WO2011036322A2 - Sistema de integración de canales con información cuántica en redes de comunicaciones - Google Patents

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WO2011036322A2
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Mercedes SOTO RODRÍGUEZ
David MENÉNDEZ GONZÁLEZ
José Antonio POZAS ÁLVAREZ
Vicente MARTÍN AYUSO
Daniel Lancho Lancho
Jesús MARTÍNEZ MATEO
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Telefonica, S.A.
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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
    • 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

Definitions

  • the present invention refers to a system of integration of channels with quantum information in communication networks, whose essential purpose is to provide technical means that facilitate the integration of classical channels and quantum in optical communications networks, with special applicability to quantum key distribution systems that generate cryptographic keys between two ends for secret communications.
  • the invention pertains to the field of communications, and specifically to the integration in passive optical networks (PON) of channels that carry quantum information.
  • PON passive optical networks
  • MAN metropolitan networks
  • FTTx access networks
  • TDM-PON time division access networks
  • WDM-PON frequency division access networks
  • quantum channels such as a quantum key distribution system within the metropolitan and access networks
  • Quantum bits An information communication system through quantum channels is one that uses the physical properties imposed by quantum mechanics as a means of encoding information. In this way, you can transmit all kinds of information between two points.
  • QKD quantum key distribution systems
  • quantum particles use the information encoded in quantum particles to generate cryptographic keys between two extremes. Normally these particles are known as qubits (Quantum bits).
  • a quantum key distribution system consists of two teams that exchange a key using a protocol based on the principles of quantum physics [1, 2, 3, 4].
  • the ends of a QKD system (Alice and Bob) are connected through two communication channels: one quantum or private, and another public or conventional.
  • the transmission medium commonly used for the quantum channel is the optical fiber and the physical element used for qubit coding is the photon [5].
  • a QKD system In addition to sending information through the quantum channel, a QKD system requires the exchange of information in a conventional way for the reconciliation, correction and distillation of a key.
  • the reconciliation of the key exchanged through the quantum channel is the process by which the ends of a QKD system exchange information about the bases used in the coding and decoding of the qubits transmitted by the quantum channel. After the reconciliation of the code, it must be corrected in order to avoid possible discrepancies in the code due to errors produced during the exchange at the quantum level.
  • the key correction produces the first identical key at both ends of the communication and requires an error correction protocol that publishes key information through a conventional channel [6].
  • the error rate produced in a QKD system is called QBER [5].
  • the distillation of a secret key at both ends of the communication requires the exchange of additional information through the public (or conventional) channel in the privacy amplification phase [7, 8].
  • Communication in the channels that join the ends of a quantum information exchange system, quantum and conventional channels, can be done through the same medium using time division modulation (TDM) or frequency division (WDM) modulation techniques. Modulation techniques also allow the use of other communication channels and, therefore, the integration of these systems into conventional communication systems.
  • TDM time division modulation
  • WDM frequency division modulation
  • the transmission of signals is carried out on different channels and simultaneously, allowing the increase in the volume of information transmitted in the same medium per unit of time.
  • the increase in the capacity of transmission of the medium is especially interesting to, at least, be able to expedite the communications required by the protocols used in QKD, such as the reconciliation of bases, error correction and amplification of privacy, although there are alternatives for the key distillation, such as LDPC codes, which allow reducing network traffic between the ends of a QKD system.
  • the two standards for frequency multiplexing in an optical transmission channel, depending on their distance between channels, are: Coarse and Dense WDM (CWDM and DWDM respectively).
  • PON passive optical networks
  • Metropolitan PON networks are generally built following a ring-shaped topology in which different nodes are located.
  • the signals that reach each node can pass through it, or be diverted to an outgoing path depending on the frequency of the incoming signal.
  • This routing of the information is carried out thanks to the frequency multiplexing of different communication channels, using CWDM or DWDM technologies for example, which allows maintaining the passive nature of these networks, and therefore, the information transmitted to through a quantum channel.
  • Each of the nodes of a metropolitan network is usually connected to one or more access networks.
  • each node there is a multiplexer that separates all the channels that arrive through the fiber.
  • it has another multiplexer in which the output channels are joined by frequency multiplexing to travel through the fiber to the next node.
  • PON access networks are communications networks intended to connect end users with a global communications network. Access networks are also known as last mile networks.
  • Its structure consists of a device that is located in the central of the provider responsible for managing communications with users (known as OLT, Optical Line Terminal, in ITU nomenclature).
  • This device is connected to a single fiber optic line shared by all network users. This line is connected at its other end with a distributor, which separates the channels and sends them to each user through a dedicated and exclusive fiber optic line for each of them.
  • ONT Optical Network Terminal
  • ITU nomenclature Optical Network Terminal
  • ONU Optical Network Unit
  • the channels that propagate from the provider's central office to the user are known as down channels, while those that propagate in the opposite direction are known as up channels.
  • TDM-PON networks use a line sharing technique between users by division over time. This means that each user is dynamically assigned temporary spaces in which the optical medium will be available to send and receive information through it. In this way, in an instant of time the optical medium is only in use by an end user, avoiding collisions of the signals.
  • the structure of an example of this type of networks can be seen in Fig. 5. In it you can see the different components that make up the network.
  • WDM-PON networks allow different users to share the same medium by dividing the transmitted signals by frequency multiplexing. Each user can have an individual channel so that all users of a WDM-PON network can be sending and receiving information at the same time through a single access network.
  • FIG. 6 An example of this type of networks can be seen in Fig. 6.
  • the figure also shows its structure and the different components that make up the network.
  • the simultaneous transmission of information through different communication channels can interfere with the channels that carry quantum information when simultaneity is performed by frequency modulation (WDM).
  • WDM frequency modulation
  • Some of the physical effects that can cause this interference are scattering and intermodulation effects, such as the four-wave mix (FWM), which we describe below.
  • Dispersion In optical communications there are mainly two types of dispersion that can affect the communications of a channel that carries quantum information, elastic dispersion or Rayleigh and inelastic or Raman. The first generates photons at the same frequency but in the opposite direction of the pulse. In this way, it corresponds to the quantum communication systems to solve it. In our case, the effect that worries us in systems with WDM is of the second type, known as Raman Scattering.
  • the transmitted pulses generate photons at frequencies other than the original ones.
  • This causes frequencies other than those used for a quantum channel can cause the appearance of photons in that channel, interfering in the communication of quantum information.
  • This effect occurs with an intensity directly proportional to the distance traveled by the signals in the transmission medium, in addition to depending on the composition of the same and the power of the original pulse.
  • the effect does not occur with equal intensity throughout the spectrum, but is greater at the nearby frequencies and slightly higher at the higher frequencies.
  • the interference in the quantum channel translates into an increase in the error rate in that channel, which limits the use of such channels.
  • APD Avalanche Photo-Diode.
  • FFTx Fiber To The Home, Kerb, Building.
  • ROADM Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer
  • TDM-PON Time-Division Multiplexing PON.
  • VOA Variable Optical Attenuator
  • WDM-PON Wavelength-Division Multiplexing PON.
  • the invention consists of a channel integration system with quantum information in communication networks, applicable in passive optical networks (PON) that can support classic telecommunication channels and channels quantum; at least one quantum key distribution system (QKD) that generates cryptographic keys between two ends for secret communications may be included in the quantum channels; where the PON network includes fiber optic segments and conventional equipment, while the QKD system has a first information exchange device through a quantum channel and a second information exchange device through a quantum channel.
  • PON passive optical networks
  • QKD quantum key distribution system
  • the system thereof comprises at least one filter for each of the said information exchange devices by means of a quantum channel and at least one management block of classical and quantum channels in the whole of said integration system.
  • this management block being a noise reduction device in quantum channels that has at least functions of:
  • said filter is a narrowest pass-band filter possible for the corresponding application.
  • said filter consists either of a device that in addition to the quantum channel filter includes means for joining channels in the fiber optic segments or in a single filter that is inserted in the quantum channel
  • said management block has, in addition to the aforementioned functions, the function of temporary disconnection of certain classic channels having low priority.
  • the management block uses frequency bands other than commercial ones for multiplexing quantum channels with conventional channels; using specific frequency ranges with less noise for quantum channels by taking advantage of the optical characteristic of the AWG through which the signal assigned to that channel and its periodic pass through each channel.
  • the management block introduces the quantum channels in a period different from that of the BLS band (broadband light ) and different from that of the downlink band (band offset from the BLS used in transmission signals for a direction of downward communication).
  • the quantum signal emission is used throughout the frequency range of said period other than that of the BLS bands and downstream bands; either using as many quantum channels as clients that at a fixed frequency cover that range, or with one or several quantum channels tunable in frequency and whose tuning is configurable.
  • that period other than that of the BLS and downstream bands is a period just prior to the period of said BLS band.
