多用戶波分復(fù)用量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)一種多用戶波分復(fù)用量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括一個(gè)Alice控制站、一組脈沖輸送線路和多個(gè)Bob用戶端。該系統(tǒng)將Alice端的單光源多波長(zhǎng)激光器同時(shí)產(chǎn)生的多波長(zhǎng)脈沖作為多用戶信息傳輸?shù)妮d體，脈沖傳輸線路以波長(zhǎng)尋址的方式將各個(gè)波長(zhǎng)脈沖發(fā)送到不同的合法用戶。本實(shí)用新型采用單光源多波長(zhǎng)激光器代替多光源結(jié)構(gòu)，減小信號(hào)發(fā)射裝置的成本，單一相位調(diào)制器代替多相位調(diào)制器結(jié)構(gòu)，保證了相位調(diào)制一致性和穩(wěn)定性的同時(shí)，也降低了系統(tǒng)成本；用戶終端采用可變延時(shí)裝置，調(diào)整各用戶之間返回脈沖的返回時(shí)刻，保證了網(wǎng)絡(luò)的靈活性；本系統(tǒng)具有較高可實(shí)施性，且用戶數(shù)量可以增加，具有良好拓展性。
【專利說(shuō)明】多用戶波分復(fù)用量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及光纖通信與量子通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種多用戶波分復(fù)用QKD(量子密鑰分發(fā))網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)密碼技術(shù)的安全性由數(shù)學(xué)上的計(jì)算復(fù)雜度來(lái)保證，但面對(duì)日益強(qiáng)大的計(jì)算能力，其安全性受到巨大威脅。量子密碼技術(shù)的安全性不依賴于計(jì)算的復(fù)雜度，而是基于量子力學(xué)基本原理，即海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理和未知量子態(tài)不可克隆原理。量子密鑰分發(fā)(QuantumKey Distribut1n,QKD)能以絕對(duì)安全的方式讓處于不同地理位置的合法參與者(通常用Alice和Bob表示)分享密鑰，雙方的密鑰發(fā)送信道可以是自由空間或者光纖，采用光纖作為傳輸信道的QKD取得了很大的進(jìn)步。
[0003]目前大多數(shù)實(shí)現(xiàn)的QKD都采用微弱光脈沖的偏振或相位作為信息的載體。然而由于光纖的雙折射和環(huán)境的影響，基于偏振調(diào)制的系統(tǒng)很難部署到實(shí)際的光纖網(wǎng)絡(luò)鏈路上進(jìn)行遠(yuǎn)距離密鑰分發(fā)，即便基于相位調(diào)制的系統(tǒng)也會(huì)受到光纖雙折射的影響。即插即用系統(tǒng)——一種往返的QKD系統(tǒng)，以通過(guò)自動(dòng)補(bǔ)償光纖雙折射效應(yīng)來(lái)消除其對(duì)系統(tǒng)所帶來(lái)的影響，因此在傳輸過(guò)程中不需要任何偏振控制系統(tǒng)就可以保證系統(tǒng)在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的操作穩(wěn)定性。但目前光纖QKD大部分都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)應(yīng)用，無(wú)法直接擴(kuò)展多用戶網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，這是限制其走向大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙之一。
