一种光信号与量子信号协同传输的纤芯和波长分配方法

本专利涉及量子通信领域，尤其涉及与多芯光纤光网络融合传输的量子密钥分发技术。该方法可以同时降低融合传输中经典信道和量子信道上的噪声干扰，进而同时提高经典光通信和量子密钥分发的性能，实现两者的协同传输。

背景技术：

1、量子密钥分发(quantum key distribution,qkd)技术根据量子力学的基本原理，结合“一次一密”技术可以为光网络提供理论安全保障。随着qkd的发展，在安全传输距离的扩展和安全密钥率的提升等方面均取得了重大进步。

2、为推动qkd的应用化进程，与经典光网络融合传输是一个重要的发展趋势。融合传输可以降低光纤部署成本但是会引入新的挑战，即微弱量子信号易受到经典信号产生的噪声干扰，如拉曼散射噪声和四波混频噪声。这些噪声对于qkd系统属于带内噪声，无法通过滤波器滤除，因此需要高效的波长分配方案实现低噪声、高密钥率的目标。同时，多芯光纤的引入提高了光纤传输容量，但是也会引入新的噪声，如芯间串扰噪声。此外，经典信号产生的噪声在极大干扰量子信道的同时也会对其本身造成影响，对于落在经典信道上的带内噪声同样会损伤经典通信系统的性能。然而，在目前的经典信号和量子信号融合传输研究中，大部分致力于降低量子信号受到的噪声干扰而忽视了噪声对经典信号性能影响的问题。因此，由经典信号引入的噪声不但制约了量子密钥分发网络中安全密钥率的提升，还降低了经典光通信网络的性能。

3、综上所述，目前基于多芯光纤的量子密钥分发光网络亟需一种既可以提高qkd网络性能，又可以提高经典光通信网络性能的纤芯与波长分配方法。

技术实现思路

1、本专利针对空分复用量子密钥分发与经典光信号融合传输这一应用场景，设计了一种光信号与量子信号协同传输的纤芯和波长分配方法，该方法既能提升qkd的安全密钥率，又能提高经典光通信的光信噪比。该方法主要包括两个技术要点：1、提出一种经典信号与量子信号协同传输的波长分配方案；2、提出一种经典信号与量子信号协同传输的纤芯分配方案。

2、针对所述的第一个技术要点具体说明如下：

3、提出一种经典信号与量子信号协同传输的波长分配方案。所提方案主要针对前、后向经典信号与量子信号位于不同波段的情况，即将可用频率范围自低至高分为三个频段，分别用于传输前、后向经典信号与量子信号，如附图1所示。首先，为了抑制芯内四波混频噪声对经典信号造成的影响，分别对前、后向经典信号，采取对当前可用波段受到的四波混频噪声最小为原则，分配经典信道。其次，为避免经典信道受到芯间串扰噪声的影响，在确定前、后向经典信道的基础上采取信道右移的方式得到另外两类分别用于传输前、后经典信号的信道。最后，对于量子信道的分配是以遍历噪声最小为原则。最终，本方案既可以降低经典信道上的噪声，也能降低量子信道上的噪声。该方案具体实现共分为以下步骤：

4、s1、首先在可选信道范围内，确定对本范围内产生四波混频噪声影响最小的三个经典信道编号：其中cf/b是可选前、后向经典信道频率最大的信道的编号，f/b表示前向信道或后向信道；

5、s2、遍历求出该可选信道范围内剩余信道对整个可用信道范围产生的四波混频噪声之和fwmi，计算依据为：

6、

7、fwmj(i,sf/b)表示第i个信道的加入，对j信道上的四波混频噪声干扰；

8、s3、通过公式(1)可以确定第i个选择的经典信道为：iopt＝arg{min[fwmi]}，进而更新信道集合：sf/b←iopt；min[fwmi]是为了计算i个信道上fwm噪声的最小值，arg{min[fwmi]}是为了获取fwm噪声最小时对应的信道编号；

9、s4、循环执行步骤s2-s3获得最终所需的经典信道，更新至前、后向经典信道集合sf/b；

10、s5、将步骤s4中集合sf/b中的元素分别右移δf1/2、δf2/2得到另外两类分别用于传输前、后向经典信号的信道集合s′f/b；δf1是可选前向经典信道频率间隔，δf2是可选后向经典信道频率间隔；

11、s6、通过遍历可选量子信道上的噪声，依次选择受到噪声影响最小的信道用于传输量子信号。

12、针对所述的第二个技术要点具体说明如下：

13、提出一种经典信号与量子信号协同传输的纤芯分配方案。该方案主要应用于任意芯数的多芯光纤，以经典芯与量子芯距离最大原则分配纤芯资源，以达到提高量子密钥分发系统安全密钥率的目的。该方案可用于两种不同的经典芯需求的场景：一是多芯光纤的纤芯资源足够满足经典纤芯需求，二是多芯光纤纤芯资源不足以满足经典纤芯需求。对于第一个场景，即纤芯资源充足，则经典信号与量子信号异芯传输，即独立芯传输；对于第二个场景，纤芯资源紧张，则经典信号与量子信号共芯传输，该类芯为混合芯。对于第二个技术点的具体实现步骤如下：

14、s1、选择多芯光纤的任意一个顶点并将其编号为1，沿着芯1最外侧做切线并向下移动，依次穿过其它纤芯圆心，在每条线上的纤芯，按照左>右>中间的优先级给对应纤芯编号，直到所有纤芯编完为止；

15、s2、按照纤芯编号由大到小的原则分配量子芯；

16、s3、按照切线向下平移顺序依次规划纤芯，分别是未移位前向经典波长sf、移位前向经典波长s′f、未移位后向经典波长sb、移位后向经典波长s′b，并以4为周期循环规划纤芯；

17、s4、根据s3的纤芯规划，按照纤芯编号从小到大的顺序分配经典纤芯；

18、s5、当满足经典纤芯数量需求，分配结束；否则，继续按照s4的步骤覆盖量子纤芯为经典信号和量子信号混合传输纤芯，直到经典纤芯分配结束为止。

19、本专利所述方法可以应用于基于多芯光纤的量子密钥分发传输网络中，既可以提高经典通信的光信噪比，也可以提升qkd的安全密钥率，扩展安全传输距离。通过本方法的实施可以为qkd与经典光网络的融合奠定基础，在提升qkd性能以及保证经典信号传输性能等方面均具有积极推动作用。

技术特征：

1.一种光信号与量子信号协同传输的纤芯和波长分配方法，目的在于同时提升经典光通信和量子密钥分发的性能，其特征在于，主要分为两类：

2.如权利要求1所述方法，提出一种经典信号与量子信号协同传输的波长分配方案，其特征在于，包括以下步骤：

3.如权利要求1和2所述方法，提出一种经典信号与量子信号协同传输的纤芯分配方案，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本专利公开了一种光信号与量子信号协同传输的纤芯和波长分配方法，该方法适用于基于空分复用的量子密钥分发光网络。本方法主要考虑空分复用中涉及到的拉曼散射噪声、四波混频噪声、芯间串扰噪声等主要噪声，提出经典信号与量子信号协同传输的纤芯波长分配方法，旨在同时提高经典光通信的性能及量子密钥分发的性能。本发明为量子密钥分发与经典光网络的融合传输提供技术支撑，推动量子密钥分发的应用化进程。

技术研发人员：孙咏梅,孔维文,任雪琴,高耀先,纪越峰
受保护的技术使用者：北京邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12