  • the system has a conventional equipment that includes at least one centralizing communications device, several user devices for communications management and a shared line distributor through wavelength assignments.
  • the management block has electronic control means with the function that the quantum information exchange devices make exclusive use of temporary slices for their exchanges , acting as a classic time-multiplexed channel.
  • a channel of 1550 nm can be used as a quantum channel, or another that is in a window of maximum transparency of the optical fiber or of minimum disruption by noise generated by classic channels
  • the system in addition to the filter and management block characteristic of the invention, includes conventional equipment that has at least one centralizing communications device, several user devices. for communications management and a shared line splitter (Splitter).
  • splitter shared line splitter
  • the system has conventional equipment that includes at least routing switches (switches), WDM multiplexers, multiplexers management of channels and transmitting and receiving devices of classical channels (transponders).
  • switching switches switches
  • WDM multiplexers multiplexers management of channels
  • transmitting and receiving devices of classical channels transponders
  • the attenuation of the insertion power of the classical channels carried out by the management block is applied in each case with the criterion of equalizing the distance between the ends of the quantum system with the maximum distance to which the system equipment can be connected, with that power attenuation, in the PON network.
  • the intensity and frequency with which effects such as Raman Scattering and FWM are reproduced depends on the power of the signal transmitted by each of the multiplexed channels.
  • the emission power of the transmitted signal depends on the maximum distance to which that signal is to be carried, and on that power the impact of the interference effects on the quantum channels used depends.
  • the reduction of the power at which the signals transmitted through the multiplexed communication channels are emitted supposes a decrease of the maximum distance at which a signal can be transmitted in a conventional channel.
  • the reduction of the emission power supposes a decrease of the impact of said signal on the rest of the channels, while the selection of the frequency of the classic channels prevents the appearance of intermodulation effects of signals at the frequencies used through quantum channels.
  • the use of fine filtering at the destination of quantum channels allows them to be isolated from noise; and using different polarizations for the quantum and classical channels also helps avoid unnecessary noise in the quantum channels, thereby increasing the quantum information exchanged correctly, the present invention being based on all of this.
  • the invention proposes the use of the wavelength distributor periodicity to use a specific frequency range with a smaller noise like quantum channels. Consequently, the use of quantum information systems in PON networks is compatible with the use of simultaneous WDM channels, assuming some limitations in conventional channels in terms of power, used channels and polarizations; applying the power limitation so as to minimize the separation between the maximum distances to which the equipment of a PON network can be connected and the ends of a quantum system.
  • the invention mainly emphasizes the reduction of power of the classic channels so that the error rate in them is not significantly increased.
  • intermodulation effects in the quantum channels are avoided.
  • Such quantum channels should be as far as possible at selected frequencies to minimize disruption effects, the effects of channel filtering and the different polarization of classical and quantum channels being also important in these metropolitan networks.
  • TDM-PON networks In TDM-PON networks, the power control in the channels, the use of filtering and the different polarization of the classical and quantum channels have a noise attenuating effect that occurs in the quantum channels.
  • FWM control measures since the number of classic channels in the currently existing standards is two.
  • this specific scenario there is the possibility that when necessary quantum information equipment can make exclusive use of temporary slices for their exchanges, acting as a conventional time-multiplexed channel.
  • the solution provided by the invention involves taking advantage of the optical characteristic of the AWG, according to which the signal assigned to that channel and its periodic pass through each channel. Said solution is used in conjunction with those provided by the invention for TDM-PON access networks in terms of channel management, for power control and polarization thereof.
  • the most relevant advantages of the system of the invention are related to the fact of increasing the efficiency in the joint use of PON networks and quantum information transmission systems.
  • said quantum channel could be the 1550 nm channel, in the case of GPON, a channel that is for CATV or IPTV use, or any other channel that is in the window of maximum -In ⁇ transparency of the fiber or of the minimum disruption by the noise generated by classic channels; another advantage consisting in the possibility of reserving temporary slices for the exclusive use of quantum channels.
  • Figure 1 Schematically represents a first embodiment of a channel integration system with quantum information in communications networks carried out according to the present invention, where the network is a TDM-PON technology access network and the channel with quantum information is a QKD system.
  • Figure 2. Schematically represents a second embodiment of a channel integration system with quantum information in communications networks carried out according to the present invention, where the communication network is a WDM-PON access network and the channel with quantum information is a QKD system.
  • Figure 3 Schematically represents a third embodiment of a channel integration system with quantum information in communications networks made according to the present invention, where the network is a metropolitan network with two nodes and PON technology, while the quantum channel is a QKD system.
  • Figure 4. Schematically represents a fourth embodiment of a channel integration system with quantum information in communications networks, where the network is a metropolitan network of three MAN nodes and the quantum channel is a QKD system.
  • Figure 5. Schematically represents the current state of the art for a conventional communications system that uses the structure of a TDM-PON network.
  • Figure 6. Schematically represents the current state of the art for a conventional communications system that uses the structure of a WDM-PON network.
  • Figure 7. Schematically represents the current state of the art for a conventional communications system that employs a metropolitan network with three nodes of PON technology.
  • figures 1 to 4 have been developed respectively that represent the different scenarios in which the invention may be applicable, both for metropolitan networks, and for access networks, taking into account It counts the different technologies that we can find in each of the proposed scenarios.
  • Block 5 is the component intended for the management of both conventional and quantum channels, and can be seen applied in these figures 1 to 4.
  • Said management block 5 is a component that decides the wavelengths assigned to each classical channel and each quantum channel, as well as the power of the classic channels. The decision criteria for their functions are based on the need to reduce the noise of the quantum channels, so that their communication is more efficient. To do this, this management block 5 performs the following tasks:
  • each quantum channel has as narrow a band-pass filtering as possible, serving this as an added measure to minimize noise, either by device 6 or by filter 14.
  • management block 5 may reserve temporary slices exclusively for quantum channels, so that during this time only these are running on the line, that number of slices being variable depending on the scenario.
  • the manufacturers of WDM-PON devices use a band for the broadband light signal that carries the seed signals for the user devices, so that they can be connected to any channel interchangeably.
  • the control unit emits the upstream channels in the same bands as the BLS (broadband light), while the downstream transmission signals are emitted in a displaced band a period from that of the BLS, so that the distributor allows the passing these signals in the opposite direction.
  • the invention applied in a WDM-PON access network, such as that of Figure 2, provides the introduction of channels with quantum information in a period other than that of the BLS band and the downlink, taking advantage of the same property as allows multiplexing said two bands.
  • the problem of multiplexing quantum channels with the classics in the most efficient way possible is solved.
  • the use of the issuance of the quantum signal over the entire range of the chosen period can be done either with as many quantum channels as fixed frequency clients cover that range, or with one or several quantum channels tunable in frequency and whose tuning is configurable.
  • the number of these tunable channels to use will depend on their characteristics in terms of how many channels it covers and the number of channels the distributor has, that is, the entire range to be covered.
  • the communication made in a TDM-PON access network (according to current standards) is modulated in three frequencies that use WDM technology to coexist on the line, which allows the simultaneous use of all three following channels:
  • a video channel that transmits from the central to the users is the one that has been used as a quantum channel for communication between the first and second information exchange devices using quantum channels referenced as 7 and 8 respectively.
  • a download channel (downstream) that goes from the central to the different user devices. This signal is divided as it passes through the
  • TDM time division modulation
  • the main intermodulation effect that can affect the quantum channel is Raman dispersion, since there are not enough conventional channels to generate intermodulation interference.
  • TDM-PON The generic components of the access network (TDM-PON) are:
  • Centralizing device 1 located in the central of the service provider, centralizes all communications with the users and is responsible for assigning the temporary slices to each user.
  • User device 2 located at each user's premises, is responsible for managing communications with the central service provider.
  • Divider 4 (Splitter). It is a splitter that connects the shared line (coming from the exchange) with each individual user line.
  • the management block 5 which is the device that manages both the quantum and the classical channels and which constitutes the essential element of the invention.
  • the joining device 6 which is a connecting element of channels in the fiber with incorporation of a filter for the quantum channel.
  • a device on the side of the service provider centralizing device 1
  • a device on the client side user device 2
  • an optical fiber between the two or fiber optic segment 3 and finally a third distributor device 9 located in the fiber between the central and the users.
  • the distributor 9 is the device that allows multiplexing / demultiplexing all corresponding channels and directing each one to a different client. Thus, if distributor 9 has capacity for n customers, with a central office, it can simultaneously serve users.
  • the distributor 9 also has the property that a signal with wavelength ⁇ and all its periodic ⁇ - ⁇ (according to its own T period defined in its manufacture) are demultiplexed by the same channel of distributor 9. With respect to the signals emitted in WDM-PON there is a broadcast band for the upstream channels and another one for the downstream channels. The upload channels are broadcast from the users to the central service provider, and the reverse channels in reverse.
