空分复用连续变量量子通信加密系统及实现方法转让专利
申请号 : CN201911070389.6
文献号 : CN110830249B
文献日 : 2021-04-20
发明人 : 曹昱 , 梁建武 , 钟海 , 郭迎 , 毛云
申请人 : 中南大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种空分复用连续变量量子通信加密系统，其特征在于，包括：连续变量量子信号发送端，用于时钟信号生成，密钥生成，光脉冲调制，并将时钟信号与调制后的量子信号通过单模光纤发送至光分插复用器；
经典信号发送端，包括经典信号收发机，用于产生经典信号，生成量子通信时钟信号，并将信号通过单模光纤发送至光分插复用器，同时接收并检测来自光分插复用器的经典信号；
连续变量量子信号接收端，用于检测连续变量量子信号，并根据检测结果与连续变量量子信号发送端进行密钥协商、私密放大，最终使得双方获取安全密钥；
经典信号接收端包括经典信号收发机，用于检测经典信号，检测来自光分插复用器的经典信号，同时生成经典信号并通过单模光纤发送至光分插复用器；检测时钟信号并将检测结果输入连续变量量子信号接收端的FPGA数据采集卡，用于量子信号检测；
光分插复用器用于将不同波长的光信号进行复用并通过单模光纤发送至空分复用器；
光分插复用器用于将包含不同波长的光信号解复用，并将量子信号通过单模光纤发送至连续变量量子信号接收端，将经典信号与时钟信号通过单模光纤发送至经典信号接收端上的经典信号收发机；
空分复用器，用于在发送端将多路光波分复用信号进行空分复用并将信号送入通信信道，在接收端将空分复用光信号解复用并将各个光波分复用信号通过单模光纤发送至光分插复用器；空分复用器为多芯光纤扇入扇出或者模分复用器；多芯光纤扇入扇出用于将多个单模光信号耦合进多芯光纤中以及将光信号从多芯光纤耦合到各个单模光纤中；模分复用器用于将多个单模光信号耦合进少模光纤中以及将光信号从少模光纤耦合到各个单模光纤中；
通信信道，为多芯光纤或者少模光纤形成的传输媒介，用于传输经空分复用后的经典信号与量子信号。
2.根据权利要求1所述的一种空分复用连续变量量子通信加密系统，其特征在于，所述连续变量量子信号发送端包括：
脉冲激光器，用于产生脉冲相干光；
第一分束器，用于将脉冲相干光分离为1％的信号光与99％本振光；
电光强度调制器，用于将第一分束器分离的信号光进行幅度调制，并发送至第一电光相位调制器；
第一电光相位调制器，用于将电光强度调制器发送过来的信号光进行相位调制，并发送至可调衰减器；
可调衰减器，用于将接收到的信号光能量进行衰减至量子水平，并发送至偏振耦合器；
偏振耦合器，用于将接收到的信号光和第一分束器分离的本振光耦合成一路量子信号，并将量子信号(接收端)通过单模光纤发送至光分插复用器；
FPGA信号生成卡用于以外部时钟输入模式接收时钟源输出的时钟信号并以此时钟为基准生成连续变量量子信号发送端所需调制信号；包括电压值服从瑞利分布的模拟信号和电压值服从均匀分布的模拟信号；电压值服从瑞利分布的模拟信号输入电光强度调制器，电压值服从均匀分布的模拟信号输入第一电光相位调制器。
3.根据权利要求1所述的一种空分复用连续变量量子通信加密系统，其特征在于，所述连续变量量子信号接收端，包括：
偏振分束器，用于在连续变量量子信号接收端将量子信号分成10％的信号光与90％的本振光，本振光送入第二电光相位调制器，信号光送入第二分束器；
第二电光相位调制器，用于将偏振分束器分离的本振光进行测量基随机选择后发送至第二分束器；
第二分束器，用于将第二电光相位调制器发送过来的本振光与偏振分束器分离的信号光进行干涉，并发送至零差探测器；
零差探测器，用于对接收到的本振光和偏振分束器发送来的信号光进行零差检测，并将检测结果发送至FPGA数据采集卡。