[0004]目前已有的QKD網(wǎng)絡(luò)主要采用兩種技術(shù):一種是基于光學(xué)節(jié)點(diǎn)的QKD網(wǎng)絡(luò)，光學(xué)節(jié)點(diǎn)可以是分光器，光開(kāi)關(guān)、波分復(fù)用器或者其他光學(xué)被動(dòng)器件；另一種是基于可信中繼的QKD網(wǎng)絡(luò)，其難點(diǎn)在于保持中繼的可靠性。相較于第二種QKD網(wǎng)絡(luò)，基于光學(xué)節(jié)點(diǎn)的QKD網(wǎng)絡(luò)無(wú)需必須保證光學(xué)節(jié)點(diǎn)的絕對(duì)可靠性。基于分光器的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)具有安全性好、容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但也存在一個(gè)非常明顯的缺點(diǎn)，就是其網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展會(huì)嚴(yán)重影響單用戶密鑰生成率和傳輸距離。Alice發(fā)射的平均光子數(shù)為μ的光脈沖被分光器分成N份,其中N為用戶數(shù)，這樣發(fā)送給每個(gè)接收端Bob的平均光子數(shù)為μ N，那么最終的密鑰生成率會(huì)因?yàn)楣庾訑?shù)的減少降為單用戶密鑰生成率的N分之一。隨著用戶數(shù)N的增加，網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離及單用戶密鑰生成率都會(huì)隨之成倍減小。早期基于波分復(fù)用技術(shù)(Wavelength Divis1nMultiplexing,WDM)的可調(diào)諧波長(zhǎng)光源多用戶QKD方案雖然可以不再將發(fā)射方Alice發(fā)射的脈沖均分給不同的用戶，但同一時(shí)刻激光器產(chǎn)生的脈沖仍然為單一波長(zhǎng)脈沖，只能服務(wù)于單一用戶，這造成了多用戶不能同時(shí)工作的困境，而且從全局時(shí)間來(lái)看，單用戶的密鑰生成率仍然受困于用戶規(guī)模，即隨著用戶數(shù)的增加，單用戶的密鑰生成率會(huì)減小。后續(xù)的改進(jìn)方案中雖然都試圖解決密鑰生成率隨用戶數(shù)的增加而減小的問(wèn)題，但新的問(wèn)題隨之出現(xiàn)，比如不同用戶之間的相互干擾，這給網(wǎng)絡(luò)中用戶增加了不必要的誤碼，而且這些方案的實(shí)際可行性也有待進(jìn)一步驗(yàn)證。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型的目的是提供一種多用戶波分復(fù)用量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將單光源多波長(zhǎng)激光器同時(shí)產(chǎn)生的多波長(zhǎng)脈沖作為多用戶信息傳輸?shù)妮d體，將各個(gè)波長(zhǎng)脈沖發(fā)送到不同的合法用戶，各用戶相對(duì)獨(dú)立，保證單用戶的密鑰生成率穩(wěn)定，不會(huì)隨著用戶的增加而減小。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取以下技術(shù)方案:
[0007]—種多用戶波分復(fù)用量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括Alice控制端、脈沖輸送線路和Bob用戶端，Alice控制端通過(guò)脈沖輸送線路與Bob用戶端連接。
[0008]所述Alice控制端包括多波長(zhǎng)脈沖產(chǎn)生裝置、環(huán)形器、耦合器、非平衡干涉儀以及兩個(gè)單光子探測(cè)器組；多波長(zhǎng)脈沖產(chǎn)生裝置輸出的脈沖組經(jīng)過(guò)環(huán)形器后，通過(guò)耦合器注入到非平衡干涉儀，非平衡干涉儀長(zhǎng)臂上順次包含有短延遲線、單一相位調(diào)制器和偏振分束器，非平衡干涉儀短臂接偏振分束器，一單光子探測(cè)器組通過(guò)環(huán)形器接耦合器的輸入端，另一單光子探測(cè)器組接耦合器的耦合端。
[0009]所述Bob用戶端包括分束器、用于調(diào)制脈沖加載相位信息的上支路和用于為上支路提供參考信息和系統(tǒng)安全監(jiān)控的下支路，Alice控制端中的偏振分束器通過(guò)脈沖輸送線路接Bob用戶端的分束器，分束器的輸出端分別接上、下支路。