  • Centralizing device 1 located in the central of the service provider, which centralizes all communications with the users and is responsible for assigning the temporary slices to each user.
  • User device 2 located in the premises of each user, which is responsible for managing communications with the central service provider.
  • Distributor 9 that connects the shared line (from the exchange) with each individual user line.
  • the distribution is based on wavelengths, dividing the band intended for users among all user lines, and thus assigning a wavelength and all periods to each line.
  • First and second exchange devices 7 and 8 are the devices that carry out the exchange of information through the quantum channel; Y
  • Management block 5 which is the device that manages both quantum and classic channels, being the essential element of the invention.
  • Bonding device 6 consisting of a fiber bonding element that incorporates a filter for the quantum channel.
  • Figure 7 shows a metropolitan network with three nodes according to the current state of the art, showing a routing that uses ROADM technology, where three nodes intervene in the communication and presenting the following components:
  • Routing switch 10 which is responsible for switching an incoming signal. Depending on your configuration, you can extract the signal that reaches the module (add-drop operation) or allow it to pass through the corresponding module or block without being diverted (pass-through operation).
  • WDM multiplexer 11 that performs an add-drop of the quantum channel with respect to the rest of the channels.
  • FIG 3 corresponding to the third embodiment of the invention, shows a configuration of a metropolitan network with two nodes and transmission of a quantum channel, which uses the components of Figure 7 of the prior art described above.
  • two nodes are represented by way of example following the architecture of a metropolitan network based on PON technology, so that each of the nodes connects the equipment of a quantum information transmission system, used to exchange keys for encryption, according to this third embodiment of the invention.
  • These nodes are communicated through a fiber optic line 3.
  • the core of each node is It basically consists of a switch and an add-drop that form a ROADM routing system. Thus, using the add-drop one or more channels identified by preset wavelengths are extracted in each of the nodes.
  • Each of these channels is usually used to transmit a signal in one direction or another.
  • each of the channels is used for a different purpose.
  • one of the channels is used in a conventional manner, while the other will be used as a quantum channel for key exchange.
  • the addressing is done by switching two possibilities: the add-drop of the channel, or the pass-through of it.
  • FIG 4 corresponding to the fourth embodiment of the invention, a metropolitan network with three nodes and transmission of a quantum channel is represented.
  • An example of routing using ROADM technology is shown in this figure 4, where three nodes intervene in the communication, so that two of these nodes coincide with the ends of a QKD system, and the communication crosses a third (intermediate) node that does not interferes with those exchanged by extreme nodes.
  • the known components that appear in figure 4 are those referenced as 3 and 10 to 13 as explained above for figure 7; while the components added by the The invention in this figure 4 for the integration of quantum channels consists of a management block 5 of the quantum and classical channels to be used in the scenario of this fourth embodiment and a filter 14 for the quantum channel.

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Abstract

Sistema de integración de canales con información cuántica en redes de comunicaciones. La red incluye segmentos de fibra óptica (3) y equipamiento convencional (1, 2, 4), mientras que un sistema de distribución cuántica de claves (QKD) dispone de dispositivos de intercambio de información mediante canal cuántico (7, 8). El sistema comprende al menos un filtro (6) para cada uno de los referidos dispositivos de intercambio (7, 8) y al menos un bloque de gestión de canales clásicos y cuánticos (5) que reduce el ruido en canales cuánticos y que presenta al menos funciones de: atenuación de la potencia de inserción de los canales clásicos en la red; polarizaciones distintas en los diversos canales clásicos y cuánticos; y cambios de asignaciones de longitudes de onda tanto en canales clásicos como cuánticos.

Description

SISTEMA DE INTEGRACIÓN DE CANALES CON INFORMACIÓN CUÁNTICA
EN REDES DE COMUNICACIONES OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención, tal y como se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a un sistema de integración de canales con información cuántica en redes de comunicaciones, cuya finalidad esencial es proporcionar unos medios técnicos que faciliten la integración de canales clásicos y cuánticos en redes ópticas de comunicaciones, con especial aplicabilidad a sistemas de distribución cuántica de claves que generan claves criptográficas entre dos extremos para comunicaciones secretas.
La invención pertenece al campo de las comunicaciones, y en concreto a la integración en redes ópticas pasivas (PON) de canales que transportan información cuántica. Dentro de las redes PON, se pueden diferenciar dos grupos: las redes metropolitanas (MAN) y las redes de acceso (FTTx) . A su vez, dentro de las redes PON de acceso se puede dar una división en dos subgrupos, consistentes en las redes de acceso por división en el tiempo (TDM-PON) y las redes de acceso por división en frecuencia (WDM-PON) . La invención es aplicable a todos los tipos de redes (PON) que se acaban de citar.
Es objeto de la invención el integrar un sistema de transporte de información mediante canales cuánticos, como por ejemplo un sistema de distribución cuántica de claves dentro de las redes metropolitanas y de acceso, de la manera más eficiente y menos intrusiva posible, logrando el menor número de cambios en las infraestructuras de red.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Un sistema de comunicación de información mediante canales cuánticos es aquel que utiliza las propiedades físicas impuestas por la mecánica cuántica como medio para la codificación de información. De este modo, se puede transmitir todo tipo de información entre dos puntos. En concreto, en este documento se hace referencia explícita a los sistemas de distribución cuántica de claves (QKD) , los cuales utilizan la información codificada en partículas cuánticas para generar claves criptográficas entre dos extremos. Normalmente estas partículas se conocen como qubits (Quantum bits) .
Un sistema de distribución cuántica de claves consiste en dos equipos que intercambian una clave utilizando un protocolo basado en los principios de la física cuántica [1, 2, 3, 4] . Nos referiremos a cada uno de esos equipos (los extremos de un sistema QKD) con los nombres anglosajones de Alice y Bob respectivamente; habiéndose referenciado como 7 y 8, también respectivamente, en las figuras de esta memoria. Para que este intercambio se pueda llevar a cabo los extremos de un sistema QKD (Alice y Bob) están conectados a través de dos canales de comunicación: uno cuántico o privado, y otro público o convencional. El medio de transmisión comúnmente utilizado para el canal cuántico es la fibra óptica y el elemento físico utilizado para la codificación del qubit es el fotón [5] .
Además del envío de información a través del canal cuántico, un sistema QKD requiere del intercambio de información de forma convencional para la reconciliación, la corrección y el destilado de una clave. La reconciliación de la clave intercambiada a través del canal cuántico es el proceso por el cual los extremos de un sistema QKD intercambian información acerca de las bases utilizadas en la codificación y decodificación de los qubits transmitidos por el canal cuántico. Tras la reconciliación de la clave, esta debe ser corregida a fin de evitar las posibles discrepancias en la misma debido a los errores producidos durante el intercambio a nivel cuántico. La corrección de la clave produce la primera clave idéntica en ambos extremos de la comunicación y requiere de un protocolo de corrección de errores que publica información de la clave a través de un canal convencional [6] . La tasa de error producida en un sistema QKD se denomina QBER [5] . Finalmente, el destilado de una clave secreta en ambos extremos de la comunicación exige el intercambio de información adicional a través del canal público (o convencional) en la fase de amplificación de la privacidad [7, 8] .
La comunicación en los canales que unen los extremos de un sistema de intercambio de información cuántica, canales cuánticos y convencionales, puede realizarse a través del mismo medio utilizando técnicas de modulación por división en el tiempo (TDM) o división en frecuencias (WDM) . Las técnicas de modulación permiten también la utilización de otros canales de comunicación y, por lo tanto, la integración de éstos sistemas en sistemas de comunicación convencionales.
De las dos técnicas de modulación comentadas sólo en la modulación por división en frecuencias (WDM) la transmisión de señales se realiza en distintos canales y de forma simultánea, permitiendo el incremento del volumen de información transmitida en un mismo medio por unidad de tiempo. El incremento en la capacidad de transmisión del medio es especialmente interesante para, al menos, poder agilizar las comunicaciones requeridas por los protocolos utilizados en QKD, como son la reconciliación de bases, corrección de errores y amplificación de la privacidad, aunque existen alternativas para la destilación de claves, como son los códigos LDPC, que permiten reducir el tráfico de red entre los extremos de un sistema QKD. Los dos estándares para multiplexación en frecuencia en un canal de transmisión óptico, en función de su distancia entre canales, son: Coarse y Dense WDM (CWDM y DWDM respectivamente) .
Las redes ópticas comerciales construidas mediante tecnología pasiva, i.e. las redes ópticas pasivas (PON), permiten el uso de canales de comunicación cuánticos, debido a que las señales transmitidas en una red PON no se ven interceptadas por la presencia de componentes intermedios: repetidores, amplificadores, etc. Estos canales pueden convivir simultáneamente con otros canales mediante tecnologías de modulación por división en frecuencias .
Basadas en tecnologías PON encontramos tanto a las redes metropolitanas (MAN) como las redes de acceso.