4.根据权利要求1所述的一种空分复用连续变量量子通信加密系统，其特征在于，所述连续变量量子信号接收端还包括随机数生成器，所述随机数生成器能够生成用于随机选择测量基的信号，并输入至第二电光相位调制器进行相移0或π/2的随机选择，所述随机数生成器生成的信号，还将输入FPDA数据采集卡用于后续与连续变量量子信号发送端进行对基；所述FPGA数据采集卡，用于采集零差探测器输出、随机数产生器输出与时钟信号。
5.如权利要求1‑4任一项所述的一种空分复用连续变量量子通信加密系统的实现方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：步骤S1：在连续变量量子信号发送端，脉冲激光器产生脉冲相干光，经过第一分束器分离成信号光与本振光，信号光依次经过电光强度调制器、第一电光相位调制器调制后，再经过可调衰减器，与本振光在偏振耦合器中耦合，并通过单模光纤发送至光分插复用器；时钟源产生时钟信号并通过单模光纤发送至光分插复用器；在经典信号发送端，经典信号收发机产生经典信号，通过单模光纤发送至光分插复用器；光分插复用器将量子信号与经典信号波分复用后将信号通过单模光纤送至发送端的空分复用器，空分复用器将多路波分复用信号复用后将信号送入通信信道；
步骤S2：接收端的空分复用器将接收到的信号解复用成多路波分复用信号并将这些信号分别送至各个光分插复用器；光分插复用器再将信号解复用后将经典信号与时钟信号通过单模光纤发送至经典信号收发机，将量子信号通过单模光纤送至连续变量量子信号接收端；量子信号通过偏振分束器分成信号光与本振光，本振光经过第二电光相位调制器使用随机数生成器进行测量基随机选择后与偏振分束器分离出来的信号光在第二分束器进行干涉；干涉后通过零差探测器进行检测并将检测结果输入FPGA数据采集卡；
步骤S3：连续变量量子信号接收端基于检测到的信号与连续变量量子信号发送端进行密钥协商和私密放大后，两者获得一对安全密钥。
6.根据权利要求5所述的一种空分复用连续变量量子通信加密系统的实现方法，其特征在于，所述多芯光纤扇入扇出采用型号为FAN‑7‑42的多芯光纤扇入扇出模块；所述模分复用器采用型号为PROTEUS‑S‑6的标准模式空分复用器模块；所述FPGA信号生成卡、FPGA数据采集卡均采用Xilinx VC707与FMC176组合而成；所述第一电光相位调制器、第二电光相位调制器均采用型号为MPZ‑LN‑10的电光相位调制器；所述偏振耦合器采用型号为PBC980PM‑FC的偏振光束耦合器；所述电光强度调制器采用型号为MX‑LN‑10的电光强度调制器；所述脉冲激光器采用型号为OPG1015的皮秒光脉冲发生器；所述零差探测器采用型号为PDA435A的平衡放大光电探测器；所述多芯光纤为型号为MFC‑7‑42/150/250的7芯多芯光纤；所述少模光纤为长飞4模少模光纤。
说明书 :
空分复用连续变量量子通信加密系统及实现方法
技术领域
背景技术
散变量和连续变量两个方向。与离散变量量子通信协议相比，连续变量量子通信其量子态
更容易制备，可融入现有的光纤系统中，且可以使用高效低成本的零差检测或者外差检测
技术，这使得连续变量量子通信系统更容易进入商业化领域。
来提升密钥比特率是一个十分重要的方法。目前连续变量量子通信系统已经利用的复用技
术包括时分、频分、波分、偏振复用。因此，可以利用新的复用技术来提升安全密钥比特率。
子通信是目前最佳的候选加密手段之一，如何更好的将连续变量量子通信应用于实际尤为
重要。目前已经建立起了广泛的光纤通信系统，将连续变量量子通信与目前的通信系统兼
容减少大量的人力物力财力。这就要求连续变量量子通信与经典信号能够共存。因此如何
实现连续变量量子通信与经典信号共存势在必行。
发明内容
信号无法共存的问题。
量量子信号接收端的FPGA数据采集卡；
光分插复用器；
号和电压值服从均匀分布的模拟信号；电压值服从瑞利分布的模拟信号输入电光强度调制
器，电压值服从均匀分布的模拟信号输入第一电光相位调制器。
随机选择，所述随机数生成器生成的信号，还将输入FPDA数据采集卡用于后续与连续变量
量子信号发送端进行对基；所述FPGA数据采集卡，用于采集零差探测器输出、随机数产生器
输出与时钟信号。
