CN208707646U - 一种量子保密通信中的时间同步*** - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种量子保密通信中的时间同步***，包括：同步光发射装置，用于出射同步光，并对同步光进行帧编号；信号光发射端，用于出射信号光，并根据信号光光脉冲与其所属帧的同步光光脉冲的时间间隔对信号光光脉冲进行标号；模式复用器，用于将信号光和同步光耦合后经过同一根少模光纤信道传输；模式解复用器，用于接收耦合后的信号光和同步光并将信号光和同步光进行分束；PIN探测器，用于探测同步光，识别同步光的帧编号；单光子探测器，用于探测信号光，测量信号光光脉冲距离其所属帧的同步光光脉冲的时间间隔；将接收到的信号光光脉冲的标号与发送的信号光光脉冲的标号一一对应；修正模块，用于确定链路传输延时，对信号光进行同步修正。

Description

一种量子保密通信中的时间同步***

技术领域

本实用新型涉及量子通信技术领域，特别是涉及一种量子保密通信中的时间同步***。

背景技术

量子保密通信基于量子力学基本原理，具有无条件安全的特性。量子保密通信以单光子作为载体，实现终端之间的信息保密安全地传输。近十几年，量子保密通信技术飞速发展，其核心量子密钥分发(QKD)已经实现了一系列工程化应用，为国家安全、金融、电力等领域信息业务提供量子安全保障。

量子密钥分发分为发送端Alice和接收端Bob，多采用单模光纤作为传输信道。发送端Alice随机选择一组基矢(“+”基矢或“×”基矢)和在这个基矢下的某一个态对光子进行编码，可得到四种偏振态光子，分别是水平偏振态H(记作→)、垂直偏振态V(记作↑)、+45°偏振态P(记作↗)、-45°偏振态N(记作↘)。经过信道传输后光子被接收端Bob接收。Bob接收到光子后，也随机选择一组基矢进行测量，并且将测量结果记录下来。Alice和Bob选择基矢都是随机且相互独立的。

随后，Alice和Bob通过经典信道进行基矢比对，即Bob公布其测量光子时所选用的基矢，Alice比对Bob选择的基矢与其发送光子时所选择的基矢，保留选择基矢相同的数据，选择不同基矢的数据抛弃。随后经过纠错、隐私放大等步骤得到安全的密钥。

QKD设备在正常运行工作之前，需要进行自校准。QKD设备校准工作主要包括光强反馈、延时扫描、偏振反馈以及同步修正。

光强反馈功能完成强度维稳，补偿强度调制器因外界环境变化产生的波动，使之保持在预设状态。延时扫描功能完成对门控的雪崩单光子探测器的探测效率的优化。门控单光子探测器的门控信号经过4路可调延时的延时芯片，通过调节该延时芯片的延时值得到探测效率计数率曲线并找到最大值，该情况下的延时芯片的设置值为最优值。偏振反馈功能完成基于偏振编码的QKD***信号光脉冲的偏振态监测与反馈补偿。

最后，进行同步修正步骤。同步修正功能完成探测器接收到的信号光脉冲的时间相对于同步光脉冲到达时间的差值测量，因为光纤链路和电子学线路会对信号光和同步光产生不同的链路延时。所以在***初始化阶段启动同步修正，通过同步修正功能得到上述时间差值，可以用于后续判断探测时间位置和发送序列位置之间的相对关系。

同步修正功能保证量子保密通信双方Alice和Bob在进行通信过程中的时间同步，确保双方是针对同一个光子态所属的基矢进行基矢比对，不会出现错位。时钟同步技术是量子保密通信***的关键技术，决定了是否能够生成安全的量子密钥。

现有时钟同步技术主要包括两种。第一种方法是通过两根光纤来分别传输量子信号光和时钟同步的同步光信号。额外占用一根光纤用作同步光信号传输信道极大浪费光纤资源。而且，量子信号光和同步光分别在两根光纤中传输，两者的传输环境不同，在传输过程中存在相对相位抖动的缺陷。第二种是基于波分复用的方法，通过同一根光纤来传输量子信号光和同步光。比如，同步光波长有别于量子信号光波长，并且同步光频率比量子信号光频率要小很多。同步光和量子信号光通过波分复用器耦合进入同一根单模光纤中传输。通过延时模块控制量子信号光与同步光的相位差，确保同步光信号不会对量子信号光产生串扰。

例如，量子信号光波长为1550.12nm，发光重复频率为40MHz，同步光波长为1570nm，发光重复频率为100KHz。同步光作为参考信号，两个同步光信号之间的量子信号光组成一帧并对其进行编号。Bob接收到同步光信号并根据同步光编号可以确定所属的量子信号光属于第几帧。再测量某个量子信号光与同步光之间的时间间隙，来确定该量子信号光属于该帧的第几个，从而可以实现Alice和Bob之间的时间同步。