Las redes PON metropolitanas son, por lo general, construidas siguiendo una topología en forma de anillo en el que se localizan distintos nodos. Las señales que llegan a cada nodo pueden atravesar el mismo, o ser desviadas hacia una ruta de salida en función de la frecuencia de la señal entrante. Este encaminamiento de la información se realiza gracias a la multiplexación en frecuencias de distintos canales de comunicaciones, utilizando tecnologías CWDM o DWDM por ejemplo, lo que permite mantener el carácter pasivo de estas redes, y por lo tanto, se mantiene inalterada la información transmitida a través de un canal cuántico.
Estas redes soportan grandes flujos de datos entre sus distintos nodos, que a su vez pueden estar separados por grandes distancias, lo que suele implicar el uso (por defecto) de altas potencias de emisión a la hora de comenzar una comunicación bajo tecnología PON.
Cada uno de los nodos de una red metropolitana suele estar conectado a una o mas redes de acceso.
La estructura de un nodo de red metropolitana se puede ver en la Fig. 7. En cada nodo existe un multiplexor que separa todos los canales que llegan a través de la fibra. Además, dispone de otro multiplexor en el que los canales de salida se unen mediante multiplexación en frecuencia para viajar por la fibra hasta el siguiente nodo. Mediante la configuración del nodo que decide la acción que debe realizar un conmutador, cada canal continúa hasta el siguiente salto o se redirige de manera que sale del anillo. Con los canales de entrada ocurre lo mismo, y mediante un conmutador se redirige a la fibra del anillo.
Las redes de acceso PON son redes de comunicaciones destinadas a la conexión de los usuarios finales con una red global de comunicaciones. Las redes de acceso son también conocidas como redes de última milla.
Su estructura consiste en un dispositivo que se sitúa en la central del proveedor encargado de gestionar las comunicaciones con los usuarios (conocido como OLT, de Optical Line Terminal , en nomenclatura ITU) . Este dispositivo está conectado a una única linea de fibra óptica compartida por todos los usuarios de la red. Esta linea se conecta en su otro extremo con un distribuidor, el cual separa los canales y los envia a cada usuario a través de una linea de fibra óptica dedicada y exclusiva para cada uno de ellos. En el extremo del usuario se conecta a un dispositivo encargado de centralizar las comunicaciones con el usuario y hacer de puente para la interfaz que éste utilice (conocido como ONT, de Optical Network Terminal , en nomenclatura ITU, y ONU, de Optical Network Unit, en nomenclatura IEEE) . Esta estructura se puede observar en la Fig. 5 y en la Fig. 6.
A los canales que se propagan desde la central del proveedor hasta el usuario se les conoce como canales de bajada, mientras que a los que se propagan en sentido contrario se les conoce como canales de subida.
En concreto, las redes TDM-PON utilizan una técnica de compartición de la linea entre los usuarios por división en el tiempo. Esto quiere decir que a cada usuario se le asignan de manera dinámica unos espacios temporales en los que el medio óptico se encontrará disponible para enviar y recibir información a través del mismo. De esta manera, en un instante de tiempo dado el medio óptico tan solo está en uso por un usuario final, evitando colisiones de las señales. La estructura de un ejemplo de este tipo de redes se puede ver en la Fig. 5. En ella se pueden observar los distintos componentes que conforman la red.
Las redes WDM-PON permiten que distintos usuarios compartan un mismo medio mediante la división por multiplexación en frecuencias de las señales transmitidas. Cada usuario puede disponer de un canal individual de forma que todos los usuarios de una red WDM-PON pueden estar enviando y recibiendo información al mismo tiempo a través de una única red de acceso.
Un ejemplo de este tipo de redes se puede ver en la Fig. 6. En la figura se puede observar también su estructura y los distintos componentes que conforman la red .
La utilización de sistemas QKD de forma simultánea con otras comunicaciones se encuentra patentada desde 1994 [10], pero la aplicación de la multiplexación de canales sin un control de la potencia de los canales emitidos tiene importantes limitaciones en cuanto a la distancia máxima alcanzable en el intercambio de claves de los sistemas QKD. La puesta en práctica de los sistemas QKD dentro de las redes PON comerciales requiere del uso de una serie de componentes adicionales, asi como de la gestión de las configuraciones utilizadas en los canales convencionales para evitar efectos de interferencia sobre los canales cuánticos incorporados.
La transmisión simultánea de información a través de distintos canales de comunicación puede interferir sobre los canales que transportan información cuántica cuando la simultaneidad se realiza mediante modulación en frecuencias (WDM) . Algunos de los efectos físicos que pueden causar esta interferencia son la dispersión (scattering) y los efectos de intermodulación, como la mezcla de cuatro ondas (FWM) , que describimos a continuación. Dispersión. En comunicaciones ópticas existen principalmente dos tipos de dispersión que pueden afectar a las comunicaciones de un canal que transporte información cuántica, la dispersión elástica o Rayleigh y la inelástica o Raman . La primera genera fotones en la misma frecuencia pero en dirección opuesta al pulso. De esta manera, corresponde a los sistemas de comunicación cuánticos solventarla. En nuestro caso, el efecto que nos preocupa en los sistemas con WDM es del segundo tipo, conocido como Raman Scattering. Por este efecto, los pulsos transmitidos generan fotones en otras frecuencias distintas a las originales. Esto provoca que frecuencias distintas a las utilizadas para un canal cuántico pueden provocar la aparición de fotones en dicho canal, interfiriendo en la comunicación de información cuántica. Este efecto se produce con una intensidad directamente proporcional a la distancia recorrida por las señales en el medio de transmisión, además de depender de la composición del mismo y de la potencia del pulso original. Además, el efecto no se produce con igual intensidad en todo el espectro, sino que es mayor en las frecuencias cercanas y ligeramente mayor en las superiores .
Intermodulación . La transmisión simultánea de información mediante WDM a través de tres (o más, pero siempre en número impar) canales de comunicación con frecuencias distintas, fl, f2, y f3, en un mismo medio (como es la fibra óptica en el caso que nos ocupa) , puede producir la aparición de fotones en una cuarta frecuencia (más de una en el caso de que sean más de tres las originales), f4. Esos fotones se forman por la distorsión (scattering) de los pulsos incidentes, y la longitud de onda en la que se producen es una combinación lineal de las longitudes de onda de los pulsos incidentes: f4 = +/- fl +/- f2 +/- f3.
La interferencia en el canal cuántico se traduce en un aumento de la tasa de error en dicho canal, lo que limita el uso de este tipo de canales.
En la patente con código ES2126143 se indica la posibilidad de comunicar un emisor de QKD con múltiples receptores en una red multiplexada con canales clásicos. En la patente de MagiQ Technologies, Inc, con código US7248695 de la U.S.Patent, se indica la necesidad de un filtro paso-banda para separar el canal cuántico del resto de canales convencionales.
En la patente con código US2007/0212063 se propone el uso de la multiplexación en longitud de onda de canales cuánticos y canales clásicos.
Si bien algunas de las estrategias expuestas en estas patentes son compartidas también por nuestra solución, se han de seguir otras estrategias añadidas cuando sea necesario para asegurar el correcto funcionamiento del sistema que no son contempladas en otros documentos:
• Atenuación de los canales convencionales para minimizar el ruido creado por Raman .
Elección adecuada de la longitud de onda canal cuántico para evitar efectos disrupción del mismo.
Asignación de distinta polarización a los canales convencionales y cuánticos de manera que se facilite el filtrado. Además, en lo referente a la solución aportada para la introducción de canales cuánticos en las redes de acceso WDM-PON, en ninguna patente anterior encontrada se menciona la posibilidad del uso de bandas distintas a las comerciales para la multiplexación de canales cuánticos con canales convencionales.
Seguidamente se acompañan listados de los acrónimos y abreviaturas empleados en esta memoria, asi como de las referencias bibliográficas reseñadas entre corchetes en el presente apartado de antecedentes de la invención.
ACRÓNIMOS Y ABREVIATURAS:
APD, Avalanche Photo-Diode.
AWG, Arrayed Waveguide Grating.
BLS, Broadband Light Source.
CWDM, Coarse WDM.
DWDM, Dense WDM.
FFTH, Fiber To The Home.
FFTx, Fiber To The Home, Kerb, Building.
FWM, Four Wave Mixing.
GPON, Gigabit PON.
LDPC, Low-Density Parity Check.
MAN, Metropolitan Area Network.
OLT, Optical Line Termination.
ONT, Optical Network Termination.
PON, Passive Optical Network.
QBER, Quantum Bit Error Rate .
QKD, Quantum Key Distribution .
ROADM, Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer.
TDM, Time-Division Multiplexing .
TDM-PON, Time-Division Multiplexing PON.
VOA, Variable Optical Attenuator.
WDM, Wavelength-Division Multiplexing.