过单模光纤发送至连续变量量子信号接收端，将经典信号与时钟信号通过单模光纤发送至
经典信号接收端上的经典信号收发机。
光纤中；模分复用器用于将多个单模光信号耦合进少模光纤中以及将光信号从少模光纤耦
合到各个单模光纤中。
再经过可调衰减器，与本振光在偏振耦合器中耦合，并通过单模光纤发送至光分插复用器；
时钟源产生时钟信号并通过单模光纤发送至光分插复用器；在经典信号发送端，经典信号
收发机产生经典信号，通过单模光纤发送至光分插复用器；光分插复用器将量子信号与经
典信号波分复用后将信号通过单模光纤送至发送端的空分复用器，空分复用器将多路波分
复用信号复用后将信号送入通信信道；
号通过单模光纤发送至经典信号收发机，将量子信号通过单模光纤送至连续变量量子信号
接收端；量子信号通过偏振分束器分成信号光与本振光，本振光经过第二电光相位调制器
使用随机数生成器进行测量基随机选择后与偏振分束器分离出来的信号光在第二分束器
进行干涉；干涉后通过零差探测器进行检测并将检测结果输入FPGA数据采集卡；
成卡、FPGA数据采集卡均采用Xilinx VC707与FMC176组合而成；所述第一电光相位调制器、
第二电光相位调制器均采用型号为MPZ‑LN‑10的电光相位调制器；所述偏振耦合器采用型
号为PBC980PM‑FC的偏振光束耦合器；所述电光强度调制器采用型号为MX‑LN‑10的电光强
度调制器；所述脉冲激光器采用型号为OPG1015的皮秒光脉冲发生器；所述零差探测器采用
型号为PDA435A的平衡放大光电探测器；所述多芯光纤为型号为MFC‑7‑42/150/250的7芯多
芯光纤；所述少模光纤为长飞4模少模光纤（阶跃型）。
模光纤，实现了连续变量量子信号与经典信号共存下在分割空间或者空间模式上的复用。
在发送端通过光分插设备将量子信号与经典信号波分复用，再通过空分复用设备将多路波
分复用信号进行空分复用并送入由多芯光纤或者少模光纤构成的通信信道，实现了同时空
分复用多路量子信号与经典信号。在接收端再对收到的信号解复用以及测量。基于上述过
程，实现了面向多芯光纤与少模光纤的同时进行连续变量量子通信与经典信号的共同传
输。本发明通过利用空分复用技术，实现了同时进行连续变量量子通信与经典信号的在多
芯光纤与少模光纤上的传输，并进一步提高了连续变量量子通信系统的安全密钥比特率。
附图说明
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图获得其他的附图。
具体实施方式
内容以后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申
请所限定的保护范围。
端包括：脉冲激光器，用于产生脉冲相干光；第一分束器，用于将脉冲相干光分离为1%的信
号光与99%本振光，将脉冲相干光分离成较弱的信号光和较强的本振光，其中本振光用于在
接收端与信号光进行干涉、差分来获得随机选择的正交分量的测量结果，且本振光对信号
光有放大其强度的作用；电光强度调制器，用于将第一分束器分离的信号光进行幅度调制，
并发送至第一电光相位调制器；第一电光相位调制器，用于将电光强度调制器发送过来的
信号光进行相位调制，并发送至可调衰减器；可调衰减器，用于将接收到的信号光能量进行
衰减至量子水平，并发送至偏振耦合器；偏振耦合器，用于将接收到的信号光和第一分束器
分离的本振光耦合成一路量子信号，并将量子信号通过单模光纤发送至光分插复用器；
FPGA信号生成卡用于以外部时钟输入模式接收时钟源输出的时钟信号并以此时钟为基准
生成连续变量量子信号发送端所需调制信号；包括电压值服从瑞利分布的模拟信号和电压
值服从均匀分布的模拟信号；电压值服从瑞利分布的模拟信号输入电光强度调制器，电压
值服从均匀分布的模拟信号输入第一电光相位调制器。
发机，用于产生与检测经典信号，生成量子通信时钟信号。
量子信号接收端，包括：偏振分束器，用于在连续变量量子信号接收端将量子信号分成10%
的信号光与90%的本振光，本振光送入第二电光相位调制器，信号光送入第二分束器，在接