[0010]所述上支路包括順次連接的可變光衰減器、脈沖延時(shí)裝置、光纖延遲線、相位調(diào)制器以及反射裝置，分束器的上輸出端接可變光衰減器。
[0011]所述下支路包括順次連接的可變光衰減器和經(jīng)典探測(cè)器，分束器的下輸出端接可變光衰減器。
[0012]多波長(zhǎng)脈沖產(chǎn)生裝置能夠產(chǎn)生滿足多個(gè)用戶同時(shí)通信所需的多波長(zhǎng)激光脈沖，相比于采用單波長(zhǎng)光源組方案，該脈沖產(chǎn)生方案既可以降低脈沖產(chǎn)生和控制成本，又可以摒棄單波長(zhǎng)光源組方案所產(chǎn)生脈沖的差異性。非平衡干涉儀的長(zhǎng)臂上單一相位調(diào)制器同時(shí)為網(wǎng)絡(luò)中所有用戶加載相位信息，單一相位調(diào)制器代替常用的多相位調(diào)制器結(jié)構(gòu)，保證了相位調(diào)制一致性和穩(wěn)定性的同時(shí)，也降低了系統(tǒng)成本。兩個(gè)單光子探測(cè)器組根據(jù)返回脈沖在干涉儀輸出端的干涉情況，分別記錄干涉結(jié)果，而單光子探測(cè)器組中某一波長(zhǎng)探測(cè)模塊的響應(yīng)與否，在于與之對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)脈沖是否發(fā)生了相長(zhǎng)干涉。單光子探測(cè)器組中響應(yīng)的探測(cè)模塊在每次探測(cè)事件之后會(huì)進(jìn)入休眠時(shí)間，即通過(guò)加入死時(shí)間來(lái)消除后脈沖所引起的干擾計(jì)數(shù)，降低系統(tǒng)誤碼率。
[0013]每一 Bob用戶都將入射脈沖分成強(qiáng)弱兩路，上支路(較弱一路)用于調(diào)制脈沖加載相位信息，下支路(較強(qiáng)一路)主要用于為上支路提供參考信息和系統(tǒng)安全監(jiān)控。上支路通過(guò)脈沖延時(shí)裝置設(shè)置每個(gè)Bob用戶的脈沖延時(shí)，使每個(gè)用戶的脈沖能夠幾乎同時(shí)返回到Alice端。光纖延遲線則專為消除前向強(qiáng)脈沖的瑞利散射光而設(shè)置，讓返回脈沖錯(cuò)開(kāi)較強(qiáng)的前向強(qiáng)脈沖產(chǎn)生的瑞利散射光。下支路的入射脈沖由可變光衰減器對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)衰減以防止探測(cè)器飽和，最后由經(jīng)典探測(cè)器接收，為上支路脈沖相位調(diào)制提供時(shí)間參考，并且依據(jù)入射脈沖的強(qiáng)弱變化為系統(tǒng)提供安全監(jiān)控服務(wù)。
[0014]在一種優(yōu)選的方案中，所述多波長(zhǎng)脈沖產(chǎn)生裝置包括連接的單光源多波長(zhǎng)脈沖激光器和波長(zhǎng)選擇器。單光源多波長(zhǎng)脈沖激光器用于產(chǎn)生能夠滿足多個(gè)用戶同時(shí)通信所需的多波長(zhǎng)激光脈沖。波長(zhǎng)選擇器根據(jù)波長(zhǎng)分配規(guī)劃挑選適合于各Bob用戶使用的波長(zhǎng)脈沖，且其波長(zhǎng)選擇的靈活性為多用戶網(wǎng)絡(luò)的用戶波長(zhǎng)變更和用戶增減提供了可能，增加了網(wǎng)絡(luò)的可拓展性。
[0015]在一種優(yōu)選的方案中，所述單光子探測(cè)器組包括連接的多個(gè)單光子探測(cè)器和一個(gè)波分復(fù)用器。
[0016]由于法拉第鏡能夠自動(dòng)補(bǔ)償光纖的雙折射效應(yīng)，則在一種優(yōu)選的方案中，所述反射裝置為法拉第鏡，即上支路通過(guò)法拉第鏡來(lái)改變脈沖傳輸方向。
[0017]在一種優(yōu)選的方案中，所述脈沖輸送線路包括通過(guò)波長(zhǎng)路由裝置連接的一條第一光纖和若干條第二光纖，第二光纖的數(shù)量與Bob用戶端數(shù)量相同。