WDM-PON, Wavelength-Division Multiplexing PON.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS DE ESTE APARTADO DE LA MEMORIA:
[1] C. H. Bennett, G. Brassard, "Quantum cryptography : public key distribution and coin tossing", Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing, IEEE press., pp . 175-179, 1984.
[2] A. Ekert, "Quantum Cryptography Based on Bell's Theorem", Phys . Rev. Lett. 67, Is. 6, pp . 661-663, 1991.
[3] C. H. Bennett, "Quantum Cryptography Using Any Two Nonorthogonal States", Phys. Rev. Lett. 68, No. 21, pp . 3121, 1992.
[4] V. Scarani, A. Acin, G. Ribordy, N. Gisin, "Quantum cryptography protocols robust against photon number splitting attacks for weak láser pulse implementations", Phys. Rev. Lett. 92, 2002.
[5] N. Gisin et al., "Quantum Cryptography", Rev. Mod. Phys. 74, pp. 145, 2001.
[6] G. Brassard, L. Salvail, "Secret-key reconciliation by public discussion", Lecture Notes in Computer Science 765, pp. 411-423, 1993.
[7] C. H. Bennett et al., "Privacy amplification by public discussion", SIAM J. Comput . 17, No. 2, 1988.
[8] C. H. Bennett et al., "Generalized Privacy Amplification", IEEE Transactions on Information Theory 41, No. 6, 1995.
[9] C. Elliott et al., "Current status of the DARPA Quantum Network", BBN Technologies, arXiv : quant-ph/0503058 , 2005.
[10] Townsend et al, "Distribución de claves en una red de acceso múltiple mediante criptografía cuántica", Patente europea n° 94925577.2, 1994.
[11] Amitabha Banerjee et al., "Wavelength-division- multiplexed passive optical network (WDM-PON) technologies for broadband Access: a review", 2005.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Para lograr los objetivos y evitar los inconvenientes indicados en anteriores apartados, la invención consiste en un sistema de integración de canales con información cuántica en redes de comunicaciones, aplicable en redes ópticas pasivas (PON) que pueden dar soporte a canales clásicos de telecomunicación y a canales cuánticos; pudiendo incluirse en los canales cuánticos al menos un sistema de distribución cuántica de claves (QKD) que genera claves criptográficas entre dos extremos para comunicaciones secretas; donde la red PON incluye segmentos de fibra óptica y equipamiento convencional, en tanto que el sistema QKD dispone de un primer dispositivo de intercambio de información mediante canal cuántico y un segundo dispositivo de intercambio de información mediante canal cuántico.
Novedosamente, según la invención, el sistema de la misma comprende al menos un filtro para cada uno de los referidos dispositivos de intercambio de información mediante canal cuántico y al menos un bloque de gestión de canales clásicos y cuánticos en el conjunto del referido sistema de integración; siendo este bloque de gestión un dispositivo de reducción de ruido en canales cuánticos que presenta al menos funciones de:
Atenuación de la potencia de inserción de los canales clásicos en la red PON;
- Polarizaciones distintas en los diversos canales clásicos y cuánticos;
Cambios de asignaciones de longitudes de onda tanto en canales clásicos como cuánticos;
evitándose asi efectos de interferencia sobre los canales cuánticos.
En las realizaciones preferentes de la invención, el mencionado filtro es un filtro paso-banda lo más estrecho posible para la aplicación correspondiente.
Por otra parte, en las realizaciones preferentes de la invención, el referido filtro consiste bien en un dispositivo que además del filtro del canal cuántico incluye medios de unión de canales en los segmentos de fibra óptica o bien en un solo filtro que se intercala en el canal cuántico. En las realizaciones preferentes de la invención, el mencionado bloque de gestión presenta, además de las citadas funciones, la función de desconexión temporal de determinados canales clásicos que tengan prioridad baja.
En aplicaciones donde la red PON es una red de acceso
WDM-PON (con muítiplexación en frecuencia) , el bloque de gestión emplea bandas de frecuencia distintas a las comerciales para la multiplexación de canales cuánticos con canales convencionales; utilizando rangos de frecuencia específicos con menor ruido para los canales cuánticos mediante aprovechamiento de la característica óptica del AWG por la que en cada canal pasan la señal asignada a ese canal y sus periódicas.
Por otra parte, para las mencionadas aplicaciones con red de acceso WDM-PON, en la referida multiplexación de canales cuánticos con canales convencionales, el bloque de gestión introduce los canales cuánticos en un período distinto al de la banda de BLS (luz de banda ancha) y distinto al de la banda de bajada (banda desplazada respecto de la BLS que se emplea en señales de transmisión para un sentido de bajada en la comunicación) .
Según una realización preferente de la invención, en todo el rango de frecuencias del mencionado período distinto al de las bandas de BLS y de bajada se utiliza la emisión de la señal cuántica; bien empleando tantos canales cuánticos como clientes que a frecuencia fija cubran ese rango, o bien con uno o varios canales cuánticos sintonizables en frecuencia y cuya sintonización sea configurable .
Además, según una realización preferente de la invención, ese período distinto al de las bandas de BLS y de bajada es un período justo anterior al período de la mencionada banda de BLS.
En las aplicaciones donde la red es una red de acceso WDM-PON, además del filtro y el bloque de gestión característicos de la invención, el sistema cuenta con un equipamiento convencional que incluye al menos un dispositivo centralizador de comunicaciones, varios dispositivos de usuario para gestión de comunicaciones y un distribuidor de linea compartida mediante asignaciones de longitud de onda.
En aplicaciones donde la red PON es una red de acceso TDM-PON (con muítiplexación en tiempo) el bloque de gestión presenta medios electrónicos de control con la función de que los dispositivos de intercambio de información cuántica hagan uso exclusivo de rodajas temporales para sus intercambios, actuando como un canal clásico multiplexado en tiempo.
En dichas aplicaciones donde la red es una red de acceso TDM-PON se puede emplear como canal cuántico un canal de 1550 nm., u otro que se encuentre en una ventana de máxima transparencia de la fibra óptica o de mínima disrupción por ruido generado por canales clásicos.
Además, en estas aplicaciones donde la red es una red de acceso TDM-PON, adicionalmente al filtro y bloque de gestión característicos de la invención, el sistema incluye un equipamiento convencional que cuenta al menos con un dispositivo centralizador de comunicaciones, varios dispositivos de usuario para gestión de comunicaciones y un divisor de línea compartida (Splitter) .
Para aplicaciones donde la red PON es una red metropolitana con varios nodos, además del filtro y el bloque de gestión característicos de la invención, el sistema cuenta con un equipamiento convencional que incluye al menos conmutadores de encaminamiento (switchs) , multiplexores WDM, multiplexores de gestión de canales y dispositivos emisores y receptores de canales clásicos (transponders) .
En las realizaciones preferentes de la invención, la atenuación de la potencia de inserción de los canales clásicos llevada a cabo por el bloque de gestión se aplica en cada caso con el criterio de igualar la distancia entre los extremos del sistema cuántico con la distancia máxima a la que pueden conectarse los equipos del sistema, con esa atenuación de potencia, en la red PON.
Utilizando la modulación en frecuencias (WDM) de distintos canales de comunicación, la intensidad y la frecuencia con la que se reproducen efectos como el Raman Scattering y el FWM depende de la potencia de la señal transmitida por cada uno de los canales multiplexados . En el caso de los canales cuánticos esa potencia normalmente es despreciable; mientras que en los canales convencionales la potencia de emisión de la señal transmitida depende de la distancia máxima a la que se quiere llevar esa señal, y de esa potencia depende el impacto de los efectos de interferencia sobre los canales cuánticos utilizados. Entre las técnicas que favorecen la coexistencia de canales clásicos y cuánticos, la reducción de la potencia a la que se emiten las señales transmitidas a través de los canales de comunicación multiplexados, supone una disminución de la distancia máxima a la que se puede transmitir una señal en un canal convencional. Al mismo tiempo, la reducción de la potencia de emisión supone una disminución del impacto de dicha señal sobre el resto de canales, en tanto que la selección de la frecuencia de los canales clásicos evita la aparición de efectos de intermodulación de señales en las frecuencias utilizadas por los canales cuánticos. Además, el uso de un filtrado fino en el destino de los canales cuánticos permite aislar éstos del ruido; y usando distintas polarizaciones para los canales cuánticos y clásicos también se ayuda a evitar ruidos innecesarios en los canales cuánticos, aumentando por tanto la información cuántica intercambiada correctamente, estando basada en todo ello la presente invención.
Además de lo anterior, concretando para el uso en redes de acceso con tecnología WDM, la invención propone el uso de la periodicidad del distribuidor de longitudes de onda para utilizar un rango de frecuencias específico con un ruido menor como canales cuánticos. En consecuencia, se compatibiliza el uso de los sistemas de información cuántica en redes PON con la utilización de canales WDM simultáneos, asumiendo algunas limitaciones en los canales convencionales en cuanto a la potencia, canales usados y polarizaciones; aplicándose la limitación de potencia de manera que minimice la separación entre las distancias máximas a las que pueden conectarse los equipos de una red PON y los extremos de un sistema cuántico.
