一种基于光开关控制的量子密钥分配系统与方法与流程

本发明涉及光传输安全通信技术领域，特别涉及一种基于光开关控制的量子密钥分配系统与方法。

背景技术：

随着互联网的大范围普及，人类之间的信息传递达到了前所未有的数量和频率，各种隐私信息越来越多地暴露在互联网上，因此，人类对保密通信的需求也到了前所未有的高度。现在的互联网信息安全的加密方式称为“公开密钥”密码体系，其原理是通过加密算法，生成网络上传播的公开密钥，以及留在计算机内部的私人密钥，两个密钥必须配合使用才能实现完整的加密和解密过程。

现代互联网使用的加密标准是20世纪70年代诞生的rsa算法，即利用大数的质因子分解难以计算来保证密钥的安全性。

量子密钥分配是1984年物理学家bennett和密码学家brassard提出了基于量子力学测量原理的bb84协议，量子密钥分配可以从根本上保证了密钥的安全性。

现有技术中量子密钥在发射端产生信号光，经过传统的量子信道传输过程中，由于经过光纤信道双折射等作用，其偏振态会有较大变化，影响光信号后期的干涉效果，会造成整体密钥的丢失，目前，为了解决上述问题会在接收端增加纠偏系统，通过纠偏系统来还原光信号的偏振态，但是纠偏系统需要复杂的硬件以及软件部分组成，给整个密钥分配系统带来了整体系统的复杂度以及提高了生产成本；另外，光信号经过普通单模光纤干涉环的长短臂的不同路径后其偏振状态会发生不同的变化并导致干涉结果不明显，所以在正常制作中需要使用额外的偏振补偿技术来保证经过不同臂的光的偏振态相同，进一步增加了系统复杂度以及提高了生产成本。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种基于光开关控制的量子密钥分配系统与方法，以解决现有技术中量子秘钥分配系统为了提高密钥生成效率需要系统增加纠偏系统以及偏振补偿技术，从而使系统增加了复杂度以及提高了生产成本的技术性缺陷。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于光开关控制的量子密钥分配系统，包括通过量子信道连接的发射端与接收端，所述发射端包括发射端驱动板、信号激光器、同步激光器、强度调制器、1*4路光开关、四路波导干涉环、第一可调衰减器、第二可调衰减器以及发射端复用器，所述四路波导干涉环臂长差不同，其相位差分别为0，π/2，π，3π/2，所述信号激光器依次连接强度调制器、1*4路光开关，所述1*4路光开关分别连接四路波导干涉环，所述四路波导干涉环的输出端均连接第一可调衰减器，所述第一可调衰减器连接发射端复用器，所述同步激光器依次连接第二可调衰减器以及发射端复用器，所述第一可调衰减器与第二可调衰减器连接发射端复用器的同一端，所述发射端驱动板分别连接信号激光器、强度调制器、1*4路光开关、波导干涉环、同步激光器、第一可调衰减器以及第二可调衰减器；

所述接收端包括接收端驱动板、接收端复用器、同步探测器、偏振分束器、两路波导干涉环以及单光子探测器，所述接收端复用器通过量子信道连接发射端复用器，所述接收端复用器的另一端分别连接同步探测器与偏振分束器，所述偏振分束器依次分别连接两路波导干涉环，其中，两路波导干涉环均连接有两路单光子探测器，所述接收端驱动板分别连接同步探测器、波导干涉环以及单光子探测器。

优选地，所述波导干涉环包括前端耦合器、长臂波导单元、短臂波导单元以及后端耦合器，所述前端耦合器的输出端分别连接长臂波导单元以及短臂波导单元，所述长臂波导单元以及短臂波导单元的输出端分别连接后端耦合器，所述长臂波导单元包括第一耦合器、延时波导以及第二耦合器，所述第一耦合器通过硅波导连接前端耦合器的输出端，所述第一耦合器通过延时波导连接第二耦合器，所述第二耦合器通过硅波导连接后端耦合器的输入端，所述短臂波导单元采用硅波导连接前端耦合器的输出端以及后端耦合器的输入端，所述长臂波导单元和/或短臂波导单元上设置有相位调制器。

优选地，所述延时波导为低损耗硅波导、氧化硅波导、sion波导、si3n4波导以及聚合物波导中的一种或是组合，所述短臂波导单元上设置有可调衰减器。

优选地，所述信号激光器与同步激光器为同一复用激光器，所述复用激光器可采用时分复用的方式发射信号光与同步光，所述发射端复用器为时分复用器，所述接收端复用器为解时分复用器。