[0018]其中第一光纖為共用光纖，第二光纖為專用光纖。由于各Bob用戶分布分散，無(wú)法只使用一條線路輸送脈沖，故本系統(tǒng)采取兩級(jí)輸送線路。根據(jù)用戶分布，共用光纖與專用光纖長(zhǎng)度比例可以調(diào)節(jié)，一般地，共用光纖盡可能的長(zhǎng)，而專用光纖盡可能的短，目的在于讓各Bob用戶脈沖所經(jīng)過(guò)的路徑差異盡可能小，減小返回脈沖到達(dá)Alice端的時(shí)間抖動(dòng)和不同步差異。
[0019]波長(zhǎng)路由裝置控制各波長(zhǎng)脈沖信號(hào)的路徑選擇，在一種優(yōu)選的方案中，所述波長(zhǎng)路由裝置為波分復(fù)用器、陣列波導(dǎo)光柵、布拉格光柵或波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)中任意一種。
[0020]在一種優(yōu)選的方案中，所述非平衡干涉儀的長(zhǎng)臂和短臂均為保偏光纖，采用保偏光纖來(lái)抑制偏振效應(yīng)。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果為:
[0022]I)、波分復(fù)用技術(shù)保證了各個(gè)用戶之間的相對(duì)獨(dú)立，單用戶的密鑰生成率不會(huì)隨著用戶的增加而減小；2)、單光源多波長(zhǎng)激光器代替多光源結(jié)構(gòu)，減小信號(hào)發(fā)射裝置的成本，單一相位調(diào)制器代替多相位調(diào)制器結(jié)構(gòu)，保證了相位調(diào)制一致性和穩(wěn)定性的同時(shí)，也降低了系統(tǒng)成本；3)、用戶終端采用可變延時(shí)裝置，調(diào)整各用戶之間返回脈沖的返回時(shí)刻，保證了網(wǎng)絡(luò)的靈活性；4)、系統(tǒng)中采用的各器件成熟，整體方案具有較高可實(shí)施性，且用戶數(shù)量可以增加，具有良好拓展性。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為波分復(fù)用量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)示意圖。
[0024]圖2為本實(shí)用新型的多用戶波分復(fù)用量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
[0025]圖3為相位調(diào)制過(guò)程示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0026]附圖僅用于示例性說(shuō)明，不能理解為對(duì)本專利的限制；
[0027]圖1中:101-共用光纖;102-波長(zhǎng)路由裝置;103、104、105、106-專用光纖；
[0028]圖2中:201-多波長(zhǎng)激光器MW-LD ；202~波長(zhǎng)篩選器WS ；203~光路環(huán)形器CIR ；204、205、206、207、210、211、212、213_單光子探測(cè)模塊SPD ;208、209、221_波分復(fù)用器MUX ；214-耦合器 C ;215、229、237、245、253_ 延遲線 DL ;216、230、238、246、254_ 相位調(diào)制器 PM ；217-長(zhǎng)臂；218-短臂；219-偏振分束器 PBS ;220、222、223、224、225_ 單模光纖 SMF ;226、234,242,250-分束器 S ;227、232、235、240、243、248、251、256_ 可變光衰減器 VOA ;228、236,244,252-延時(shí)器 TD ;231、239、247、255_ 法拉第鏡 FM ;233、241、249、257_ 探測(cè)器；258-多波長(zhǎng)脈沖產(chǎn)生裝置；259、260_單光子探測(cè)器組；261_相位調(diào)制裝置；262_脈沖傳輸線路；
[0029]圖3中:301-Alice端相位信號(hào);302_ λ I參考脈沖;303_ λ 2參考脈沖;304_ λ 3參考脈沖；305_λ 4參考脈沖；306_λ I信號(hào)脈沖；307_Bob端相位信號(hào)參考脈沖。