En las redes metropolitanas PON, la invención hace hincapié principalmente en la reducción de potencia de los canales clásicos de manera que no se llegue a aumentar significativamente la tasa de errores en éstos. Adicionalmente a esto, mediante un control de los canales utilizados, se evitan efectos de intermodulación en los canales cuánticos. Dichos canales cuánticos deben estar en la medida de lo posible en frecuencias seleccionadas para minimizar los efectos disrupción, siendo también importante en estas redes metropolitanas los efectos del filtrado de los canales y la distinta polarización de los canales clásicos y cuánticos.
En las redes TDM-PON el control de potencia en los canales, el uso de un filtrado y la distinta polarización de los canales clásicos y cuánticos tienen un efecto atenuador del ruido que se produce en los canales cuánticos. Cuando el escenario de aplicación de la invención presenta dichas redes TDM-PON no es necesario tener en cuenta medidas de control del FWM, ya que el número de canales clásicos en los estándares existentes actualmente es de dos. Además, en este escenario concreto existe la posibilidad de que cuando sea necesario los equipos de información cuántica puedan hacer uso exclusivo de rodajas temporales para sus intercambios, actuando como un canal convencional multiplexado en el tiempo.
En las redes WDM-PON la solución facilitada por la invención pasa por aprovechar la característica óptica del AWG, según la cual por cada canal pasan la señal asignada a ese canal y sus periódicas. Dicha solución se utiliza en conjunción con las que la invención proporciona para las redes de acceso TDM-PON en cuanto a la gestión de canales, para el control de potencia y la polarización de los mismos .
Las ventajas más relevantes del sistema de la invención son relativas al hecho de incrementar la eficiencia en el uso conjunto de redes PON y sistemas de transmisión de información cuántica. Genéricamente, para cualquier red PON es necesario hacer uso de filtros paso- banda y también que las potencias de los láseres implicados en la transmisión de canales clásicos se ajusten en conformidad a la distancia a la que se tiene que emitir la señal para que el ruido generado en el canal cuántico sea siempre el mínimo. Además, se contempla, en todos los escenarios de aplicación de la invención, la posibilidad de polarizar de distinta manera los canales cuánticos y clásicos para ayudar al filtrado, así como otras soluciones añadidas concretamente en cada uno de dichos escenarios. Así, como técnica añadida en una red PON metropolitana se hace necesario una correcta selección de los canales clásicos y cuánticos de manera que se evita el ruido generado por intermodulación (FWM) de los canales clásicos. También se seleccionan los canales cuánticos de manera que en la medida de lo posible se puedan situar en los canales de menor longitud de onda posible, con la intención de minimizar el ruido debido a la dispersión Raman . Las ventajas de la invención para redes de acceso TDM-PON consisten en que además de facilitarse la atenuación de los canales clásicos y la colocación de filtros, se facilita una correcta elección del canal cuántico. Así, según se señaló anteriormente, dicho canal cuántico pudiera ser el canal de 1550 nm., para el caso concreto de GPON, canal que se encuentra para uso de CATV o IPTV, o bien, cualquier otro canal que se encuentre en la ventana de máxima -In¬ transparencia de la fibra o en la de la mínima disrupción por el ruido generado por canales clásicos; consistiendo otra ventaja en la posibilidad de reservar rodajas temporales para el uso exclusivo de los canales cuánticos. Las ventajas de la invención más importantes cuando se aplican en redes de acceso WDM-PON, son relativas a que en este escenario se utiliza un nuevo período en el distribuidor distinto al usado por la luz de banda ancha y los canales de bajada, de manera que este nuevo período dedicado a los canales cuánticos puede ser en el caso de cada fabricante el más adecuado conforme a la atenuación que introduce el medio de transmisión óptico según la longitud de onda de las señales transmitidas; habiéndose encontrado, según lo que se ha experimentado, que ese nuevo período puede ser un período justo anterior a la luz de banda ancha.
A continuación, para facilitar una mejor comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante de la misma, se acompañan unas figuras en las que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la invención.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Figura 1.- Representa esquemáticamente a una primera realización de un sistema de integración de canales con información cuántica en redes de comunicaciones realizado según la presente invención, donde la red es una red de acceso de tecnología TDM-PON y el canal con información cuántica es un sistema QKD.
Figura 2.- Representa esquemáticamente a una segunda realización de un sistema de integración de canales con información cuántica en redes de comunicaciones realizado según la presente invención, donde la red de comunicación es una red de acceso WDM-PON y el canal con información cuántica es un sistema QKD.
Figura 3.- Representa esquemáticamente una tercera realización de un sistema de integración de canales con información cuántica en redes de comunicaciones realizado según la presente invención, donde la red es una red metropolitana con dos nodos y tecnología PON, mientras que el canal cuántico es un sistema QKD.
Figura 4.- Representa esquemáticamente a una cuarta realización de un sistema de integración de canales con información cuántica en redes de comunicaciones, donde la red es una red metropolitana de tres nodos MAN y el canal cuántico es un sistema QKD.
Figura 5.- Representa esquemáticamente al estado de la técnica actual para un sistema de comunicaciones convencionales que emplea la estructura de una red TDM-PON.
Figura 6.- Representa esquemáticamente al estado de la técnica actual para un sistema de comunicaciones convencionales que emplea la estructura de una red WDM-PON.
Figura 7.- Representa esquemáticamente al estado de la técnica actual para un sistema de comunicaciones convencionales que emplea una red metropolitana con tres nodos de tecnología PON.
DESCRIPCIÓN DE UNO O VARIOS EJEMPLOS DE REALIZACIÓN DE LA
INVENCIÓN
Seguidamente se realiza una descripción de cuatro ejemplos de la invención haciendo referencia a la numeración adoptada en las figuras.
Primeramente aportamos un listado con todas las referencias numéricas 1 a 14 acompañadas de su significado que aparecen en las figuras:
1: Dispositivo centralizador de comunicaciones
2: Dispositivo de usuario para gestión de comunicaciones
3: Segmentos de fibra óptica
4: Divisor de línea compartida (Splitter)
5: Bloque de gestión de canales clásicos y cuánticos 6: Dispositivo de unión de canales con filtro para canales cuánticos 7: Primer dispositivo de intercambio de información mediante canal cuántico (Alice)
8: Segundo dispositivo de intercambio de información mediante canal cuántico (Bob)
9: Distribuidor de linea compartida mediante asignaciones de longitud de onda
10: Conmutador de encaminamiento (switch)
11: Multiplexor WDM
12: Multiplexor de gestión de canales
13: Dispositivo emisor y receptor de canales clásicos
( transponder)
14: Filtro para canal cuántico
Para los cuatro ejemplos de la invención que se muestran en este apartado se han desarrollado las figuras 1 a 4 respectivamente que representan los distintos escenarios en los que puede ser de aplicación la invención, tanto para redes metropolitanas, como para redes de acceso, teniendo en cuenta las distintas tecnologías que podemos encontrar en cada uno de los escenarios propuestos.
El bloque 5 es el componente destinado a la gestión de los canales, tanto convencionales como cuánticos, y se puede ver aplicado en esas figuras 1 a 4. Dicho bloque de gestión 5 es un componente que decide las longitudes de onda asignadas a cada canal clásico y cada canal cuántico, así como la potencia de los canales clásicos. Los criterios de decisión para sus funciones están fundamentados en la necesidad de disminuir el ruido de los canales cuánticos, de manera que su comunicación sea más eficiente. Para ello, este bloque de gestión 5 realiza las siguientes tareas:
- Reducir la potencia de inserción de los canales clásicos, siempre que no se interrumpan los canales .
Desconectar temporalmente algunos canales clásicos que tengan una prioridad baja.
- Polarizar de distinta manera los canales clásicos y cuánticos .
Solicitar el cambio de longitud de onda tanto en los canales clásicos como en los cuánticos. Además, y también de manera común en las cuatro realizaciones de la invención que aqui se muestran, cada canal cuántico tiene un filtrado paso-banda lo más estrecho posible, sirviendo esto como medida añadida para minimizar el ruido, bien mediante el dispositivo 6 ó bien mediante el filtro 14.
Dentro de la gestión de canales, en los sistemas en los que exista multiplexación TDM, como por ejemplo en la figura 1, el bloque de gestión 5 podrá reservar rodajas temporales de uso exclusivo para canales cuánticos, de modo que durante ese tiempo tan sólo éstos estén en funcionamiento en la linea, siendo ese número de rodajas variable en función del escenario.
