一种基于低串扰少模-多芯光纤的量子与经典融合系统和方法

本发明涉及量子通信网络领域，具体涉及一种基于低串扰少模-多芯光纤的量子与经典融合系统和方法。

背景技术：

自1984年首次被提出以来，量子密钥分发(quantumkeydistribution，qkd)技术在理论和实践上均取得了重大突破。在大数据的信息时代，网络的安全性是一个不容忽视的问题。量子保密通信从理论上来讲是具有无条件安全性的。但若要单独构建qkd网络所需要的成本高昂，这很大程度上限制了qkd网络的实用性。为了节省qkd网络铺设的成本，可以将qkd网络与现有的经典通信网络结合在一起，使量子信号与经典信号共纤传输，以降低线路铺设和运营费用，并提高qkd网络的可扩展性。

随着互联网、大数据、5g等业务的发展，人们对于光通信系统的容量需求大大增加。通过应用波分复用、频分复用和偏振复用等技术，现有的常规单模光纤的容量已不再满足不断增长的容量需求，且正接近其香农传输极限。为了进一步增加光纤的通信容量，最直接的方法即为增加纤芯或模式的空间利用率。在传统的量子与经典融合网络中，量子信息与经典信息在同一根光纤中传输，相互之间有干扰，通过多芯光纤可以将量子信息与经典信息分离，并且可以利用多芯光纤的空分复用实现多路复用，提高量子信息效率。目前的空分复用有两种方法，第一种方法是通过使用多芯光纤，将多个独立的纤芯合并到一根光纤中。第二种方法是使用少模光纤或多模光纤，利用光纤中多种不同的模式，使光纤的传输容量随着模式数量的增长而成倍增加。

在量子与经典融合网络中，由于量子信号处于单光子级别，极易受到经典信号带来的干扰。因此，如何使用恰当的方法来降低经典信号与量子信号间的串扰，是现在亟需解决的问题。同时，在长距离传输过程中，每40-120公里就需要插入掺铒光纤放大器(edfa)将信号功率提升至发射状态，而量子信号无法经过edfa，最简单的方法是另外搭设一条线路使量子信号绕过edfa，而这无疑会增加系统的成本与复杂度。

“现有技术专利：(cn210839585u)提出了一种采用异质沟槽辅助渐变折射率型fm-mcf特种光纤，实现mdm-sdm二维复用的量子与经典融合传输系统，解决了融合网络的容量瓶颈。但该系统未考虑如何处理量子信息与edfa之间的关系问题。本发明提出的一种基于少模-多芯光纤的量子与经典融合系统和方法可有效解决这一问题。”

“现有技术专利：(cn106533565b)提供了一种量子保密通信方法和装置，利用多芯光纤和中继设备实现远距离量子保密通信。但该系统并未着重考虑芯间串扰及模间串扰等共纤同传系统中量子信道的主要噪声干扰。本发明所使用的多芯光纤可有效降低芯间串扰及模间串扰。”

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了一种基于低串扰少模-多芯光纤的量子与经典融合系统和方法，其中少模一多芯光纤为沟槽辅助型的环芯光纤，可以极大地降低不同纤芯、不同模式信号间的串扰，尤其可以降低经典信号对量子信号的干扰，同时采用芯区泵浦的方法，可以将量子信号直接加入现存含有edfa的经典网络中。

为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种基于低串扰少模-多芯光纤的量子与经典融合系统，包括依次连接的发送端、扇入器件、少模-多芯光纤、扇出器件以及接收端；