[0030]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0031]本實(shí)用新型是一種點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的組網(wǎng)方式，特別地可以進(jìn)一步延伸到多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的方式。所描述的實(shí)施例只是本實(shí)用新型一對(duì)多方式中的一種，顯然地，它可以較易地?cái)U(kuò)展到更多應(yīng)用，一個(gè)較具代表性的波分復(fù)用量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1所示。
[0032]實(shí)施例1
[0033]圖1中，Alice作為脈沖信號(hào)的發(fā)射方，擁有一個(gè)多波長(zhǎng)光源，能夠產(chǎn)生滿足多個(gè)Bob用戶同時(shí)通信所使用的不同波長(zhǎng)的脈沖信號(hào)。每個(gè)Bob用戶可以分配到某一波長(zhǎng)的信號(hào)，且其對(duì)脈沖波長(zhǎng)具有較寬適用性，即在波長(zhǎng)規(guī)劃過(guò)程中調(diào)整各Bob之間信號(hào)波長(zhǎng)的分配后，Bob仍然可以正常工作。圖1中光纖101為各用戶共同使用，光纖103、104、105和106為每個(gè)用戶的專用光纖，每個(gè)用戶的專用光纖和共用光纖101之和定義為每個(gè)用戶的距離。波長(zhǎng)路由裝置102用在控制端Alice和用戶端Bob之間，控制各波長(zhǎng)脈沖信號(hào)的路徑選擇，它可以是波分復(fù)用器、陣列波導(dǎo)光柵、布拉格光柵、波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)等器件，但同一的要求是對(duì)傳輸業(yè)務(wù)具有透明性，且具有損耗小、反應(yīng)快、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。
[0034]圖2本實(shí)用新型的多用戶波分復(fù)用量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)施例示意圖。該系統(tǒng)采用往返式結(jié)構(gòu)，涉及五個(gè)用戶，其中Alice作為控制端，產(chǎn)生包含四種波長(zhǎng)的脈沖組，分別發(fā)送到四個(gè)獨(dú)立的用戶Bob。脈沖傳輸線路包含一段共用光纖、一個(gè)波分復(fù)用器以及四段專用光纖，其中波分復(fù)用器作為脈沖路徑選擇的控制者。各Bob接收到Alice控制站發(fā)送來(lái)的脈沖后，根據(jù)需要，對(duì)脈沖進(jìn)行相位調(diào)制，加載信息，并根據(jù)各Bob與Alice控制站的總距離差關(guān)系，設(shè)置延時(shí)，然后將脈沖返回Alice控制站。下面具體地描述脈沖傳遞過(guò)程。
[0035]Alice利用多波長(zhǎng)激光器201產(chǎn)生具有多個(gè)波長(zhǎng)的脈沖串，波長(zhǎng)間隔為0.8nm，其中的四個(gè)波長(zhǎng)脈沖串將由波長(zhǎng)篩選器202按波長(zhǎng)規(guī)劃的要求挑選出來(lái)供四個(gè)Bob使用，分別為 1550.116nm、1550.918nm、1552.524nm 和 1554.94nm。脈沖經(jīng)過(guò)環(huán)形器 203 后，通過(guò)50:50的耦合器214注入到非平衡干涉儀。這樣每個(gè)脈沖組都被分成兩部分，一部分將穿過(guò)包含短延遲線215、相位調(diào)制器216和偏振分束器219的長(zhǎng)臂217，另一部分則通過(guò)下方的短臂218，這樣兩部分脈沖從偏振分束器219出射時(shí)會(huì)有一個(gè)時(shí)間差，體現(xiàn)在位置上會(huì)有一個(gè)距離差，前者稱作參考脈沖，后者稱作信號(hào)脈沖。
[0036]需要指出的是，非平衡干涉儀的長(zhǎng)臂217和短臂218均采用保偏光纖來(lái)抑制偏振效應(yīng)。
