU 2020130399 A RU2020130399 A RU 2020130399A RU 2758709 C1 RU2758709 C1 RU 2758709C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fpga
optical
sender
receiver unit
phase modulator
Prior art date
Application number
RU2020130399A
Other languages
English (en)
Inventor
Роман Константинович Гончаров
Эдуард Олегович Самсонов
Александр Вячеславович Зиновьев
Максим Алексеевич Фадеев
Алексей Альбертович Сантьев
Борис Евгеньевич Первушин
Владимир Ильич Егоров
Артур Викторович Глейм
Борис Александрович Наседкин
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "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 "СМАРТС-Кванттелеком" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "СМАРТС-Кванттелеком"
Priority to RU2020130399A priority Critical patent/RU2758709C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2758709C1 publication Critical patent/RU2758709C1/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0816—Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
    • H04L9/0852—Quantum cryptography
    • H04L9/0858—Details about key distillation or coding, e.g. reconciliation, error correction, privacy amplification, polarisation coding or phase coding

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)

Abstract

Изобретение относится к системам фотонной квантовой связи. Технический результат заключается в обеспечении устройства квантовой рассылки симметричных битовых последовательностей с расширенной областью применения. Устройство содержит блок отправителя, включающий в себя соединенные посредством волоконно-оптического тракта источник когерентного излучения, оптический изолятор, оптический фазовый модулятор и аттенюатор, а также блок получателя, состоящий из входного делителя света по поляризации, двух оптических фазовых модуляторов, соединяющего излучение делителя света по поляризации, оптического циркулятора и спектрального фильтра, осуществляющего разделение и направление оптического излучения в соответствующие плечи балансного детектора, кроме того, блок отправителя включает в себя ЭВМ и подключенную к ней ПЛИС, к ПЛИС на стороне отправителя подключены генератор управляющих напряжений (ГУН) и вход электрического фазового модулятора, выход которого подключен к оптическому фазовому модулятору, кроме того, к электрическому фазовому модулятору подключено устройство фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), которое в свою очередь сопряжено с генератором управляющих напряжений, также ПЛИС соединена c модулем стандарта SFP отправителя, который, в свою очередь, по волоконно-оптической линии связи соединен с модулем стандарта SFP блока получателя. Блок получателя также включает в себя ЭВМ, сопряженную с ней ПЛИС, соединенные с ПЛИС фильтр низких частот и генератор управляющих напряжений, к генератору управляющих напряжений подключено устройство фазовой автоподстройки частоты, выходы которого подключены к электрическому фазовому модулятору, который также подключен к оптическим фазовым модуляторам в блоке получателя, кроме того, в блоке получателя присутствует анализатор сигнала, сопряженный с ЭВМ и выходом балансного детектора. 1 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к оптической технике, а именно к системам фотонной квантовой связи.
Известно устройство квантовой рассылки симметричных битовых последовательностей [Hirano и др. Quantum Sci Technol 2 (2017) 024010], базирующееся на когерентном методе приема. Битовая последовательность может быть распределена на расстояние 60 км при заданных условиях процессов последующей обработки.
Представленные устройства [Патент CN105024809B, дата приоритета 22.07.2015 МКИ: H04L9/08], [Патент CN102724036B, дата приоритета 04.06.2012. МКИ: H04L9/08, H04L27/26] обладают следующими недостатками: применение одномодовых когерентных состояний, то есть у сигнала малой мощности нет готового дополнительного опорного когерентного сигнала и нет опорной нулевой фазы; низкая спектральная эффективность и неустойчивость к внешним условиям, оказывающим воздействие на оптическое волокно.
Известно устройство квантовой рассылки симметричной битовой последовательности на поднесущей (боковой) частоте модулированного излучения [Патент RU2454810C1, дата приоритета 24.11.2010. МКИ: H04L 9/08], являющееся наиболее близким к описываемому. Так как здесь применяются многомодовые когерентные состояния, фаза несущей моды принимается за опорную, само же наличие согласованной несущей моды в квантовом канале обеспечивает дополнительную защиту от атак вида расщепления фотонов, так как можно обеспечивать дополнительный мониторинг интенсивности. В блоке получателя основной составляющей частью является крупногабаритный детектор одиночных фотонов (ДОФ), поэтому мощность принимаемых сигнальных импульсов остается достаточно малой. Данное устройство можно принять как прототип заявленного решения. Упомянутый ДОФ является существенным недостатком, препятствующий получению технического результата, который обеспечивается заявляемым изобретением.
ДОФ также не только крупногабаритны, но и сложны в производстве, в то время как балансный вычитающий детектор с низким уровнем шума может быть собран из стандартного телекоммуникационного оборудования.