所述发送端包括经典信号发送端、量子信号发送器、同步信号发送端；所述经典信号发送端的输出端与所述扇入器件的输入端连接用于生成经典信号并输出到扇入器件；

所述同步信号发送端的输出端与所述扇入器件的输入端连接，用于将同步信号输出到所述扇入器件；

所述量子信号发送器与所述扇入器件连接，用于将量子信号发送到所述扇入器件；

所述扇入器件用于将多路信号耦合进少模-多芯光纤中；

所述扇出器件用于将信号从少模-多芯光纤解复用到接收端的单模光纤中；

第一波分复用器、第一泵浦光源、多个第二波分复用器、多个第二泵浦光源、扇入器件、少模-多芯光纤和扇出器件组成多芯掺铒光纤放大器；

所述接收端包括经典信号接收端、量子信号接收器和同步信号接收器；所述经典信号接收端包括多个经典信号接收子模块，每个所述经典信号接收子模块的输入端与所述扇出器件的输出端连接，用于接收并检测经典信号；

所述同步信号接收器的输入端与所述扇出器件的输出端连接，所述量子信号接收器的输入端与所述扇出器件的输出端连接；

每个所述经典信号发送端生成3路处于基模的经典信号，同时将3路处于基模的经典信号转化为三路不同的高阶模式的经典信号并复用在同一根少模光纤上，然后输出到所述扇入器件；所述同步信号发送端和量子信号发送器分别将处于同步信号和量子信号传输到所述扇入器件中；所述扇入器件将多路不同高阶模式的经典信号以及处于基模的量子信号和同步信号耦合进所述少模-多芯光纤中并传输至所述扇出器件，在扇出器件处解复用为多路模分复用的经典信号、1路同步信号与1路量子信号，多路处于3个不同的高阶模式的经典信号被转化为基模的经典信号并解复用至经典信号接收子模块，经典信号接收子模块对解复用后的多路处于基模的经典信号进行接收并检测；同步信号接收器对同步信号进行接收；量子信号接收器对量子信号进行接收和检测，并根据检测结果与发送端进行密钥协商和隐私放大。

优选地，所述同步信号发送端包括同步信号发送器、第一波分复用器和第一泵浦光源；所述同步信号发送器的输出端和第一泵浦光源的输出端与所述第一波分复用器的输入端连接；所述第一波分复用器的输出端与所述扇入器件的输入端连接；所述同步信号发生器将生成的处于基模的同步信号输出至第一波分复用器，所述第一泵浦光源将泵浦光输出到所述第一波分复用器中与处于基模的同步信号进行耦合，并输出到扇入器件中。

优选地，所述经典信号发送端包括多个与经典信号接收子模块一一对应的经典信号发送子模块、多个模式复用器、多个第二波分复用器和多个第二泵浦光源；每个经典信号发送子模块对应一个模式复用器、一个第二波分复用器和一个第二泵浦光源；每个所述经典信号发送子模块包括3个经典信号发送器；3个所述经典信号发送器的输出端与所述模式复用器的输入端连接，所述模式复用器的输出端和第二泵浦光源的输出端与所述第一波分复用器的输入端连接，所述第二波分复用器的输出端与所述扇入器件的输入端连接；所述第二泵浦光源将泵浦光输出到所述第二波分复用器中，同时3个所述经典信号发送器发出三路处于基模的信号，经过模式复用器后耦合进同一少模光纤中并传输至所述第一波分复用器中与泵浦光耦合，再与处于基模的量子信号与同步信号通过扇入器件耦合经少模-多芯光纤中。

优选地，每个所述经典信号接收子模块包括三个经典信号接收器和一个模式解复用器；所述模式解复用器的输入端与所述扇出器件的输出端连接；所述经典信号接收子模块的3个所述经典信号发送器的输入端与所述模式解复用器的输出端连接。