[0037]在脈沖傳輸線路261上，采取兩級(jí)線路輸送脈沖，從偏振分束器219出射的脈沖組先經(jīng)過(guò)第一級(jí)量子信道，即共用光纖(第一光纖)220，然后被波分復(fù)用器221以波長(zhǎng)尋址的方式分開(kāi)，每一波長(zhǎng)的脈沖串各自經(jīng)過(guò)下一級(jí)量子信道，即專用光纖(第二光纖)222、223、224和225，到達(dá)各自Bob端。由于各Bob與波分復(fù)用器221的距離不同，第二級(jí)量子信道長(zhǎng)度不同。
[0038]以下以Bobl為例，波長(zhǎng)λ I的脈沖組到達(dá)Bobl后，首先被10:90的分束器226分成兩部分:
[0039]較強(qiáng)的部分走下支路，經(jīng)可變光衰減器232衰減之后被經(jīng)典探測(cè)器233接收，這部分脈沖的作用主要有兩個(gè):一是定時(shí)作用，經(jīng)典探測(cè)器233檢測(cè)到脈沖的時(shí)間被記錄并傳入到控制系統(tǒng)，為上支路脈沖相位調(diào)制施加調(diào)制電壓提供時(shí)間參考；二是安全作用，經(jīng)典探測(cè)器233通過(guò)監(jiān)測(cè)入射脈沖的強(qiáng)度等信息，來(lái)判斷是否有外部信號(hào)攻擊系統(tǒng)，比如特洛伊木馬攻擊。
[0040]而較弱的部分走上支路，同樣被可變光衰減器227衰減，路過(guò)延遲線(也稱為存儲(chǔ)環(huán))229，然后經(jīng)過(guò)相位調(diào)制器230，之前被Alice端非平衡干涉儀分成兩部分脈沖中的信號(hào)脈沖將被加載相位信息，對(duì)應(yīng)于Bob的基選擇，而走在前面的參考脈沖不被調(diào)制。最終脈沖被法拉第鏡231反射，經(jīng)過(guò)延時(shí)器228后給予適當(dāng)延時(shí)，返回控制端Alice。各Bob端根據(jù)他們與Alice端的距離而設(shè)置了不同的時(shí)延，因此從各Bob端返回的脈沖可以幾乎同時(shí)到達(dá)Alice端的非平衡干涉儀。
[0041]需要指出的是，在本實(shí)施例中Bob用戶端沒(méi)有使用普通光反射裝置，而是采用法拉第鏡，這是因?yàn)榉ɡ阽R可以自動(dòng)補(bǔ)償光纖的雙折射效應(yīng)。
[0042]由于偏振分束器219的偏振選擇功能，之前經(jīng)過(guò)干涉儀長(zhǎng)臂217的信號(hào)脈沖此時(shí)將會(huì)經(jīng)過(guò)干涉儀的短臂218，而之前經(jīng)過(guò)干涉儀短臂218的參考脈沖此時(shí)將會(huì)經(jīng)過(guò)干涉儀的長(zhǎng)臂217，相位調(diào)制器216會(huì)對(duì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)臂217的返回脈沖加載相位信息，這對(duì)應(yīng)于Alice的基選擇，不同于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路中Alice端相位加載過(guò)程，此時(shí)四個(gè)Bob的返回脈沖將會(huì)同時(shí)被調(diào)制。經(jīng)過(guò)干涉儀的兩臂的脈沖在耦合器214處再次結(jié)合，根據(jù)Alice與Bob所加相位信息的不同，出現(xiàn)不同的干涉事件。當(dāng)兩路脈沖有180°相位差時(shí)，單光子探測(cè)器組259會(huì)響應(yīng)，并記錄探測(cè)事件。當(dāng)兩路脈沖沒(méi)有相位差時(shí)，單光子探測(cè)器組260會(huì)響應(yīng)，并記錄探測(cè)事件，干涉脈沖波長(zhǎng)的不同，會(huì)引起單光子探測(cè)器組中某個(gè)波長(zhǎng)探測(cè)器的響應(yīng)。
[0043]需要指出的是，由于量子通信系統(tǒng)的弱信號(hào)特點(diǎn)，量子通信網(wǎng)絡(luò)的波長(zhǎng)規(guī)劃在滿足本ITU-T波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，也必須充分考慮四波混頻效應(yīng)。波長(zhǎng)規(guī)劃的一個(gè)重要出發(fā)點(diǎn)就是要讓四波混頻產(chǎn)生的新頻率光盡可能遠(yuǎn)離這四個(gè)脈沖信號(hào)的波長(zhǎng)。在實(shí)際使用過(guò)程中，為了有效減小四波混頻效應(yīng)影響，波長(zhǎng)選擇器采用二級(jí)等差頻率間隔的方式選擇波長(zhǎng)。