Настоящее изобретение разрабатывается на основе существующей установки квантовой рассылки симметричных битовых последовательностей на поднесущих частотах модулированного излучения. Техническая часть передающего модуля остается неизменной, в то время как принимающий модуль переработан. То есть решается задача по усовершенствовании существующей технологии посредством изменения принципов работы принимающего модуля. В терминах упрощенной теоретической модели работа системы описывается следующим образом:
— отправитель генерирует немодулированное лазерное излучение с помощью источника когерентного излучения;
— отправитель посредством фазовой модуляции генерирует многомодовое когерентное состояние, записывая в его фазе квантовую информацию;
— отправитель осуществляет отправку состояния через квантовый канал;
— получатель на принимающей стороне проводит повторную фазовую модуляцию, в результате которой существенная часть энергии переходит из центральной моды в поднесущие, то есть осуществляется процесс интерференции, аналогичный тому, что наблюдается в классическом гомодинировании — в случае конструктивной интерференции на несущей частоте будет меньше энергии, чем в совокупности на поднесущих частотах, и наоборот — при деструктивной;
— сигнал на поднесущих частотах и сигнал на центральной частоте разделяются с помощью спектральной фильтрации и оптического циркулятора по двум каналам, ведущим к плечам вычитающего оптического балансного детектора;
— осуществляется процесс детектирования и мониторинг уровня получаемого напряжения (варианты: положительное, отрицательное, близкое к нулю), после чего полученный сигнал оцифровывается, в результате получатель получает битовую последовательность, закодированную отправителем;
— для синхронизации работы блоков отправителя и получателя используется блок синхронизации, использующий классическое оптическое излучение и SPF-модули.
Техническим результатом является уменьшение размеров принимающего модуля, снижение стоимости конечной системы, и повышение уровня его ремонтопригодности, так как вычитающий балансный детектор представляет собой стандартный телекоммуникационный элемент.
Заявленное устройство делится на сторону отправителя и получателя. Сторона отправителя содержит источник когерентного излучения, оптический изолятор, оптический фазовый модулятор и аттенюатор. Генератор управляющих напряжений (ГУН) соединен с ЭВМ через программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС). С другой стороны, ГУН подсоединен к модулятору электрического сигнала через устройство фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Кроме того, этот фазовый модулятор соединен с ПЛИС, которая, помимо всего прочего, подключена к модулю стандарта SFP (SFP-модулю) и аттенюатору.
Сторона получателя содержит два поляризационных светоделителя и два фазовых модулятора, подключенных к каждому из выходных портов одного поляризационного светоделителя, а также к двух входным портам другого. На стороне получателя также установлен циркулятор, отводящий излучение, отраженное от спектрального фильтра, через второй выходной порт. Балансный детектор, также содержащийся в схеме, является покупным изделием и отдельно не рассматривается. Детектор подключен к анализатору сигнала, который, в свою очередь, соединен с ЭВМ.
Управляющие пользовательские модули содержат SFP-модули. Для синхронизационного сигнала установлен фильтр низких частот.
Дополнительные особенности устройства будут изложены в последующем описании, способ работы будет также конкретизирован далее и подкреплен математическими выкладками. Преимущества изобретения будут реализованы и достигнуты устройством изобретения, изложенном в письменном описании и формуле изобретения, а также на прилагаемых чертежах.
Описания заявленного устройства подаются в пояснительной форме и направлены на объяснение основных принципов работы изобретения и уточнение его отличий от ранее заявленных подобных изобретений.
Чертеж иллюстрирует функциональную схему заявленного устройства.
Изобретение реализует генерацию, передачу и прием квантовой информации, содержащейся в фазе многомодовых когерентных состояний, по волоконному квантовому каналу. Устройство разработано таким образом, что может быть собрано из стандартного телекоммуникационного оборудования. Ниже рассматриваются математическая модель системы в упрощенном классическом виде и оптическая схема.
Как показано на чертеже, заявляемое устройство состоит из стороны отправителя битовой последовательности и принимающей стороны. Сторона отправителя содержит оптически сопряженные (оптические каналы изображены толстым пунктиром) источник когерентного излучения (1), оптический изолятор (2), оптический фазовый модулятор излучения (3) и аттенюатор (4). ЭВМ (5) соединена с ПЛИС (6), которая, в свою очередь, подключена к генератору управляющих напряжений (7). Сигнал генератора управляющих напряжений (7) подается на устройство фазовой автоподстройки частоты (8), после чего поступает на фазовый модулятор электрического сигнала (9). Кроме того, этот фазовый модулятор соединен с ПЛИС (6). ПЛИС (6) подает сигнал на SFP-модуль (10) и аттенюатор (4).