优选地，所述模式复用器/模式解复用器为基于波瓣型方向控制器型模式复用器/模式解复用器，可将输入的多路基模/高阶模信号转化为不同的高阶模/基模。

优选地，所述少模-多芯光纤为异质沟槽辅助型的环芯光纤。

更进一步地，由于异质多芯光纤的串扰随着弯曲半径的增大先增大后减小，最后趋于平缓，因此可以获得串扰弯曲不敏感区间，从而降低经典信号对量子信号的串扰。

更进一步地，所述沟槽辅助型结构可以通过调节沟槽距离纤芯的位置和厚度来调整及串扰大小，从而降低经典信号对量子信号的串扰。

更进一步地，通过调整所述环芯光纤的纤芯中心折射率下限部分的大小，可以控制高阶模式与其他模式的隔离程度，对于以基模传输的量子信号，可以很大程度上抑制高阶模式的传输，减小经典信号带给量子信号模式间的串扰。与阶跃型折射率纤芯相比，环形纤芯有效模场面积更大，更有利于抑制光传输中的非线性效应。

优选地，所述环芯光纤的归一化频率v可以表示为：

归一化传播常数b可以表示为：

式中，k，n1，n2，a，δ分别表示自由空间的波数，纤芯折射率，包层折射率，纤芯半径以及纤芯包层相对折射率差。

优选地，所述少模-多芯光纤的芯间距λ、包层直径dclad和包层厚度tclad之间的关系为：

优选地，所述少模-多芯光纤为7芯光纤，1芯传输处于基模的量子信号，2芯传输处于基模的同步信号，3、5、7芯正向传输经典信号，4、6芯反向传输经典信号，从而实现经典信号的双向传输。

本发明还提供了一种基于低串扰少模-多芯光纤的量子与经典融合方法，该方法应用于上述任意一项所述的一种基于低串扰少模-多芯光纤的量子与经典融合系统中，该方法包括以下步骤：

s1.系统初始化：测试各项设备能否正常工作，测试信噪比是否达到正常水平；若正常，则进入s2；若不正常，则重新调试设备；

s2.信号制备：经典信号发送器通过激光二极管和强度调制器将光信号转换为经典信号；qkd发送器根据诱骗态bb84协议制备量子信号；同步信号发送器发送同步信号；

s3.模式转换并复用：经典信号发送端包括多个含有3个经典信号发送器的经典信号发送子模块，每个经典信号发送子模块发出三路处于基模的信号，经过模式复用器后耦合进同一少模光纤中；

s4.与泵浦光复用：经典信号与同步信号分别通过wdm与泵浦光复用，使信号光与泵浦光在纤芯内重叠，从而放大信号；

s5.多芯复用：通过多芯光纤，将处于不同纤芯的经典信号、同步信号与量子信号耦合进同一纤芯中；

s6.多芯解复用：将处于同一纤芯的经典信号、同步信号与量子信号解复用至不同的纤芯中；

s7.模式解复用：将处于3个模式的经典信号转化为基模并解复用至经典信号接收器；

s8.误码率检测：分析量子信号传输至接收器后，生成相应的误码率情况，若量子信号的误码率低于所设定的阈值，则建立安全通信；若量子信号的误码率高于所设定的阈值，则放弃本次传输的数据，并返回重新传输。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.本发明提出了一种基于低串扰少模-多芯光纤的量子与经典融合系统和方法，极大地提升了系统的容量。常用的系统一般是基于波分复用，其系统已达到非线性传输的极限。本发明提出的基于模式与纤芯二维复用的方式来进行量子与经典同传，大大提升了通信容量。

2.本发明所采用的多芯掺铒光纤放大器使用的是独立芯区泵浦的方式，通过波分复用器将经典信号与同步信号分别和泵浦光耦合进纤芯内，使信号与泵浦在纤芯内重叠，从而放大信号，而量子信号无需与泵浦耦合，直接从纤芯内通过。改善了以往量子与经典融合网络中，由于量子信号无法经过edfa而需另外搭设线路绕过的情况。