收端，将单模光纤传输过来的量子信号分离成较弱的信号光信号和本振光信号，其中本振
光在随机测量基的选择后用于与信号光进行干涉，然后进行零差检测；第二电光相位调制
器，用于将偏振分束器分离的本振光进行测量基随机选择后发送至第二分束器；第二分束
器，用于将第二电光相位调制器发送过来的本振光与偏振分束器分离的信号光进行干涉，
并发送至零差探测器；零差探测器，用于对接收到的本振光和偏振分束器发送来的信号光
进行零差检测，并将检测结果发送至FPGA数据采集卡；随机数生成器，能够生成用于随机选
择测量基的信号，并输入至第二电光相位调制器进行相移0或π/2的随机选择，选择相移0的
时候，在零差探测器中探测的是正交分量X，相移π/2时零差探测器中探测的是正交分量P，
所述随机数生成器生成的信号，还将输入FPDA数据采集卡用于后续与连续变量量子信号发
送端进行对基；所述FPGA数据采集卡，用于采集零差探测器输出、随机数产生器输出与时钟
信号。
量量子信号接收端的FPGA数据采集卡；所述经典信号接收端包括经典信号收发机，用于产
生与检测经典信号，生成基础时钟参考信号并用于量子信号检测。
光分插复用器；
纤发送至连续变量量子信号接收端，将经典信号与时钟信号通过单模光纤发送至经典信号
接收端上的经典信号收发机。所述空分复用器为多芯光纤扇入扇出或者模分复用器；多芯
光纤扇入扇出用于将多个单模光信号耦合进多芯光纤中以及将光信号从多芯光纤耦合到
各个单模光纤中；模分复用器用于将多个单模光信号耦合进少模光纤中以及将光信号从少
模光纤耦合到各个单模光纤中。单模光纤，衰减系数稳定，大约为0.2dB/km，抗干扰能力强，
成本较低，单模光纤采用SMF‑28e单模光纤，衰减系数稳定，大约为0.2dB/km，抗干扰能力
强，成本较低。
再经过可调衰减器，与本振光在偏振耦合器中耦合，并通过单模光纤发送至光分插复用器；
时钟源产生时钟信号并通过单模光纤发送至光分插复用器；在经典信号发送端，经典信号
收发机产生经典信号，通过单模光纤发送至光分插复用器；光分插复用器将量子信号与经
典信号波分复用后将信号通过单模光纤送至发送端的空分复用器，空分复用器将多路波分
复用信号复用后将信号送入通信信道；
号通过单模光纤发送至经典信号收发机，将量子信号通过单模光纤送至连续变量量子信号
接收端；量子信号通过偏振分束器分成信号光与本振光，本振光经过第二电光相位调制器
使用随机数生成器进行测量基随机选择后与偏振分束器分离出来的信号光在第二分束器
进行干涉；干涉后通过零差探测器进行检测并将检测结果输入FPGA数据采集卡；
S‑6的标准模式空分复用器模块，可对支持4LP(LP01,LP11,LP02,LP21)模式的少模光纤进行模
分复用与解复用，各模式的插入损耗均在在5dB左右；所述FPGA信号生成卡、FPGA数据采集
卡均采用Xilinx VC707与FMC176组合而成，具有两路DA输出和一路AD输入，均可以达到最
高5 GSa/s的采样率；所述第一电光相位调制器、第二电光相位调制器均采用型号为MPZ‑
LN‑10的电光相位调制器，具有高消光比（>20dB）、低损耗（2.5dB）、高带宽（10GHz）的特点，
可以满足更高速率的量子密钥通信系统，尽量减少了光学器件带来的额外损耗；所述偏振
耦合器采用型号为PBC980PM‑FC的偏振光束耦合器，两束正交偏振光耦合入一根光纤中，高
消光比（>18dB）、低损耗(<2dB)；所述电光强度调制器采用型号为MX‑LN‑10的电光强度调制
器，具有高消光比（>20dB）、低损耗（2.5dB）、高带宽（10GHz）的特点；所述脉冲激光器采用型
号为OPG1015的皮秒光脉冲发生器，可产生小于等于3ps，频率为10 GHz的激光脉冲；所述零
差探测器采用型号为PDA435A的平衡放大光电探测器，共模抑制比大于20 dB,带宽可达350
MHz；所述多芯光纤为型号为MFC‑7‑42/150/250的7芯多芯光纤；所述少模光纤为长飞4模少
模光纤（阶跃型）。
内。