Por otra parte, actualmente, los fabricantes de dispositivos de WDM-PON usan una banda para la señal de luz de banda ancha que porta las señales semilla para los dispositivos de usuario, de modo que estos puedan conectarse a cualquier canal indistintamente. La central emite los canales de subida en las mismas bandas que la BLS (luz de banda ancha) , mientras que las señales de transmisión de bajada se emiten en una banda desplazada un periodo respecto a la de BLS, de modo que el distribuidor permite el paso de estas señales en el sentido contrario. La invención, aplicada en una red de acceso WDM-PON, como por ejemplo la de la figura 2, proporciona la introducción de canales con información cuántica en un periodo distinto al de la banda de BLS y la de bajada, aprovechando la misma propiedad que permite multiplexar dichas dos bandas. Asi, se soluciona el problema de la multiplexación de los canales cuánticos con los clásicos de la manera más eficiente posible. Junto a ello, para que la solución aportada sea completa, es necesario el uso de la emisión de la señal cuántica en todo el rango del período escogido. Esto puede efectuarse bien con tantos canales cuánticos como clientes a frecuencia fija cubran dicho rango, o bien con uno o varios canales cuánticos sintonizables en frecuencia y cuya sintonización sea configurable . El número de estos canales sintonizables a usar dependerá de sus características en lo que respecta a cuántos canales abarca y al número de canales que tenga el distribuidor, es decir a todo el rango a cubrir.
En las figuras 3 y 4 la invención se aplica transmitiendo un canal cuántico en una red metropolitana de dos o tres nodos respectivamente.
En las redes de acceso TDM-PON del estado de la técnica, tal como la mostrada en la figura 5, distintos usuarios conectados a un extremo de la red mediante respectivos dispositivo de usuario 1 comparten una única línea de transmisión óptica con el extremo principal de la red en la que se encuentra un dispositivo centralizador 2, donde por lo general se localiza el proveedor de acceso. La unión de las líneas de transmisión óptica se realiza por medio de un divisor 4 localizado entre ambos extremos, que permite la comunicación entre todos los usuarios y el proveedor de acceso. De la central sale una única fibra óptica o segmento de fibra óptica 3 que enlaza con el divisor 4, mientras que de éste salen múltiples fibras que conectan cada una con el dispositivo correspondiente en las instalaciones del usuario final. En cuanto a los canales utilizados, existen dos frecuencias, una destinada a la comunicación de bajada y otra para la comunicación de subida. La central es la encargada de gestionar las rodajas de tiempo que concede a cada dispositivo de usuario 2, que tan solo emitirá en aquéllas que les sean concedidas.
La comunicación realizada en una red de acceso TDM-PON (según los estándares actuales) está modulada en tres frecuencias que utilizan tecnología WDM para coexistir en la línea, lo que permite el uso simultáneo de los tres canales siguientes:
Un canal de video que transmite desde la central hasta los usuarios. Este canal es el que se ha utilizado como canal cuántico para la comunicación entre el primer y el segundo dispositivos de intercambio de información mediante canal cuántico referenciados como 7 y 8 respectivamente.
Un canal de descarga (downstream) que va desde la central hacia los distintos dispositivos de usuario. Esta señal es dividida al pasar por el
Splitter y enviada de forma simultánea a todos los extremos (usuarios) conectados.
Un canal de subida (upstream) que va desde cada usuario hasta la central. La gestión de los distintos usuarios de este canal se realiza mediante modulación por división en el tiempo (TDM) .
En este escenario, el efecto principal de intermodulación que puede afectar al canal cuántico es la dispersión Raman, ya que no hay canales convencionales suficientes para generar interferencias por intermodulación .
Los componentes genéricos de la red de acceso (TDM- PON) son:
- Dispositivo centralizador 1, situado en la central del proveedor de servicios, centraliza todas las comunicaciones con los usuarios y se encarga de asignar las rodajas temporales a cada usuario.
Dispositivo de usuario 2, situado en las instalaciones de cada usuario, es el encargado de gestionar las comunicaciones con la central del proveedor de servicios.
Divisor 4 (Splitter) . Es un divisor que conecta la linea compartida (proveniente de la central) con cada linea individual de usuario. Primer y segundo dispositivos de intercambio 7 y 8, Alice y Bob. Son los dispositivos que realizan el intercambio de información mediante el canal cuántico .
- Segmentos de fibra óptica 3.
Los componentes añadidos mediante la invención, según la primera realización de la misma mostrada en la figura 1, y para la integración de canales cuánticos en esa red de acceso TDM-PON son:
- El bloque de gestión 5 que es el dispositivo que gestiona tanto los canales cuánticos como los clásicos y que constituye el elemento esencial de la invención.
El dispositivo de unión 6 que es un elemento de unión de canales en la fibra con incorporación de filtro para el canal cuántico.
Por otra parte, en las redes de acceso WDM-PON del estado de la técnica, tal como la mostrada en la figura 6, se tienen tres elementos principales. Un dispositivo en el lado del proveedor de servicios (dispositivo centralizador 1), un dispositivo en el lado del cliente (dispositivo de usuario 2), una fibra óptica entre ambos o segmento de fibra óptica 3 y por último un tercer dispositivo distribuidor 9 situado en la fibra entre la central y los usuarios.
El distribuidor 9 es el dispositivo que permite multiplexar/demultiplexar todos los canales correspondientes y dirigir cada uno a un cliente distinto. Asi, por tanto, si el distribuidor 9 tiene capacidad para n clientes, con una central, puede dar servicio simultáneamente a n usuarios. El distribuidor 9, además posee la propiedad de que una señal con longitud de onda λί y todas sus periódicas λί-Τ (acorde a un periodo T propio definido en su fabricación) son demultiplexadas por el mismo canal del distribuidor 9. Respecto a las señales emitidas en WDM-PON existe una banda de emisión para los canales de subida y otra para los de bajada. Los canales de subida son emitidos desde los usuarios hasta la central del proveedor de servicios, y los canales de bajada en sentido inverso.
Los componentes genéricos de la red de acceso WDM-PON, según se muestra en la figura 6, son:
Dispositivo centralizador 1 situado en la central del proveedor de servicios, que centraliza todas las comunicaciones con los usuarios y se encarga de asignar las rodajas temporales a cada usuario.
Dispositivo de usuario 2, situado en las instalaciones de cada usuario, que es el encargado de gestionar las comunicaciones con la central del proveedor de servicios.
Distribuidor 9 que conecta la linea compartida (proveniente de la central) con cada linea individual de usuario. La distribución la realiza en función de longitudes de onda, dividiendo la banda destinada a los usuarios entre todas las lineas de usuario, y asignando asi una longitud de onda y todos sus periodos a cada linea.
Primero y segundo dispositivos de intercambio 7 y 8 (Alice y Bob) . Son los dispositivos que realizan el intercambio de información mediante el canal cuántico; y
Segmentos de fibra óptica 3.
Los componentes que añade la invención, según la segunda realización de la misma mostrada en la figura 2 para la integración de canales cuánticos en esa red de acceso WDM-PON son:
Bloque de gestión 5 que es el dispositivo que gestiona tanto los canales cuánticos como los clásicos, siendo el elemento esencial de la invención. Dispositivo de unión 6 consistente en un elemento de unión de canales en la fibra que incorpora filtro para el canal cuántico.
En la figura 7 se puede ver una red metropolitana con tres nodos según el estado actual de la técnica, mostrando un encaminamiento que utiliza tecnología ROADM, donde tres nodos intervienen en la comunicación y presentando los siguientes componentes:
Conmutador de encaminamiento 10 (switch) , que se encarga de realizar el conmutado de una señal entrante. En función de su configuración podrá extraer la señal que llega al módulo (operación add-drop) o permitir que la misma atraviese el módulo o bloque correspondiente sin ser desviada (operación pass-through) .
Multiplexor de gestión 12 de canales de entrada y salida .
Multiplexor WDM 11 que realiza un add-drop del canal cuántico con respecto al resto de canales. - Dispositivo emisor y receptor 13 (transponders) de canales clásicos.
Segmentos de fibra óptica 3.
En la figura 3, correspondiente a la tercera realización de la invención, se muestra una configuración de una red metropolitana con dos nodos y transmisión de un canal cuántico, que emplea los componentes de la figura 7 del estado de la técnica descritos anteriormente. En la citada figura 3 se representan a modo de ejemplo dos nodos siguiendo la arquitectura de una red metropolitana basada en tecnología PON, de manera que a cada uno de los nodos se conectan los equipos de un sistema de transmisión de información cuántica, utilizados para intercambiar claves para cifrado, según este tercer ejemplo de realización de la invención. Dichos nodos están comunicados a través de una línea de fibra óptica 3. El núcleo de cada nodo se compone fundamentalmente de un switch y un add-drop que forman un sistema de encaminamiento ROADM. Asi, mediante el add-drop se extrae en cada uno de los nodos uno o varios canales identificados por longitudes de onda preestablecidas. Cada uno de estos canales suele utilizarse para transmitir una señal en una u otra dirección. En el ejemplo de la mencionada figura 3, cada uno de los canales se utiliza con un propósito distinto. Asi, uno de los canales se emplea de forma convencional, mientras que el otro se usará como canal cuántico para el intercambio de claves. Mediante el switching se realiza el direccionamiento de cada uno de los canales extraídos por el add-drop. El direccionamiento se realiza mediante la conmutación de dos posibilidades: el add-drop del canal, o el pass-through del mismo.