3.本发明所采用的少模-多芯光纤为异质沟槽辅助型的环芯光纤，通过物理隔离，使经典信号与量子信号有了比较好的隔离度，异质结构使得纤芯可以获得串扰弯曲不敏感区间，沟槽辅助型结构可以通过调节沟槽距离纤芯的位置和厚度来调整及串扰大小，从而降低经典信号对量子信号的串扰。环形纤芯可以控制高阶模式与其他模式的隔离程度，对于以基模传输的量子信号，可以很大程度上抑制高阶模式的传输，减小经典信号带给量子信号模式间的串扰。与阶跃型折射率纤芯相比，环形纤芯有效模场面积更大，更有利于抑制光传输中的非线性效应。

附图说明

图1是本发明提出的一种基于低串扰少模-多芯光纤的量子与经典融合系统和方法的系统框架图。

图2是本发明使用的少模-多芯光纤横截面图。

图3是本发明以独立芯区泵浦的方式使用多芯掺铒光纤放大器的示意图。

图4是本发明使用的环形纤芯型多芯光纤折射率分布图。

图5是本发明的一种基于低串扰少模-多芯光纤的量子与经典融合方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例以及附图，对本发明进一步详细说明，但本发明要求的保护范围并不局限于实施例。

如图1所示，一种基于低串扰少模-多芯光纤的量子与经典融合系统，包括依次连接的发送端、扇入器件、少模-多芯光纤、扇出器件以及接收端；

所述发送端包括经典信号发送端、量子信号发送器、同步信号发送端；所述同步信号发送端的输出端与所述扇入器件的输入端连接，用于将同步信号输出到所述扇入器件；具体地，所述同步信号发送端包括同步信号发送器、第一波分复用器和第一泵浦光源；所述同步信号发送器的输出端和第一泵浦光源的输出端与所述第一波分复用器的输入端连接；所述第一波分复用器的输出端与所述扇入器件的输入端连接；所述同步信号发生器将生成的处于基模的同步信号输出至第一波分复用器，所述第一泵浦光源将泵浦光输出到所述第一波分复用器中与处于基模的同步信号进行耦合，并输出到扇入器件中。

所述经典信号发送端的输出端与所述扇入器件的输入端连接用于生成经典信号并输出到扇入器件；具体地，所述经典信号发送端包括n(n≥2，且n为正整数)个经典信号发送子模块、多个模式复用器、多个第二波分复用器和多个第二泵浦光源；每个经典信号发送子模块包括3个经典信号发送器；每一个经典信号发送子模块对应一个模式复用器、一个第二波分复用器和一个第二泵浦光源；3个所述经典信号发送器的输出端与所述模式复用器的输入端连接，所述模式复用器的输出端和第二泵浦光源的输出端与所述第一波分复用器的输入端连接，所述第二波分复用器的输出端与所述扇入器件的输入端连接；所述第二泵浦光源将泵浦光输出到所述第二波分复用器中，同时3个所述经典信号发送器发出三路处于基模的信号，经过模式复用器后耦合进同一少模光纤中并传输至所述第一波分复用器中与泵浦光耦合，再与处于基模的量子信号与同步信号通过扇入器件耦合经少模-多芯光纤中。

所述第一波分复用器和第二波分复用器为完全相同的波分复用器；所述第一泵浦光源和第二泵浦光源为完全相同的泵浦光源；

所述量子信号发送器与所述扇入器件连接，用于将量子信号发送到所述扇入器件；

所述扇入器件用于将多路信号耦合进少模-多芯光纤中；

所述扇出器件用于将信号从少模-多芯光纤解复用到接收端的单模光纤中；

具体地，第一波分复用器、第一泵浦光源、多个第二波分复用器、多个第二泵浦光源、扇入器件、少模-多芯光纤和扇出器件组成多芯掺铒光纤放大器；

所述接收端包括经典信号接收端、量子信号接收器和同步信号接收器；所述经典信号接收端包括多个与经典信号发送子模块一一对应的经典信号接收子模块，每个所述经典信号接收子模块的输入端与所述扇出器件的输出端连接，用于接收并检测经典信号；具体地，每个所述经典信号接收子模块包括三个经典信号接收器和一个模式解复用器；所模式解复用器的输入端与所述扇出器件的输出端连接；所述经典信号接收子模块的3个所述经典信号发送器的输入端与所述模式解复用器的输出端连接。

