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CN109039474B - 一种规避经典强光对量子信道干扰的处理系统和方法 - Google Patents

一种规避经典强光对量子信道干扰的处理系统和方法 Download PDF

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CN109039474B CN201710437656.3A CN201710437656A CN109039474B CN 109039474 B CN109039474 B CN 109039474B CN 201710437656 A CN201710437656 A CN 201710437656A CN 109039474 B CN109039474 B CN 109039474B
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Abstract

本发明公开了一种规避经典强光对量子信道干扰的处理系统，该处理系统包括控制器及调制器件，QKD系统接收方Bob的探测器通过控制器连接到位于经典光出口的调制器件，在QKD系统流程启动过程中，通过对QKD系统发送方Alice或者QKD系统接收方Bob的经典出口光进行调制来降低QKD系统接收方Bob的探测器引入的噪声计数。本发明还公开了一种规避经典强光对量子信道干扰的处理方法。本发明相比现有技术具有以下优点：1、提高了在单纤承载传输的情况下，量子信道对经典光光强的容忍性，提升了环境适应性。2、降低了对窄带宽滤波器件的依赖性。

Description

一种规避经典强光对量子信道干扰的处理系统和方法
技术领域
本发明涉及经典光通信及量子通信相关技术领域，特别涉及通信中的噪声处理方法。
背景技术
经典-量子共信道传输中，因经典强光在光纤传输链路中产生的信道串扰及非线性噪声对量子密钥分发(QKD)系统产生了一定程度的影响，严重情况下能够导致系统误码率过高无法成码。在现有的技术方案中，主要通过对经典光强度衰减，窄带滤波、时分复用以及时域滤波等技术来实现量子信道与经典信道的单纤承载传输，但目前主要还是限于实验室环境验证。
在现有的技术方案中，通过对经典光强度衰减、窄带滤波、时分复用及时域滤波等技术来降低经典强光非线性噪声引入量子信道的噪声：其中经典光光强的过大衰减易导致经典光通信误码率增大；时分复用技术在现行的经典光通信网络中不具备一定的可行性；窄带滤波技术常见采用窄带光栅滤波(常见的100G DWDM、20G/50G FBG及更窄带的滤波器件等)，然而目前国内在FBG工艺方面存在一定缺陷易导致光栅存在中心波长漂移现象，尤其是带宽20G以下的窄带光栅中心波长漂移会造成量子信道过大的衰减损耗，所以器件的不稳定因素易对QKD系统引入过大损耗而导致无法成码；另外，时域滤波技术在一定程度上能够提高经典光光强的可容忍性，但在实际系统工作中仍需进一步提升经典光容忍强度及量子信道更高的信噪比。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供了一种能够减少QKD系统工作流程中引入的非线性噪声计数，从而容忍更大的经典光强的规避经典强光对量子信道干扰的处理系统和方法。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种规避经典强光对量子信道干扰的处理系统，包括QKD系统发送方Alice、接收方Bob，QKD系统发送方的经典光通信设备、QKD系统接收方的经典光通信设备、发送方波分复用模块，接收方波分复用模块，所述QKD系统发送方Alice以及QKD系统发送方的经典光通信设备均连接到发送方波分复用模块，发送方波分复用模块与接收方波分复用模块通过光纤信道连接，QKD系统接收方Bob以及QKD系统接收方的经典光通信设备均连接到接收方波分复用模块，该处理系统还包括控制器及调制器件，QKD系统接收方Bob的探测器通过控制器连接到位于QKD系统发送方Alice的经典光出口端或者QKD系统接收方Bob的经典光出口端的调制器件，在QKD系统流程启动过程中，通过对QKD系统发送方Alice的经典出口光或者QKD系统接收方Bob的经典出口光进行调制来降低QKD系统接收方Bob的探测器引入的噪声计数。