[0044]這種適當(dāng)不等間距的波長(zhǎng)信道規(guī)劃設(shè)計(jì)，能使產(chǎn)生的新頻率光大部分遠(yuǎn)離其他信號(hào)波長(zhǎng)，而且四波混頻的效率隨著波長(zhǎng)間隔加大而降低，對(duì)系統(tǒng)影響進(jìn)一步降低。以下面幾個(gè)波長(zhǎng)為例，= fi+Δ f、fi+2 = fj+2 Δ f、fi+3 = fj+3 Δ f、fi+4 = ?^+4Δ f、fi+5 = fj+5 Δ f、fi+6 = fi+6 Δ f、fi+7 = ?Λ? Δ f、fi+8 = A+8 Δ f、fi+9 = A+9 Δ f……Δ f 為符合 ITU-T 波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)的頻率間隔，fi與fi+1、fi+3和fi+6產(chǎn)生的新頻率光分別為fi+2、fi+6和fi+12，fi+1與fi+3和fi+6產(chǎn)生的新頻率光分別為fi+5和fi+11，fi+3與fi+6產(chǎn)生的新頻率光為fi+9，由于A與fi+3的間隔較大，產(chǎn)生的新頻率光fi+6相對(duì)較弱，故在實(shí)際使用過(guò)程中，采用頻率為f1、fi+1、fi+3、fi+6> fi+10等的光脈沖作為信息傳輸?shù)奈锢磔d體。
[0045]圖3為相位調(diào)制過(guò)程示意圖。通過(guò)在Bob端設(shè)置合理的延時(shí)，各位置對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)脈沖可以幾乎同時(shí)到達(dá)Alice端。但由于光在光纖中傳輸速度對(duì)波長(zhǎng)的依賴性、光纖長(zhǎng)度抖動(dòng)、器件不理想等因素，各位置對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)脈沖到達(dá)Alice時(shí)刻出現(xiàn)差別，不過(guò)一定范圍內(nèi)的時(shí)間差不僅不會(huì)影響到系統(tǒng)性能，而且時(shí)分復(fù)用的方式也可以減小四波混頻效應(yīng)。
[0046]在本實(shí)施例中最大時(shí)間差為20ns，但這并沒(méi)有達(dá)到系統(tǒng)所允許的最大時(shí)間差。20ns的時(shí)間差相當(dāng)于脈沖傳輸路徑差異約為4m，這對(duì)于幾十千米的光纖來(lái)說(shuō)，一個(gè)密鑰分發(fā)周期內(nèi)出現(xiàn)4m的長(zhǎng)度波動(dòng)是不可能的。圖3(a)所示，Alice端相位調(diào)制信號(hào)的持續(xù)時(shí)間為90ns，每個(gè)脈沖組可能出現(xiàn)的最大時(shí)間跨度為60ns。采用單一相位調(diào)制器216既能夠避免多個(gè)相位調(diào)制器引起的調(diào)制偏差，也大幅降低了 Alice控制復(fù)雜度和系統(tǒng)成本。圖3(b)所示為Bobl端相位加載過(guò)程，相鄰λ i的參考脈沖302的時(shí)間間隔為200ns，也即是Alice端原始脈沖發(fā)射間隔，而由于非平衡干涉儀引起的同脈沖兩部分之間的時(shí)間間隔為50ns，即λ !的參考脈沖302與之相近λ i的信號(hào)脈沖306時(shí)間間隔為50ns，由于Bobl每次調(diào)制一個(gè)脈沖，加載在其相位調(diào)制器230的相位信號(hào)持續(xù)時(shí)間為35ns。
[0047]相同或相似的標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)相同或相似的部件；
[0048]附圖中描述位置關(guān)系的用于僅用于示例性說(shuō)明，不能理解為對(duì)本專利的限制；