所述的模式复用器/模式解复用器为基于波瓣型方向控制器型模式复用器/模式解复用器，可将输入的多路基模/高阶模信号转化为不同的高阶模/基模。

所述同步信号接收器的输入端与所述扇出器件的输出端连接，所述量子信号接收器的输入端与所述扇出器件的输出端连接；

所述同步信号发生器将生成的处于基模的同步信号输出至第一波分复用器，所述第一泵浦光源将泵浦光输出到所述第一波分复用器中与处于基模的同步信号进行耦合，并输出到扇入器件中；所述第二泵浦光源将泵浦光输出到所述第二波分复用器中，同时3个所述经典信号发送器发出三路处于基模的信号，经过模式复用器后耦合进同一少模光纤中并传输至所述第一波分复用器中与泵浦光耦合，再与处于基模的量子信号与同步信号通过扇入器件耦合经少模-多芯光纤中；

每个所述经典信号发送子模块的三个经典信号发送器生成3路处于基模的经典信号，同时将3路处于基模的经典信号转化为三路不同的高阶模式的经典信号并复用在同一根少模光纤上，然后输出到所述扇入器件；所述同步信号发送端和量子信号发送器分别将处于同步信号和量子信号传输到所述扇入器件中；所述扇入器件将多路不同高阶模式的经典信号以及处于基模的量子信号和同步信号耦合进所述少模-多芯光纤中，在少模-多芯光纤中对经典信号和同步信号进行放大并传输至所述扇出器件，在扇出器件处解复用为多路模分复用的经典信号、1路同步信号与1路量子信号，扇出器件通过模式解复用器将多路处于3个不同的高阶模式的经典信号被转化为基模的经典信号并解复用至经典信号接收器，经典信号接收器对解复用后的多路处于基模的经典信号进行接收并检测；同步信号接收器对同步信号进行接收；量子信号接收器对量子信号进行接收和检测，并根据检测结果与发送端进行密钥协商和隐私放大，量子信号能够通过多芯掺铒光纤放大器而不受到干扰。

如图2中少模-多芯光纤横截面图所示，由于基模受到的模间串扰最小，1芯传输处于基模的量子信号，2芯传输处于基模的同步信号，3-7芯分别传输处于三种不同模式的经典信号。

具体地，在本实施例中，所使用的光纤为7芯光纤，3-7芯传输的是经典信号，可以使3、5、7芯正向传输经典信号，4、6芯反向传输经典信号，从而实现经典信号的双向传输。

如图3所示为本发明以独立芯区泵浦的方式使用多芯掺铒光纤放大器的示意图，在7芯光纤中，分别将泵浦光通过波分复用器耦合进2-6芯中，而对1芯中的量子信号不进行耦合，从而实现对2-6芯的信号进行放大，而量子信号不受干扰的通过edfa的方案。

如图4所示为环形纤芯折射率分布图，对于环形纤芯，其归一化频率v可以表示为：

归一化传播常数b可以表示为：

式中，k，n1，n2，a，δ分别表示自由空间的波数，纤芯折射率，包层折射率，纤芯半径以及纤芯包层相对折射率差。

为了调控弱导光纤中的模式，需要在标准阶跃光纤折射率上引入微扰项δn来选择性的影响模式的传播常数，即：

式中δβ和e表示阶跃光纤的标准模式传播常数，传播常数的修正项和电场分布，a表示光纤有限的横截面区域。

通过调整折射率下限部分，可以很大程度上减小高阶模式的传播常数，在以基模传输的纤芯1中，通过调整合适的折射率下限部分，可以增大高阶模式的串扰信号与以基模传输的量子信号的隔离程度，极大地减小来自经典信号带来的模式间的串扰。