经典出口光方向可以与QKD系统的量子信号同向或者背向传输，因此，经典出口光有可能从QKD系统发送方的经典光通信设备发出，也有可能从QKD系统接收方的经典光通信设备发出，则调制器件可以安装在QKD系统发送方Alice的经典光出口，也可以安装在QKD系统接收方Bob的经典光出口，从而，可以对QKD系统发送方Alice的经典出口光或者QKD系统接收方Bob的经典出口光进行调制。
作为优选的实施方案，调制发生在QKD系统启动流程的偏振反馈过程；
在启动流程的偏振反馈过程中，系统以一定次序、频率周期发送H、P两种线偏振光，在发送H路光时，对V路计数进行统计上报，通过控制器下发控制信号给调制器件对经典出口光进行调制，直至调制计数最小为优，然后进行系统自身HV对比度偏振反馈，达到满足的对比度阈值后进行P路发光测试，其中P路发光时，对N路计数进行上报统计，通过控制器下发控制信号给调制器件对经典出口光进行调制，直至调制计数最小为优，然后进行系统自身PN对比度偏振反馈，达到满足的对比度阈值后进行下一步流程。
作为优选的实施方案，调制发生在QKD系统启动流程的偏振反馈验证过程；
在偏振反馈验证流程中，系统以一定次序、频率周期发送V、N两种线偏振光，在发送V路光时，对H路计数进行统计上报，通过控制器下发控制信号给调制器件对经典出口光进行调制，直至调制计数最小为优，然后进行系统自身HV对比度偏振反馈验证；N路发光时，对P路计数进行上报统计，通过控制器下发控制信号给调制器件对经典出口光进行调制，直至调制计数最小为优，然后进行系统自身PN对比度偏振反馈验证。
作为优选的实施方案，调制发生在QKD系统启动流程的同步修正过程；
在同步修正流程中，系统以一定次序、频率周期发送H、V、P、N四种线偏振光，在H路同步修正执行前，不发送H路光，优先对H路计数进行统计上报，通过控制器下发控制信号给调制器件对经典出口光进行调制，直至调制计数最小后进行H路发光、同步修正流程；其余V/P/N路流程与H路具体操作流程一致。
作为优选的实施方案，所述控制器为DSP控制器，当然也可以为高性能MCU、ARM等微型CPU。
作为优选的实施方案，所述调制器件为偏振调制器，当然，所述调制器件也可以为其他能够实现扰偏、调制等功能的器件。
作为优选的实施方案，传输至QKD系统接收方Bob的光路通过偏振分束组件模块进行分束，分别为H、V、P、N四路，对应于四路探测器，四路探测器的输出端连接到控制器，在系统调制过程中分别对相应的探测器计数进行统计上报，结合上报计数对经典光出口光强进行主动调制。
本发明还公开了一种规避经典强光对量子信道干扰的处理方法，将QKD系统接收方Bob的探测器的输出端通过控制器连接到位于经典光出口的调制器件，在QKD系统流程启动过程中，通过对经典出口光进行调制来降低QKD系统接收方Bob的探测器引入的噪声计数。
作为优选的实施方案，调制发生在QKD系统启动流程的偏振反馈过程；
作为优选的实施方案，在启动流程的偏振反馈过程中，系统以一定次序、频率周期发送H、P两种线偏振光，在发送H路光时，对V路计数进行统计上报，通过控制器下发控制信号给调制器件对经典出口光进行调制，直至调制计数最小为优，然后进行系统自身HV对比度偏振反馈，达到满足的对比度阈值后进行P路发光测试，其中P路发光时，对N路计数进行上报统计，通过控制器下发控制信号给调制器件对经典出口光进行调制，直至调制计数最小为优，然后进行系统自身PN对比度偏振反馈，达到满足的对比度阈值后进行下一步流程。
作为优选的实施方案，调制发生在QKD系统启动流程的偏振反馈验证过程；
在偏振反馈验证流程中，系统以一定次序、频率周期发送V、N两种线偏振光，在发送V路光时，对H路计数进行统计上报，通过控制器下发控制信号给调制器件对经典出口光进行调制，直至调制计数最小为优，然后进行系统自身HV对比度偏振反馈验证；N路发光时，对P路计数进行上报统计，通过控制器下发控制信号给调制器件对经典出口光进行调制，直至调制计数最小为优，然后进行系统自身PN对比度偏振反馈验证。