После прохождения аттенюатора (4) излучение посылается на сторону получателя. Излучение разделяется на поляризационном светоделителе (11), после чего каждая часть излучения проходит соответственно фазовые модуляторы (12) и (13). Затем фазово модулированные составляющие излучения соединяются вновь на поляризационном светоделителе (14). Далее излучение проходит через циркулятор (15), поступает на спектральный фильтр (16). Часть излучения проходит фильтр и поступает на первое плечо (17а) балансного детектора (17). Другая же часть излучения отражается на спектральном фильтре (16), проходит через циркулятор (15) и поступает на второе плечо (17б) балансного детектора (17). После чего сигнал с балансного детектора поступает на анализатор сигнала (18). Анализатор сигнала посылает результат обработки на ЭВМ (19).
Управляющая данным процессом электрическая часть у получателя выглядит следующим образом. Сигнал для синхронизации, который отправитель посылает через модуль стандарта SFP (10), приходит на SFP-модуль (20) получателя. Синхронизационный сигнал проходит фильтр низких частот (21) и поступает на генератор управляющих напряжений (22) и ПЛИС (23). С помощью устройства ФАПЧ (24) на электрическом фазовом модуляторе (25) формируется модулирующий сигнал.
Устройство работает следующим образом. Источник когерентного излучения (1) генерирует световой пучок, проходящий через защищающий от отраженного света лазер оптический изолятор (2). Затем излучение модулируется на электрооптическом фазовом модуляторе (3) синусоидальным сигналом с внесенной отправителем фазой. Для получения модулирующего сигнала ГУН (7) генерирует колебания на тактовой частоте, которое используется для синхронизации системы. Сигнал от ГУН (7) подается на ФАПЧ (8), на котором с помощью умножения частоты получают выходной сигнал на частоте модуляции. Затем данный сигнал поступает на электрический фазовый модулятор (9), на котором вносится одна из четырех фаз с помощью модулирующего сигнала от ПЛИС (6). Данный сигнал выступает модулирующим в фазовой модуляции излучения в (3). В таком случае информация о фазе находится в так называемых боковых частотных полосах, амплитуда которых должна быть много меньше амплитуды центральной полосы. То есть мощность излучения должна быть такова, чтобы на боковых частотах на один бит приходилось в среднем меньше одного фотона. Необходимые мощности достигаются с помощью аттенюатора (4), управляемого с помощью ПЛИС (6).
Для компенсации поляризационных искажений излучения поступающий от отправителя сигнал делится на поляризационном светоделителе (11), после чего обе части излучения проходят на соответственно оптически сопряженные фазовые модуляторы оптического излучения (12) и (13). Аналогично, получатель проводит фазовую модуляцию синусоидальным сигналом на той же частоте с одной из четырех возможных фаз из двух наборов: {0, π} и {π/2, 3π/2}, соответственно. Индекс модуляции выбирается так, чтобы мощность излучения на центральной частоте была сопоставима с мощностью излучения на боковых частотах. Электрическое поле в результате двойной модуляции представимо через разложение Якоби-Ангера и выглядит следующим образом:
Figure 00000001
(1)
где E 0 — амплитуда исходного поля;
ω — частота исходного сигнала;
Ω — частота модулирующего сигнала;
m a , m b — индексы модуляции соответственно отправителя и получателя;
φa ,φb — фазы, заданные соответственно на модуляторах отправителя и получателя;
J k (m) — функция Бесселя первого рода;
m1 = (ma + mb) cos(Δφ/2);
m2 = (ma - mb) sin(Δφ/2);
Ψ = Ωt + (φa + φb)/2;
Δφ — фазовая задержка.
Затем обе части соединяются на светоделителе (14) и поступают на циркулятор (15). Далее излучение делится на спектральном фильтре (16) так, чтобы излучение на боковых частотах проходило фильтр и поступало на первое плечо (17а) балансного детектора (17), а излучение на центральной частоте отражалось, и через циркулятор (15) поступало на второе плечо (17б) балансного детектора. Соответственно, поля в верхнем и нижнем плечах детектора соответственно представимы как:
Figure 00000002
(2а)
Figure 00000003
(2б)
Выходное напряжение в отсутствие дополнительных шумов есть:
Figure 00000004
(3)
где G — коэффициент усиления встроенных в схему детектора усилителей;
R(λ) — чувствительность фотодиодов.
Результат с балансного детектора приходит на анализатор сигнала (18), после чего информация о фазе поступает на ЭВМ (19).
Для синхронизации пользователей ПЛИС отправителя посылает через SFP-модуль (10) синхронизационный сигнал, который получатель принимает на SFP-модуле (20). Сигнал синхронизации проходит фильтр низких частот (21), затем поступает на ГУН (22) и на ПЛИС (23) получателя. Аналогично стороне отправителя, модулирующий сигнал для оптических фазовых модуляторов получается с помощью умножения синхронизационного сигнала на ФАПЧ (24), в который на фазовом модуляторе электрического сигнала (25) вносится одна из четырех возможных фаз, которая поступает на модулятор (25) от ПЛИС (23).