在少模-多芯光纤中，为了能够获得更大的传输容量，需要加入更多的纤芯，这就会缩小纤芯的间距，但芯间串扰会随着纤芯间距的减小而增大。在本实施例中，取芯间距人为36μm，tclad为50μm，包层直径dclad为213.8μm，芯间距λ、包层直径dclad和包层厚度tclad之间的关系为：

所述少模-多芯光纤为异质沟槽辅助型的环芯光纤。异质多芯光纤指相邻纤芯的半径、折射率存在差异，异质纤芯之间的结构差异会使纤芯之间产生相位失配，从而降低芯间串扰。在本实施例中，所使用的纤芯为环形光纤。为了利于信号的处理，所有纤芯的模场有效面积需保持一致，取lp01模的模场有效面积aeff为150μm²，纤芯1、2、4、6为纤芯a，纤芯3、5、7为纤芯b，取纤芯a与纤芯b的外半径为6.3μm，纤芯a的内半径ra为3.1μm，有效折射率差δa为0.86％；纤芯b的内半径rb为3.05μm，有效折射率差δb为0.78％。此时纤芯a与纤芯b中lp01模式的有效折射率差大于0.001，纤芯内的模式间的串扰极低，即经典信号对使用基模传输的量子信号的模式间的串扰极低。

对该少模-多芯光纤的串扰计算方法如下：对于异质多芯光纤，可以用功率耦合理论(cpt)来计算，cpt是通过计算纤芯m中的输入光功率和纤芯n中耦合进纤芯m中的输入光功率来计算串扰的，其功率耦合方程为：

式中pm和pn分别是纤芯m和纤芯n中的平均功率，z是传播方向，hmn是纤芯m和纤芯n的功率耦合系数。

解得相邻纤芯的串扰表达式为：

式中为平均功率耦合系数，l是光纤的长度。

而平均功率耦合系数可用模式耦合系数表示为：

式中kmn为模式耦合系数的平均值，βm是纤芯m的模式传播常数，r是光纤的弯曲半径，λ是纤芯间距，l是光纤长度。

可以得出lp01模的芯间串扰小于-40db/100km，说明该系统能够很好的降低纤芯间的串扰，特别是在量子与经典融合系统中，能够在很大程度上降低经典信号对使用基模传输的量子信号的串扰。

如图5所示，本发明还提供了一种基于低串扰少模-多芯光纤的量子与经典融合方法，该方法包括以下步骤：

s1.系统初始化：测试各项设备能否正常工作，测试信噪比是否达到正常水平；若正常，则进入s2；若不正常，则重新调试设备；

s2.信号制备：经典信号发送器通过激光二极管和强度调制器将光信号转换为经典信号；qkd发送器根据诱骗态bb84协议制备量子信号；同步信号发送器发送同步信号；

s3.模式转换并复用：经典信号发送端包括多个含有3个经典信号发送器的经典信号发送子模块，每个经典信号发送子模块发出三路处于基模的信号，经过模式复用器后耦合进同一少模光纤中；

s4.与泵浦光复用：经典信号与同步信号分别通过wdm与泵浦光复用，使信号光与泵浦光在纤芯内重叠，从而放大信号；

s5.多芯复用：通过多芯光纤，将处于不同纤芯的经典信号、同步信号与量子信号耦合进同一纤芯中；

s6.多芯解复用：将处于同一纤芯的经典信号、同步信号与量子信号解复用至不同的纤芯中；

s7.模式解复用：将处于3个模式的经典信号转化为基模并解复用至经典信号接收器；

s8.误码率检测：分析量子信号传输至接收器后，生成相应的误码率情况，若量子信号的误码率低于所设定的阈值，则建立安全通信；若量子信号的误码率高于所设定的阈值，则放弃本次传输的数据，并返回重新传输。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本发明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。