作为优选的实施方案，调制发生在QKD系统启动流程的同步修正过程；
在同步修正流程中，系统以一定次序、频率周期发送H、V、P、N四种线偏振光，在H路同步修正执行前，不发送H路光，优先对H路计数进行统计上报，通过控制器下发控制信号给调制器件对经典出口光进行调制，直至调制计数最小后进行H路发光、同步修正流程；其余V/P/N路流程与H路具体操作流程一致。
作为优选的实施方案，在系统调制过程中，分别对相应的探测器计数进行统计上报，结合上报计数对经典光出口光强进行主动调制。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1、提高了在单纤承载传输的情况下，量子信道对经典光光强的容忍性，提升了环境适应性。
2、降低了对窄带宽滤波器件的依赖性(如带宽≤20GHz的使用导致的中心波长漂移问题的风险)。
附图说明
图1是本发明实施例一的规避经典强光对量子信道干扰的处理系统的结构原理图；
图2是本发明实施例一的规避经典强光对量子信道干扰的处理方法的流程图；
图3是本发明实施例二的规避经典强光对量子信道干扰的处理系统的结构原理图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
本实施例提出的规避经典强光对量子信道干扰的处理方案为基于经典光偏振调制的方案，主要作用于QKD系统流程启动过程，通过对QKD发送方Alice的经典光出口进行偏振调制来降低QKD接收方Bob的探测器引入的噪声计数，从而保证QKD系统的正常流程启动过程。
规避经典强光对量子信道干扰的处理系统整体框图如图1所示，包括QKD系统发送方Alice、接收方Bob，经典光通信设备发送端Data Transceiver、经典光通信设备接收端Data Receiver、发送方波分复用模块WDM，接收方波分复用模块WDM、DSP控制器及偏振调制器PC。
所述QKD系统发送方Alice以及经典光通信设备发送端Data Transceiver均连接到发送方波分复用模块WDM，发送方波分复用模块WDM与接收方波分复用模块WDM通过光纤信道连接，QKD系统接收方Bob以及经典光通信设备接收端Data Receiver均连接到接收方波分复用模块WDM，QKD系统接收方Bob的探测器通过DSP控制器连接到位于经典光通信设备发送端Data Transceiver的偏振调制器PC。
发送方波分复用模块WDM主要对发送方Alice以及经典光通信设备发送端DataTransceiver不同信道的光进行单纤承载复用，偏振调制器PC主要用来对经典出口光进行偏振调制。接收方波分复用模块WDM主要对单纤承载的发送方Alice以及经典光通信设备发送端Data Transceiver不同信道的光进行解复用，量子信道的光传输至QKD系统接收方Bob，经典光通信数据传输至经典光通信设备接收端Data Receiver。其中传输至QKD系统接收方Bob的光路通过偏振分束组件模块进行分束，分别为H、V、P、N四路，对应于探测器D0、D1、D2、D3，所述偏振分束组件模块包括第一分束器、第二分束器以及第三分束器，传输至QKD系统接收方Bob的光路首先通过第一分束器分为两路，然后分成的两路分别通过第二分束器以及第三分束器又分别分成两路H、V和P、N，探测器D0、D1、D2、D3的输出端连接到DSP控制器。
以诱骗态BB84协议为例，本发明提供的规避经典强光对量子信道干扰的处理方法是在系统流程启动过程中对经典出口光进行偏振反馈调制，由于在系统偏振反馈及同步修正过程中量子信号光非常弱，更易受到经典强光在光纤链路传输中非线性噪声对量子信道产生影响，在系统流程的偏振反馈及同步修正过程中分别对相应的探测器D0、D1、D2、D3计数进行统计上报，结合上报计数对经典光出口光强进行主动调制，保证系统流程的正常运行。
