一种低噪声qkd与wdm经典通信网兼容的方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开一种低噪声QKD(量子密钥分发)与WDM(波分复用)经典通信网兼容的方法及装置，是将相同波长的量子信号和经典信号时分复用到同一光纤中；采用滤波器滤除经典信号产生的自发拉曼散射噪声，自发拉曼散射噪声经过滤波器的滤除作用后依然存在少量会覆盖量子信号的噪声，抛弃穿过滤波器后依然存在的由经典信号产生的噪声所掩盖的量子信号，使输出的量子信号不受噪声的影响，从而实现低噪声QKD与WDM经典通信网兼容。在本发明中，同波长经典数据信号不产生四波混频，且抛弃被噪声掩盖的很少部分的量子信号可以近似完全消除自发拉曼散射噪声对量子信号的影响，实现了量子信号近似不受来自于经典信号产生的噪声的影响。
【专利说明】一种低噪声QKD与WDM经典通信网兼容的方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及量子通信领域，更具体地，涉及一种低噪声QKD(量子密钥分发)与WDM(波分复用)经典通信网兼容的方法及装置。
【背景技术】
[0002]近年来，QKD(量子密钥分发)在其传输距离和安全密钥率上有了很大提高，但是实验实现需在暗光纤或新建光纤中完成。为了利用现存光纤基础设施，节约光纤带宽资源，将量子密钥分发系统与经典数据通信系统共存于同一光纤中的方法应运而生。当量子信号和少数几个WDM(波分复用)经典信号共同传输时，会受到自发拉曼散射和四波混频的影响，这使得量子密钥分发的误码率上升；而当量子信号和大量WDM经典信号共同传输时，会受到受激拉曼散射、受激布里渊散射及四波混频的影响，甚至可能使得量子密钥分发根本无法运行。人们对量子信号和几个WDM经典信号在同一光纤中波分复用传输进行了理论和实验研究，通过实验证实了量子信号会受到四波混频和自发拉曼散射噪声的影响，并且提出了减小噪声的方案，使量子信号传输距离不断增加、误码率不断降低。但是迄今为止，量子信号和十几个甚至更多的WDM经典信号波分复用长距离传输的方案中的误码率仍很高且传输距离较短。
【发明内容】
[0003]本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷(不足)，提供一种低噪声QKD与WDM经典通信网兼容的方法，有效的降低了 QKD与WDM经典通信网同光纤传输时受到的噪声影响。
[0004]本发明的又一目的是提出一种低噪声QKD与WDM经典通信网兼容的装置。
[0005]为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下:
[0006]一种低噪声QKD与WDM经典通信网兼容的方法，将相同波长的量子信号和经典信号时分复用到同一光纤中，经典信号产生的自发拉曼散射噪声分布在经典信号的周围；采用滤波器滤除经典信号产生的自发拉曼散射噪声，自发拉曼散射噪声经过滤波器的滤除作用后依然存在少量噪声，少量的自发拉曼散射噪声会覆盖量子信号，将穿过滤波器后依然存在的由经典信号产生的噪声所掩盖的量子信号抛弃，使输出的量子信号近似不受噪声的影响，从而实现低噪声QKD与WDM经典通信网兼容。
[0007]其中，经典信号在光纤中传输时会产生与经典信号波长不同的自发斯托克斯拉曼散射噪声和自发反斯托克斯拉曼散射噪声，当量子信号和经典信号波长相同时，量子信号的波长与自发拉曼散射噪声的波长不同，此时使用滤波器更容易滤除噪声。量子信号和经典信号时分复用于同一光纤中，使波长相同的量子信号和经典信号可以分离，且经典信号产生的噪声未通过滤波器前只覆盖一小部分量子信号，这样可以得到更多不被噪声覆盖的量子信号。由于滤波器存在带宽，通过滤波器后的量子信号中的一小部分仍然被与量子信号波长相近的自发拉曼散射噪声覆盖，将被噪声覆盖的这部分量子信号抛弃，即可实现低噪声QKD与WDM经典通信网兼容。