Claims (1)

  1. Устройство квантовой рассылки симметричных битовых последовательностей, содержащее блок отправителя, включающий в себя соединенные посредством волоконно-оптического тракта источник когерентного излучения, оптический изолятор, оптический фазовый модулятор и аттенюатор, а также блок получателя, состоящий из входного делителя света по поляризации, двух оптических фазовых модуляторов, соединяющего излучение делителя света по поляризации, оптического циркулятора и спектрального фильтра, осуществляющего разделение и направление оптического излучения в соответствующие плечи балансного детектора, кроме того, блок отправителя включает в себя ЭВМ и подключенную к ней ПЛИС, к ПЛИС на стороне отправителя подключены генератор управляющих напряжений (ГУН) и вход электрического фазового модулятора, выход которого подключен к оптическому фазовому модулятору, кроме того, к электрическому фазовому модулятору подключено устройство фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), которое в свою очередь сопряжено с генератором управляющих напряжений, также ПЛИС соединена c модулем стандарта SFP отправителя, который, в свою очередь, по волоконно-оптической линии связи соединен с модулем стандарта SFP блока получателя, блок получателя также включает в себя ЭВМ, сопряженную с ней ПЛИС, соединенные с ПЛИС фильтр низких частот и генератор управляющих напряжений, к генератору управляющих напряжений подключено устройство фазовой автоподстройки частоты, выходы которого подключены к электрическому фазовому модулятору, который также подключен к оптическим фазовым модуляторам в блоке получателя, кроме того, в блоке получателя присутствует анализатор сигнала, сопряженный с ЭВМ и выходом балансного детектора.
RU2020130399A 2020-09-15 2020-09-15 Устройство квантовой рассылки симметричной битовой последовательности на поднесущей частоте модулированного излучения с гомодинным методом приема RU2758709C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020130399A RU2758709C1 (ru) 2020-09-15 2020-09-15 Устройство квантовой рассылки симметричной битовой последовательности на поднесущей частоте модулированного излучения с гомодинным методом приема

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020130399A RU2758709C1 (ru) 2020-09-15 2020-09-15 Устройство квантовой рассылки симметричной битовой последовательности на поднесущей частоте модулированного излучения с гомодинным методом приема