一种基于光开关控制的量子密钥分配方法，包括以下步骤：

1)激光器触发：发射端利用同一个时钟信号分别触发信号激光器和同步激光器发射出信号光与同步光，所述信号光作为调制光，所述同步光作为同步信号传输到接收端由同步探测器响应为接收端所用；

2)诱骗态调制：信号激光器发射的信号光通过强度调制器进行随机强度调制，调制成为信号态、诱骗态或者真空态；

3)发射端干涉：通过1*4路光开关将信号光分成四路路，分别连接到由波导制作完成的四路臂长差不同的波导干涉环，各波导干涉环之间的相位差依次为0，π/2，π，3π/2，并通过所述1*4路光开关选择不同的通路进行通断选择，完成发射端不同相位调制的选择；

4)电控可调衰减器对信号光进行衰减：通过消偏器完成相位调制的信号光进行消偏，消偏后的信号光经过第一可调衰减器将光脉冲衰减至单光子量级，同步光经过第二可调衰减器将同步光调节至接收端可响应的强度范围；

5)信号光与同步光通过量子信道传输：信号光与同步光在发射端复合后通过量子信道传输至接收端，并在接收端重新分解，信号光进入偏振分束器，同步光通过同步光探测器探测；

6)偏振分束器分束：将不同步偏振的光经过偏振分束器分解为水平偏振方向和垂直偏振方向；

7)接收端干涉：将水平偏振方向和垂直偏振方向的信号光分别接入两路两个臂长差不同的波导干涉环进行相位调制，相位差分别为0、π/2，完成接收端不同相位的选择；

8)单光子探测器探测：单光子探测器探测出光信号，用于后续处理产生安全密钥。

优选地，所述步骤5)中，对信号光与同步光在发射端复合可采用波分复用或时分复用的方式进行，在接收端分解对应采用解波分复用或解时分复用方式进行。

优选地，所述步骤5)若信号光与同步光复合传输的方式采用时分复用时，所述信号激光器与同步激光器可采用任意一个激光器分时发送信号光与同步光。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

(1)本发明的量子密钥分配系统，通过在接收端增加一个偏振分束器，将信号光分解为两个垂直的偏振态，利用保偏光纤干涉环完成各自偏振态下的干涉，得到较好的干涉结果，避免了光纤传输过程中双折射效应影响光偏振态对干涉结果的影响，同时摒弃了纠偏系统，简化了系统冗杂度，也降低了生产成本；

(2)本发明通过一个干涉环只调节一个相位，对所使用dac以及模拟放大器的要求只有现有方式的10负六次方量级，大大降低了系统设计的要求。其中现有方式中，在发射端采用一个干涉环调节四个相位，在再此调节过程中，需要高速dac对调制电压进行转换，需要高速模拟放大器对转换后调制电压进行放大至干涉环所要求的大小；另外，本发明采用光开关对不同波导干涉环相位调制的通断选择，摒弃了干涉环前端的保偏分束器以及后端强度调制器的使用，采用高速数字信号控制光开关对各相位的通断选择，降低了成本以及系统的复杂性；

(3)本发明采用由平面光波导制作的干涉环，由于平面光波导具有偏振不敏感性，使得系统无需额外偏振补偿手段，另外传统的光纤干涉环大多是人工制造，精度大约几十微米量级，其制造工艺较为复杂，而波导的制作工艺极其成熟，可以到达亚微米量级，较好的提升了系统的密钥成码率。