[0008]在一种优选的方案中，所需抛弃的量子信号的个数根据以下方式获取:
[0009]根据群速度色散效应，得到通过长度为L的光纤后的量子信号脉冲展宽为:
[0010]Atcla= Atquan = t0[l+(L| β2|)Α02]1/2
[0011]其中Atcda为经典信号展宽，Atquan为量子信号展宽，h为量子信号和经典信号的初始脉宽，L为光纤长度，β 2为群速度色散系数；
[0012]根据量子 信号展宽得到量子信号的脉冲重复频率为I/△、_，同时获取量子信号的脉冲周期时间；
[0013]经典信号产生的自发拉曼散射噪声的分布时间τ I为:
[0014]τ I = I L/vEaman-L/vcla
[0015]其中自发拉曼散射光速度vKaman和经典信号的速度Vela分别为:
[0016]vEaman = c/nRaman
[0017]vcla = c/ncla
[0018]其中为自发拉曼散射光在光纤中的折射率，ncla为经典信号在光纤中的折射率，c为真空中的光速；
[0019]因而经典信号产生的自发拉曼散射光穿过滤波器后的分布时间为:
[0020]τ = L* I Dn I /c
[0021]其中Λη = nEaman-ncla为穿过滤波器后波长最长和波长最短的自发拉曼散射光与经典信号在光纤中的折射率差，其中穿过滤波器后波长最长的自发拉曼散射光的波长为滤波器的带宽上限，穿过滤波器后波长最短的自发拉曼散射光的波长为滤波器的带宽下限；
[0022]抛弃时间间隔Atu和时间间隔内的量子信号，其中时间间隔Atu为通过滤波器后的斯托克斯自发拉曼散射噪声的分布时间，时间间隔△\为通过滤波器后反斯托克斯自发拉曼散射噪声的分布时间；
[0023]根据经典信号产生的自发拉曼散射穿过滤波器后的分布时间τ和量子信号的脉
冲周期时间来计算被噪声掩盖的量子信号个数，即
[0024]
【权利要求】
1.一种低噪声QKD与WDM经典通信网兼容的方法，其特征在于， 将相同波长的量子信号和经典信号时分复用到同一光纤中，经典信号产生的自发拉曼散射噪声分布在经典信号的周围；采用滤波器滤除经典信号产生的自发拉曼散射噪声，自发拉曼散射噪声经过滤波器的滤除作用后依然存在少量噪声，少量的自发拉曼散射噪声会覆盖量子信号，抛弃穿过滤波器后依然存在的由经典信号产生的噪声所掩盖的量子信号，使输出的量子信号近似不受噪声的影响，从而实现低噪声QKD与WDM经典通信网兼容。
2.根据权利要求1所述的低噪声QKD与WDM经典通信网兼容的方法，其特征在于，所需抛弃的量子信号的个数根据以下方式获取: 根据群速度色散效应，得到通过长度为L的光纤后的量子信号的脉冲展宽为:
Δ tela = Δ tquan = t0[l+ (L I β 2 I ) /t02] 1/2 其中Atcda为经典信号展宽，Atquan为量子信号展宽，t(1为量子信号和经典信号的初始脉宽，L为光纤长度，β 2为群速度色散系数； 根据量子信号展宽得到量子信号的脉冲重复频率为IZ^tquan,同时获取量子信号的脉冲周期时间； 经典信号产生的自发拉曼散射噪声的分布时间τ?为:
τ I = L/vEaman-L/vcla 其中自发拉曼散射光速度Vtoman和经典信号的速度Vda分别为:
VRaman ^/^Eaman