反馈调制主要在QKD流程的偏振反馈、偏振反馈验证、同步修正过程完成。所述偏振反馈验证过程指沿用HV/PN偏振反馈阶段锁定的相位，发送V、N光分别验证V/H、N/P对比度是否也能达到对比阈值。所述同步修正过程的目的是使QKD系统发送方Alice和QKD系统接收方Bob协同工作，利用量子信道传输的同步光实现收发双方同步，即将信号光脉冲相对于同步光脉冲的准确延时位置测出来。如图2所示。在延时扫描完成后启动偏振反馈过程中，系统以一定次序、频率周期发送H、P两种线偏振光，在发送H路光时，对V路计数进行统计上报，通过DSP控制器下发控制信号给偏振调制器PC对经典出口光进行调制，直至调制计数最小为优，然后进行系统自身HV对比度偏振反馈，达到满足的对比度阈值后进行P路发光测试，其中P路发光时，对N路计数进行上报统计，通过DSP控制器下发控制信号给偏振调制器PC对经典出口光进行调制，直至调制计数最小为优，然后进行系统自身PN对比度偏振反馈，达到满足的对比度阈值后进行下一步流程。
在偏振反馈验证流程中，系统以一定次序、频率周期发送V、N两种线偏振光，在发送V路光时，对H路计数进行统计上报，通过DSP控制器下发控制信号给偏振调制器PC对经典出口光进行调制，直至调制计数最小为优，然后进行系统自身HV对比度偏振反馈验证；N路发光时，对P路计数进行上报统计，通过DSP控制器下发控制信号给偏振调制器PC对经典出口光进行调制，直至调制计数最小为优，然后进行系统自身PN对比度偏振反馈验证。
在同步修正流程中，系统以一定次序、频率周期发送H、V、P、N四种线偏振光，在H路同步修正执行前，不发送H路光，优先对H路计数进行统计上报，通过DSP控制器下发控制信号给偏振调制器PC对经典出口光进行调制，直至调制计数最小(或者参照上述流程将调制参数进行直接下发)后进行H路发光、同步修正流程；其余V/P/N路流程与H路具体操作流程一致，其中调制至计数最小，是保证在探测器暗计数的基础上经典光引入最小的噪声，降低经典光引入噪声对QKD系统流程的影响。
实施例二
该实施例与上述实施例一的区别在于，控制器采用MCU，且经典出口光方向与QKD系统的量子信号背向传输，因此，规避经典强光对量子信道干扰的处理系统整体框图如图3所示，包括QKD系统发送方Alice、接收方Bob，位于接收方Bob的经典光通信设备发送端DataTransceiver、位于发送方Alice的经典光通信设备接收端Data Receiver、发送方波分复用模块WDM，接收方波分复用模块WDM、MCU及偏振调制器PC。
所述QKD系统发送方Alice以及经典光通信设备接收端Data Receiver均连接到发送方波分复用模块WDM，发送方波分复用模块WDM与接收方波分复用模块WDM通过光纤信道连接，QKD系统接收方Bob以及经典光通信设备发送端Data Transceiver均连接到接收方波分复用模块WDM，QKD系统接收方Bob的探测器通过MCU连接到位于经典光通信设备发送端Data Transceiver的偏振调制器PC。
采用该实施例的规避经典强光对量子信道干扰的处理系统的处理方法与实施例一完全相同，只是经典出口光是从QKD系统接收方的经典光通信设备发出，调制器件安装在QKD系统接收方Bob的经典光出口，对QKD系统接收方Bob的经典出口光进行调制。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种规避经典强光对量子信道干扰的处理系统，包括QKD系统发送方Alice、接收方Bob，QKD系统发送方的经典光通信设备、QKD系统接收方的经典光通信设备、发送方波分复用模块，接收方波分复用模块，所述QKD系统发送方Alice以及QKD系统发送方的经典光通信设备均连接到发送方波分复用模块，发送方波分复用模块与接收方波分复用模块通过光纤信道连接，QKD系统接收方Bob以及QKD系统接收方的经典光通信设备均连接到接收方波分复用模块，其特征在于，还包括控制器及调制器件，QKD系统接收方Bob的探测器通过控制器连接到位于QKD系统发送方Alice的经典光出口端或者QKD系统接收方Bob的经典光出口端的调制器件，在QKD系统流程启动过程中，通过对QKD系统发送方Alice的经典出口光或者QKD系统接收方Bob端的经典出口光进行调制来降低QKD系统接收方Bob的探测器引入的噪声计数；