附图说明

图1为本发明基于波导干涉环的量子密钥分配系统的原理框图；

图2为本发明波导干涉环的原理框图。

图中：发射端100，发射端驱动板101，信号激光器102，同步激光器103，强度调制器104，1*4路光开关105，波导干涉环106，第一可调衰减器107，第二可调衰减器108，发射端复用器109，消偏器110，接收端200，接收端驱动板201、接收端复用器202、同步探测器203、偏振分束器204、单光子探测器205，前端耦合器1061，后端耦合器1062，第一耦合器1063，延时波导1064，第二耦合器1065，硅波导1066，相位调制器1067，第三可调衰减器1068，量子信道300。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种基于波导干涉环的量子密钥分配系统，包括通过量子信道连接的发射端100与接收端200，所述发射端100包括发射端驱动板101、信号激光器102、同步激光器103、强度调制器104、1*4路光开关105、四路波导干涉环106、第一可调衰减器107、第二可调衰减器108以及发射端复用器109，其中，发射端复用器109可采用波分复用器或是时分复用器，所述四路波导干涉环106臂长差不同，其相位差分别为0，π/2，π，3π/2，所述信号激光器102依次连接强度调制器104、1*4路光开关105，所述1*4路光开关105分别连接四路波导干涉环106，所述四路波导干涉环106的输出端均连接第一可调衰减器107，其中，四路波导干涉环106与第一可调衰减器107之间连接有消偏器110，所述消偏器110用于将偏振光转换为非偏振光，以保证信号光传输过程的安全性，所述第一可调衰减器107连接发射端复用器109，所述同步激光器103依次连接第二可调衰减器108以及发射端复用器109，所述第一可调衰减器107与第二可调衰减器108连接发射端复用器109的同一端，所述发射端驱动板101分别连接信号激光器102、强度调制器104、1*4路光开关105、波导干涉环106、同步激光器103、第一可调衰减器107以及第二可调衰减器108；

所述接收端200包括接收端驱动板201、接收端复用器202、同步探测器203、偏振分束器204、两路波导干涉环106以及单光子探测器205，其中，接收端复用器202可采用解波分复用器或是解时分复用器，所述接收端复用器202通过量子信道300连接发射端复用器109，所述接收端复用器202的另一端分别连接同步探测器203与偏振分束器204，所述偏振分束器204依次分别连接两路波导干涉环106，其中，两路波导干涉环106均连接有两路单光子探测器205，所述接收端驱动板201分别连接同步探测器203、波导干涉环106以及单光子探测器205。

如图2所示，所述波导干涉环106包括前端耦合器1061、长臂波导单元、短臂波导单元以及后端耦合器1062，所述前端耦合器1061的输出端分别连接长臂波导单元以及短臂波导单元，所述长臂波导单元以及短臂波导单元的输出端分别连接后端耦合器1062，所述长臂波导单元包括第一耦合器1063、延时波导1064以及第二耦合器1065，所述第一耦合器1063通过硅波导1066连接前端耦合器1061的输出端，所述第一耦合器1063通过延时波导1064连接第二耦合器1065，所述第二耦合器1065通过硅波导1066连接后端耦合器1062的输入端，所述短臂波导单元采用硅波导1064连接前端耦合器1061的输出端以及后端耦合器1062的输入端，所述长臂波导单元和/或短臂波导单元上设置有相位调制器1067。

所述相位调制器1067利用硅的等离子体色散效应原理，在硅波导1066中制作pn结结构，其硅波导1066的截面结构为脊形，其pn结的掺杂结构包括但不限于为pin型、反向pn型、mos结构型。通过外接电压驱动改变pn结的载流子分布，进而改变掺杂区硅波导的折射率达到改变amzi(不等臂干涉仪)两臂相位差的目的。相位调制器1067的响应速度为亚纳秒级，可以实现相位的高速调整。

所述延时波导1064为低损耗硅波导、氧化硅波导、sion波导、si3n4波导以及聚合物波导中的一种或是组合。所述的延时波导1064的功能是提供光的延时，其采用为低损耗的波导，单位长度的损耗要显著低于普通硅波导。例如，普通硅波导的损耗为2-3db/cm，而利用氧化硅材料制作的延时波导1064的损耗只有0.02db/cm，损耗约为普通硅波导的1/100。延时波导1064的材料包括硅、氧化硅、sion、si3n4、聚合物(polymer)等。采用硅材料制作的延时波导1064，需要将硅波导经过氢气退火或热氧化等特殊工艺来处理，降低硅波导的侧壁粗糙度，以改善波导的损耗。采用氧化硅、sion、si3n4材料制作的延时波导1064，首先需要利用化学气相沉积法(例如pecvd或lpcvd)将材料沉积在硅基芯片上，再利用紫外光刻工艺形成延时波导1064的掩膜图形，最后利用icp(感应耦合等离子刻蚀)刻蚀工艺将掩膜图形转移到沉积的材料上形成延时波导1064。采用聚合物制作延时波导1064时，一般需要将聚合物材料通过甩胶工艺均匀旋涂在硅基芯片上，再利用光刻工艺或者纳米压印等工艺形成聚合物材料的延时波导1064。延时波导的结构包括条形、脊形、圆形、扁平型等。