Vcla = C/ncla 其中nKa_为自发拉曼散射光在光纤中的折射率，ncla为经典信号在光纤中的折射率，c为真空中的光速； 因而经典信号产生的自发拉曼散射噪声穿过滤波器后的分布时间为: τ = L* I Δ η I /c 其中Δη = ηΚ3Μη-η&为穿过滤波器后波长最长和波长最短的自发拉曼散射光与经典信号在光纤中的折射率差，其中穿过滤波器后波长最长的自发拉曼散射光的波长为滤波器的带宽上限，穿过滤波器后波长最短的自发拉曼散射光的波长为滤波器的带宽下限； 抛弃时间间隔Atu和时间间隔内的量子信号，其中时间间隔Atu为通过滤波器后的斯托克斯自发拉曼散射噪声的分布时间，时间间隔△\为通过滤波器后反斯托克斯自发拉曼散射噪声的分布时间； 根据经典信号产生的自发拉曼散射噪声穿过滤波器后的分布时间τ和量子信号的脉冲周期时间来计算被噪声掩盖的量子信号个数，即
3.根据权利要求1或2所述的低噪声QKD与WDM经典通信网兼容的方法，其特征在于，所述相同波长的量子信号和经典信号的波长设置为1550nm。
4.根据权利要求3所述的低噪声QKD与WDM经典通信网兼容的方法，其特征在于，所述量子信号和经典信号通过TDM开关节点时分复用到同一光纤。
5.一种应用权利要求1至4任一项所述的低噪声QKD与WDM经典通信网兼容的方法的装置，其特征在于，包括顺次连接的发送端和接收端， 所述发送端包括量子信号发射端和数据信号发射端，其中量子信号发射端发射的信号和数据信号发射端发射的信号通过TDM开关节点复用到同一光纤中； 所述量子信号发射端包括时钟信号发生器、Alice端内的激光器、衰减器、同步激光器、分频器FD和第一 TDM开关节点；其中时钟信号发生器发出的时钟信号一部分触发Alice端内的激光器输出量子信号，另一部分经分频器FD分频后触发同步激光器输出同步信号，输出的量子信号经衰减器强衰减制备诱惑态且经编码后和同步信号通过第一 TDM开关节点复用到同一个光纤中； 所述数据信号发射端包括η个不同波长的数据信号、WDM-TDM开关节点和掺铒光纤放大器；所述η个不同波长的数据信号通过WDM-TDM开关节点转换为一列具有相同波长的TDM数据信号，相同波长的TDM数据信号通过掺铒光纤放大器放大，放大后的TDM数据信号、以及复用到同一光纤中的量子信号和同步信号通过TDM开关节点复用到同一光纤中；所述接收端包括第三TDM开关节点、第四TDM开关节点、TDM-WDM开关节点、滤波器、光电转换器和倍频器；采用第三TDM开关节点将复用的信号解复用为TDM数据信道与包含同步信号和量子信号的信道，其中TDM数据信道中的TDM数据信号通过TDM-WDM开关节点转换为η个不同波长的数据信号，不同波长的数据信号分别输出到各自接收端；包含同步信号和量子信号的信道通过第四TDM开关节点解复用为同步信道和量子信道，其中量子信道中的量子信号通过滤波器过滤后输入到Bob端，在Bob端进行解码，同步信道中的同步信号经过光电转换器转换为时钟信号，然后时钟信号经过倍频器倍频到以前的频率，用于触发Bob端中的单光子探测器sro来探测量子信号。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述量子信号发射端还包括第一滤波器，所述第一滤波器与Alice端内的激光器连接，位于激光器之后； 所述数据信号发射端还包括第二滤波器，所述掺铒光纤放大器通过第二滤波器与TDM开关节点连接。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述WDM-TDM开关节点由一个非线性光纤环形镜和一个高重复频率的单片集成锁模半导体激光器构成；所述TDM-WDM开关节点采用非线性光纤环形镜。
【文档编号】H04J14/08GK103929251SQ201410163993
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月22日 优先权日:2014年4月22日
【发明者】于宁娜, 王金东, 董照月, 魏正军, 张智明, 刘颂豪 申请人:华南师范大学