[0049]顯然，本實(shí)用新型的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型所作的舉例，而并非是對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種多用戶波分復(fù)用量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括Alice控制端、脈沖輸送線路和Bob用戶端，Alice控制端通過(guò)脈沖輸送線路與Bob用戶端連接，其特征在于， 所述Alice控制端包括多波長(zhǎng)脈沖產(chǎn)生裝置、環(huán)形器、耦合器、非平衡干涉儀以及兩個(gè)單光子探測(cè)器組；多波長(zhǎng)脈沖產(chǎn)生裝置輸出的脈沖組經(jīng)過(guò)環(huán)形器后，通過(guò)耦合器注入到非平衡干涉儀，非平衡干涉儀長(zhǎng)臂上順次包含有短延遲線、單一相位調(diào)制器和偏振分束器，非平衡干涉儀短臂接偏振分束器，一單光子探測(cè)器組通過(guò)環(huán)形器接耦合器的輸入端，另一單光子探測(cè)器組接耦合器的耦合端； 所述Bob用戶端包括分束器、用于調(diào)制脈沖加載相位信息的上支路和用于為上支路提供參考信息和系統(tǒng)安全監(jiān)控的下支路，Alice控制端中的偏振分束器通過(guò)脈沖輸送線路接Bob用戶端的分束器，分束器的輸出端分別接上、下支路； 所述上支路包括順次連接的可變光衰減器、脈沖延時(shí)裝置、光纖延遲線、相位調(diào)制器以及反射裝置，分束器的上輸出端接可變光衰減器； 所述下支路包括順次連接的可變光衰減器和經(jīng)典探測(cè)器，分束器的下輸出端接可變光衰減器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多用戶波分復(fù)用量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其特征在于，所述多波長(zhǎng)脈沖產(chǎn)生裝置包括連接的單光源多波長(zhǎng)脈沖激光器和波長(zhǎng)選擇器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多用戶波分復(fù)用量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其特征在于，所述單光子探測(cè)器組包括連接的多個(gè)單光子探測(cè)器和一個(gè)波分復(fù)用器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多用戶波分復(fù)用量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其特征在于，所述反射裝置為法拉第鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多用戶波分復(fù)用量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其特征在于，所述脈沖輸送線路包括通過(guò)波長(zhǎng)路由裝置連接的一條第一光纖和若干條第二光纖，第二光纖的數(shù)量與Bob用戶端數(shù)量相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多用戶波分復(fù)用量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其特征在于，所述波長(zhǎng)路由裝置為波分復(fù)用器、陣列波導(dǎo)光柵、布拉格光柵或波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)中的任意一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多用戶波分復(fù)用量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其特征在于，所述非平衡干涉儀的長(zhǎng)臂和短臂均采用保偏光纖。
【文檔編號(hào)】H04J14/02GK203968127SQ201420391259
【公開(kāi)日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月15日
【發(fā)明者】程廣明, 郭邦紅, 郭建軍, 張程賢, 范榕華, 李佼洋 申請(qǐng)人:華南師范大學(xué)