另一种实施例中，所述短臂波导单元上设置有第三可调衰减器1068，所述可调衰减器1068可将经过短臂中的光信号衰减至与长臂中的一致，可降低对延时波导1064低损耗的要求。

所述的第一耦合器1063提供硅波导1066和延时波导1064的光学耦合，第二耦合器1065提供延时波导1064和硅波导1066的光学耦合。第一耦合器1063和第二耦合器1065的结构包括绝热波导耦合结构、倒锥形耦合结构、倏逝波耦合结构。

所述信号激光器102与同步激光器106为同一复用激光器，所述复用激光器可采用时分复用的方式发射信号光与同步光，所述发射端复用器109为时分复用器，所述接收端复用器202为解时分复用器。

本发明还提供了一种基于光开关控制的量子密钥分配方法，包括以下步骤：

1)激光器触发：发射端利用同一个时钟信号分别触发信号激光器和同步激光器发射出信号光与同步光，所述信号光作为调制光，所述同步光作为同步信号传输到接收端由同步探测器响应为接收端所用；

2)诱骗态调制：信号激光器发射的信号光通过强度调制器进行随机强度调制，调制成为信号态、诱骗态或者真空态；

3)发射端干涉：通过1*4路光开关将信号光分成四路路，分别连接到由波导制作完成的四路臂长差不同的波导干涉环，各波导干涉环之间的相位差依次为0，π/2，π，3π/2，并通过所述1*4路光开关选择不同的通路进行通断选择，完成发射端不同相位调制的选择；

4)电控可调衰减器对信号光进行衰减：通过消偏器完成相位调制的信号光进行消偏，消偏后的信号光经过第一可调衰减器将光脉冲衰减至单光子量级，同步光经过第二可调衰减器将同步光调节至接收端可响应的强度范围；

5)信号光与同步光通过量子信道传输：信号光与同步光在发射端复合后通过量子信道传输至接收端，并在接收端重新分解，信号光进入偏振分束器，同步光通过同步光探测器探测；

6)偏振分束器分束：将不同步偏振的光经过偏振分束器分解为水平偏振方向和垂直偏振方向；

7)接收端干涉：将水平偏振方向和垂直偏振方向的信号光分别接入两路两个臂长差不同的波导干涉环进行相位调制，相位差分别为0、π/2，完成接收端不同相位的选择；

8)单光子探测器探测：单光子探测器探测出光信号，用于后续处理产生安全密钥。

所述步骤5)中，对信号光与同步光在发射端复合可采用波分复用或时分复用的方式进行，在接收端分解对应采用解波分复用或解时分复用方式进行。

所述步骤5)若信号光与同步光复合传输的方式采用时分复用时，所述信号激光器与同步激光器可采用任意一个激光器分时发送信号光与同步光，在系统中驱动单个激光器采用时分复用的方式发射信号光以及同步光，有效的降低了系统的繁杂度以及生产成本。

综合本发明的系统结构与原理可知，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的量子密钥分配系统，通过在接收端增加一个偏振分束器，将信号光分解为两个垂直的偏振态，利用保偏光纤干涉环完成各自偏振态下的干涉，得到较好的干涉结果，避免了光纤传输过程中双折射效应影响光偏振态对干涉结果的影响，同时摒弃了纠偏系统，简化了系统冗杂度，也降低了生产成本；

(2)本发明通过一个干涉环只调节一个相位，对所使用dac以及模拟放大器的要求只有现有方式的10负六次方量级，大大降低了系统设计的要求。其中现有方式中，在发射端采用一个干涉环调节四个相位，在再此调节过程中，需要高速dac对调制电压进行转换，需要高速模拟放大器对转换后调制电压进行放大至干涉环所要求的大小；另外，本发明采用光开关对不同波导干涉环相位调制的通断选择，摒弃了干涉环前端的保偏分束器以及后端强度调制器的使用，采用高速数字信号控制光开关对各相位的通断选择，降低了成本以及系统的复杂性；

(3)本发明采用由平面光波导制作的干涉环，由于平面光波导具有偏振不敏感性，使得系统无需额外偏振补偿手段，另外传统的光纤干涉环大多是人工制造，精度大约几十微米量级，其制造工艺较为复杂，而波导的制作工艺极其成熟，可以到达亚微米量级，较好的提升了系统的密钥成码率。