Los componentes conocidos que aparecen en esa figura 3 son los referenciados como 3 y 10 a 13, según se explicaron anteriormente para la figura 7; en tanto que los componentes añadidos mediante la invención en esta figura 3 para la integración de canales cuánticos consisten en un bloque de gestión 5 de los canales cuánticos y clásicos a usar en el escenario de esta tercera realización y en un filtro 14 para el canal cuántico.
En la figura 4, correspondiente al cuarto ejemplo de realización de la invención se representa una red metropolitana con tres nodos y transmisión de un canal cuántico. En esta figura 4 se muestra un ejemplo de encaminamiento utilizando tecnología ROADM, donde tres nodos intervienen en la comunicación, de manera que dos de estos nodos coinciden con los extremos de un sistema QKD, y la comunicación atraviesa un tercer nodo (intermedio) que no interfiere en las intercambiadas por los nodos extremos.
Al igual que en la anterior figura 3, los componentes conocidos que aparecen en la figura 4 son los referenciados como 3 y 10 a 13 según se explicaron anteriormente para la figura 7; en tanto que los componentes añadidos mediante la invención en esta figura 4 para la integración de canales cuánticos consisten en un bloque de gestión 5 de los canales cuánticos y clásicos a usar en el escenario de esta cuarta realización y en un filtro 14 para el canal cuántico.

Claims

REIVINDICACIONES
1. - SISTEMA DE INTEGRACIÓN DE CANALES CON INFORMACIÓN CUÁNTICA EN REDES DE COMUNICACIONES, aplicable en redes ópticas pasivas (PON) que pueden dar soporte a canales clásicos de telecomunicación y a canales cuánticos; pudiendo incluirse en los canales cuánticos al menos un sistema de distribución cuántica de claves (QKD) que genera claves criptográficas entre dos extremos para comunicaciones secretas; donde la red PON incluye segmentos de fibra óptica (3) y equipamiento convencional (1, 2, 4,9 a 13) en tanto que el sistema QKD dispone de un primer dispositivo de intercambio de información mediante canal cuántico (7) y de un segundo dispositivo de intercambio de información mediante canal cuántico (8); caracterizado porque comprende al menos un filtro (6, 14) para cada uno de los referidos dispositivos de intercambio de información mediante canal cuántico (7, 8) y al menos un bloque de gestión de canales clásicos y cuánticos (5) en el conjunto del referido sistema de integración; siendo este bloque de gestión (5) un dispositivo de reducción de ruido en canales cuánticos que presenta al menos funciones de:
atenuación de la potencia de inserción de los canales clásicos en la red PON;
polarizaciones distintas en los diversos canales clásicos y cuánticos; y
cambios de asignaciones de longitudes de onda tanto en canales clásicos como cuánticos;
evitándose asi efectos de interferencia sobre los canales cuánticos .
2. - SISTEMA DE INTEGRACIÓN DE CANALES CON INFORMACIÓN CUÁNTICA EN REDES DE COMUNICACIONES, según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho filtro (6, 14) es un filtro paso-banda lo más estrecho posible en la aplicación correspondiente.
3. - SISTEMA DE INTEGRACIÓN DE CANALES CON INFORMACIÓN CUÁNTICA EN REDES DE COMUNICACIONES, según la reivindicación 1 6 2, caracterizado porque dicho filtro consiste bien en un dispositivo (6) que además del filtro del canal cuántico incluye medios de unión de canales en los segmentos de fibra óptica (3) ó bien en un solo filtro (14) que se intercala en el canal cuántico.
4. - SISTEMA DE INTEGRACIÓN DE CANALES CON INFORMACIÓN CUÁNTICA EN REDES DE COMUNICACIONES, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el bloque de gestión (5) presenta además de las referidas funciones la función de desconexión temporal de determinados canales clásicos que tengan prioridad baja.
5. - SISTEMA DE INTEGRACIÓN DE CANALES CON INFORMACIÓN CUÁNTICA EN REDES DE COMUNICACIONES, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en aplicaciones donde la red PON es una red de acceso WDM-PON (con multiplexación en frecuencia) el bloque de gestión (5) emplea bandas de frecuencia distintas a las comerciales para la multiplexación de canales cuánticos con canales convencionales; utilizando rangos de frecuencia específicos con menos ruido para los canales cuánticos mediante aprovechamiento de la característica óptica del AWG (Arrayed Waveguide Grating) por la que en cada canal pasan la señal asignada a ese canal y sus periódicas.
6.- SISTEMA DE INTEGRACIÓN DE CANALES CON INFORMACIÓN
CUÁNTICA EN REDES DE COMUNICACIONES, según la reivindicación 5, caracterizado porque en dicha multiplexación el bloque de gestión (5) introduce los canales cuánticos en un período distinto al de la banda de BLS (luz de banda ancha) y distinto al de la banda de bajada (banda desplazada respecto de la BLS que se emplea en señales de transmisión para un sentido de bajada en la comunicación) .
7.- SISTEMA DE INTEGRACIÓN DE CANALES CON INFORMACIÓN CUÁNTICA EN REDES DE COMUNICACIONES, según la reivindicación 6, caracterizado porque en todo el rango de frecuencias del referido periodo distinto se utiliza la emisión de la señal cuántica; bien empleando tantos canales cuánticos como clientes que a frecuencia fija cubran ese rango, o bien con uno o varios canales cuánticos sintonizables en frecuencia y cuya sintonización sea configurable .
8. - SISTEMA DE INTEGRACIÓN DE CANALES CON INFORMACIÓN CUÁNTICA EN REDES DE COMUNICACIONES, según la reivindicación 6 6 7, caracterizado porque dicho periodo distinto es un periodo justo anterior al periodo de la referida banda de BLS .
9. - SISTEMA DE INTEGRACIÓN DE CANALES CON INFORMACIÓN CUÁNTICA EN REDES DE COMUNICACIONES, según una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8, caracterizado porque el aludido equipamiento convencional incluye al menos un dispositivo centralizador de comunicaciones (1), varios dispositivos de usuario para gestión de comunicaciones (2) y un distribuidor de linea compartida mediante asignaciones de longitud de onda (9) .
10. - SISTEMA DE INTEGRACIÓN DE CANALES CON INFORMACIÓN CUÁNTICA EN REDES DE COMUNICACIONES, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque en aplicaciones donde la red PON es una red de acceso TDM-PON
(con multiplexación de tiempo) el bloque de gestión (5) presenta medios electrónicos de control con la función de que los dispositivos de intercambio de información cuántica
(7, 8) hagan uso exclusivo de rodajas temporales para sus intercambios, actuando como un canal clásico multiplexado en tiempo.
11. - SISTEMA DE INTEGRACIÓN DE CANALES CON INFORMACIÓN CUÁNTICA EN REDES DE COMUNICACIONES, según la reivindicación 10, caracterizado porque se emplea como canal cuántico un canal de 1550 nm, u otro que se encuentre en una ventana de máxima transparencia de la fibra óptica o de mínima disrupción por ruido generado por canales clásicos .
12. - SISTEMA DE INTEGRACIÓN DE CANALES CON INFORMACIÓN CUÁNTICA EN REDES DE COMUNICACIONES, según la reivindicación 10 u 11, caracterizado porque el aludido equipamiento convencional incluye al menos un dispositivo centralizador de comunicaciones (1), varios dispositivos de usuario para gestión de comunicaciones (2) y un divisor de línea compartida (Splitter) (4).
13. - SISTEMA DE INTEGRACIÓN DE CANALES CON INFORMACIÓN CUÁNTICA EN REDES DE COMUNICACIONES, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque en aplicaciones donde la red PON es una red metropolitana con varios nodos, el aludido equipamiento convencional incluye al menos conmutadores de encaminamiento (switchs) (10), multiplexores WDM (11), multiplexores de gestión de canales (12) y dispositivos emisores y receptores de canales clásicos (transponders) (13).
14. - SISTEMA DE INTEGRACIÓN DE CANALES CON INFORMACIÓN CUÁNTICA EN REDES DE COMUNICACIONES, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la atenuación de la potencia de inserción de los canales clásicos llevada a cabo por el bloque de gestión (5) se aplica en cada caso con el criterio de igualar la distancia entre los extremos del sistema cuántico con la distancia máxima a la que pueden conectarse los equipos del sistema, con esa atenuación de potencia, en la red PON.
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