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2758709C1 true RU2758709C1 (ru) 2021-11-01

Family

ID=78466803

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020130399A RU2758709C1 (ru) 2020-09-15 2020-09-15 Устройство квантовой рассылки симметричной битовой последовательности на поднесущей частоте модулированного излучения с гомодинным методом приема

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2758709C1 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6272224B1 (en) * 1997-05-06 2001-08-07 France Telecom Method and apparatus for quantum distribution of an encryption key
US20040086280A1 (en) * 2000-12-12 2004-05-06 Laurent Duraffourg System for secure optical transmission of binary code
RU2302085C1 (ru) * 2005-11-16 2007-06-27 Институт физики твердого тела РАН Способ кодирования и передачи криптографических ключей
RU2454810C1 (ru) * 2010-11-24 2012-06-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" ("НИУ ИТМО") Устройство квантовой рассылки криптографического ключа на поднесущей частоте модулированного излучения
CN105024809A (zh) * 2015-07-22 2015-11-04 上海交通大学 基于高斯调制相干态的长距离连续变量量子密钥分发方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6272224B1 (en) * 1997-05-06 2001-08-07 France Telecom Method and apparatus for quantum distribution of an encryption key
US20040086280A1 (en) * 2000-12-12 2004-05-06 Laurent Duraffourg System for secure optical transmission of binary code
RU2302085C1 (ru) * 2005-11-16 2007-06-27 Институт физики твердого тела РАН Способ кодирования и передачи криптографических ключей
RU2454810C1 (ru) * 2010-11-24 2012-06-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" ("НИУ ИТМО") Устройство квантовой рассылки криптографического ключа на поднесущей частоте модулированного излучения
CN105024809A (zh) * 2015-07-22 2015-11-04 上海交通大学 基于高斯调制相干态的长距离连续变量量子密钥分发方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107222263B (zh) 一种基于相干光频梳的微波光子收发信机
CN108365896B (zh) 基于双驱动pdm-mzm的微波光子下变频方法
US7006726B2 (en) Method and apparatus for optical division of a broadband signal into a plurality of sub-band channels
US20090214224A1 (en) Method and apparatus for coherent analog rf photonic transmission
US10693563B2 (en) Coherent optical receiver
JP2017073729A (ja) 光再変調装置および光再変調方法
JP2008153863A (ja) コヒーレント光受信機
CN113098618B (zh) 一种双频段相位编码信号的光学生成方法
WO2011107055A2 (zh) 基于微波光子技术的信号接收装置和信号接收方法
CN109818680B (zh) 微波光子宽带射频收发方法及装置
CN104202090B (zh) 基于光学相位共轭的微波信号长距离光纤稳相传输装置
CN109387833A (zh) 基于微波光子正交差频复用的mimo雷达探测方法及装置
CN106532421B (zh) 基于光学锁相环的双锁模激光器的多微波本振源产生系统
CN110677198A (zh) 超高速相干光信号偏振解复用和波长变换系统及控制方法
WO2012099914A1 (en) High spectral-purity carrier wave generation by nonlinear optical mixing
CN109981182A (zh) 一种四相位反射式相干光通信系统
WO2018198873A1 (ja) 光伝送方法および光伝送装置
Heffernan et al. 60 Gbps real-time wireless communications at 300 GHz carrier using a Kerr microcomb-based source
RU2758709C1 (ru) Устройство квантовой рассылки симметричной битовой последовательности на поднесущей частоте модулированного излучения с гомодинным методом приема
RU2758708C1 (ru) Устройство квантовой рассылки симметричной битовой последовательности на поднесущей частоте модулированного излучения с двойным гомодинным методом приема
US10425166B2 (en) Optical transmitter, optical transmission apparatus, and optical modulation method
CN215956390U (zh) 微波光子单光频率梳注入锁定的信道化接收装置
CN113612543B (zh) 微波光子单光频率梳注入锁定的信道化接收装置及方法
RU2758711C1 (ru) Устройство квантовой рассылки симметричной битовой последовательности на поднесущей частоте модулированного излучения с гетеродинным методом приема
Xie et al. Microwave channelizer based on polarization multiplexing and photonic image-reject mixing