调制在QKD系统启动流程的偏振反馈、偏振反馈验证、同步修正过程完成；
在启动流程的偏振反馈过程中，系统以一定次序、频率周期发送H、P两种线偏振光，在发送H路光时，对V路计数进行统计上报，通过控制器下发控制信号给调制器件对经典出口光进行调制，直至调制计数最小为优，然后进行系统自身HV对比度偏振反馈，达到满足的对比度阈值后进行P路发光测试，其中P路发光时，对N路计数进行上报统计，通过控制器下发控制信号给调制器件对经典出口光进行调制，直至调制计数最小为优，然后进行系统自身PN对比度偏振反馈，达到满足的对比度阈值后进行下一步流程；
在偏振反馈验证流程中，系统以一定次序、频率周期发送V、N两种线偏振光，在发送V路光时，对H路计数进行统计上报，通过控制器下发控制信号给调制器件对经典出口光进行调制，直至调制计数最小为优，然后进行系统自身HV对比度偏振反馈验证；N路发光时，对P路计数进行上报统计，通过控制器下发控制信号给调制器件对经典出口光进行调制，直至调制计数最小为优，然后进行系统自身PN对比度偏振反馈验证；
在同步修正流程中，系统以一定次序、频率周期发送H、V、P、N四种线偏振光，在H路同步修正执行前，不发送H路光，优先对H路计数进行统计上报，通过控制器下发控制信号给调制器件对经典出口光进行调制，直至调制计数最小后进行H路发光、同步修正流程；其余V/P/N路流程与H路具体操作流程一致。
2.根据权利要求1所述的一种规避经典强光对量子信道干扰的处理系统，其特征在于，所述控制器为DSP控制器。
3.根据权利要求1所述的一种规避经典强光对量子信道干扰的处理系统，其特征在于，所述调制器件为偏振调制器。
4.根据权利要求1所述的一种规避经典强光对量子信道干扰的处理系统，其特征在于，传输至QKD系统接收方Bob的光路通过偏振分束组件模块进行分束，分别为H、V、P、N四路，对应于四路探测器，四路探测器的输出端连接到控制器，在系统调制过程中分别对相应的探测器计数进行统计上报，结合上报计数对经典光出口光强进行主动调制。
5.一种规避经典强光对量子信道干扰的处理方法，其特征在于，将QKD系统接收方Bob的探测器的输出端通过控制器连接到位于经典光出口的调制器件，在QKD系统流程启动过程中，通过对经典出口光进行调制来降低QKD系统接收方Bob的探测器引入的噪声计数；
调制在QKD系统启动流程的偏振反馈、偏振反馈验证、同步修正过程完成；
在启动流程的偏振反馈过程中，系统以一定次序、频率周期发送H、P两种线偏振光，在发送H路光时，对V路计数进行统计上报，通过控制器下发控制信号给调制器件对经典出口光进行调制，直至调制计数最小为优，然后进行系统自身HV对比度偏振反馈，达到满足的对比度阈值后进行P路发光测试，其中P路发光时，对N路计数进行上报统计，通过控制器下发控制信号给调制器件对经典出口光进行调制，直至调制计数最小为优，然后进行系统自身PN对比度偏振反馈，达到满足的对比度阈值后进行下一步流程；
在偏振反馈验证流程中，系统以一定次序、频率周期发送V、N两种线偏振光，在发送V路光时，对H路计数进行统计上报，通过控制器下发控制信号给调制器件对经典出口光进行调制，直至调制计数最小为优，然后进行系统自身HV对比度偏振反馈验证；N路发光时，对P路计数进行上报统计，通过控制器下发控制信号给调制器件对经典出口光进行调制，直至调制计数最小为优，然后进行系统自身PN对比度偏振反馈验证；
在同步修正流程中，系统以一定次序、频率周期发送H、V、P、N四种线偏振光，在H路同步修正执行前，不发送H路光，优先对H路计数进行统计上报，通过控制器下发控制信号给调制器件对经典出口光进行调制，直至调制计数最小后进行H路发光、同步修正流程；其余V/P/N路流程与H路具体操作流程一致。
6.根据权利要求5所述的一种规避经典强光对量子信道干扰的处理方法，其特征在于，在系统调制过程中，分别对相应的探测器计数进行统计上报，结合上报计数对经典光出口光强进行主动调制。
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