对于采用两根光纤来分别传输量子信号光和同步光的方法，光纤资源浪费严重。而且，因为量子信号光和同步光传输信道不同，受外界环境影响也不一样，引起两者相对相位抖动的缺陷，而该缺陷对高重复频率***的影响是致命的。对于单根光纤通过波分复用技术将量子信号光和同步光耦合进入同一根光纤中传输的方法，虽然能够良好地实现Alice和Bob之间的时间同步，但因为同步光需要额外占用一个波长信道，光网络中波长资源宝贵且有限，占用波长信道不利于大规模量子保密通信网络的组建。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种量子保密通信中的时间同步***，用于解决现有的双纤同步技术和单纤波分同步技术各自存在的问题。对于采用两根光纤来分别传输信号光和同步光的方法，光纤资源浪费严重，而且信号光和同步光传输信道不同，受外界环境影响也不一样，容易引起两者相对相位抖动；而单根光纤通过波分复用技术进行时间同步的方法，占用波长信道，不利于大规模量子保密通信网络的组建。

本实用新型提供了一种量子保密通信中的时间同步***，包括：同步光发射装置，用于出射同步光，并对所述同步光进行帧编号；信号光发射端，用于出射信号光，并根据所述信号光光脉冲与其所属帧的同步光光脉冲的时间间隔对每个所述信号光光脉冲进行标号；模式复用器，用于将所述信号光和所述同步光耦合后经过同一根少模光纤信道传输；模式解复用器，用于接收耦合后的所述信号光和所述同步光并将所述信号光和所述同步光进行分束；PIN探测器，用于探测所述同步光，识别所述同步光的所述帧编号；单光子探测器，用于探测所述信号光，并测量所述信号光光脉冲距离其所属帧的所述同步光光脉冲的时间间隔；并根据所述时间间隔判断接收到的所述信号光光脉冲的标号；将接收到的所述信号光光脉冲的标号与发送的所述信号光光脉冲的标号一一对应；修正模块，用于确定所述信号光光脉冲和所述同步光光脉冲之间的链路传输延时，对所述信号光进行同步修正。

于本实用新型的一实施例中，所述信号光发射端还包括偏振态制备及衰减模块，用于将所述信号光进行偏振态制备及衰减，制备出单光子级别的H、V、P、N四路偏振光。

于本实用新型的一实施例中，所述同步光发射装置包括：同步光发射器，用于出射同步光；光衰减器，用于将出射的所述同步光进行衰减；模式转换器，用于将衰减后的所述同步光的模式由基模转换为高阶模式。

于本实用新型的一实施例中，所述信号光发射端还用于确定发送时所述信号光光脉冲相对于所述同步光光脉冲的第一时间间隔；所述单光子探测器还用于确定接收时所述信号光光脉冲相对于所述同步光光脉冲的第二时间间隔；所述修正模块，还用于根据所述第一时间间隔和所述第二时间间隔之间的差值确定所述信号光光脉冲和所述同步光光脉冲之间的链路传输延时。

如上所述，本实用新型的一种量子保密通信中的时间同步***，具有以下有益效果：

无需增加额外的光纤信道，通过模分复用器将量子信号光和同步光耦合进入同一根光纤信道传输，此举极大地节省了光纤资源。

而且，对于多路QKD波分复用***，同步光不占用波长信道，相当于降低了每路量子信号光的波分复用插损，提高每路QKD业务性能，包括成码率、传输距离等，在组建大规模量子保密通信网络时，具有客观的经济效益。

附图说明

图1显示为本实用新型中量子保密通信中的时间同步***的结构示意图。

图2显示为本实用新型中量子保密通信同步修正时发送端同步光和信号光的光脉冲示意图。

图3显示为本实用新型中量子保密通信同步修正时接收端同步光和信号光的光脉冲示意图。

图4显示为本实用新型中量子保密通信时间同步时发送端同步光和信号光的光脉冲示意图。

图5显示为本实用新型中量子保密通信时间同步时接收端同步光和信号光的光脉冲示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图示中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

参见图1至图5，须知，本说明书所附图示所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

图1至5所示，图1显示为本实用新型中量子保密通信中的时间同步***的结构示意图。图2显示为本实用新型中量子保密通信同步修正时发送端同步光和信号光的光脉冲示意图。图3显示为本实用新型中量子保密通信同步修正时接收端同步光和信号光的光脉冲示意图。图4显示为本实用新型中量子保密通信时间同步时发送端同步光和信号光的光脉冲示意图。图5显示为本实用新型中量子保密通信时间同步时接收端同步光和信号光的光脉冲示意图。本实用新型提供了一种量子保密通信中的时间同步***，包括：

同步光发射装置，用于出射同步光，并对同步光进行帧编号；信号光发射端，用于出射信号光，并根据信号光光脉冲与其所属帧的同步光光脉冲的时间间隔对每个信号光光脉冲进行标号；初始出射时，信号光和同步光均为基模模式，出射后，同步光转为高阶模式，在本实用新型的一实施例中，信号光发射端还包括偏振态制备及衰减模块，用于将信号光进行偏振态制备及衰减，制备出单光子级别的H、V、P、N四路偏振光。在本实用新型的另一实施例中，同步光发射装置包括：同步光发射器，用于出射同步光；光衰减器，用于将出射的同步光进行衰减；模式转换器，用于将衰减后的同步光的模式由基模转换为高阶模式。在本实用新型的另一实施例中，信号光发射端还用于确定发送时信号光光脉冲相对于同步光光脉冲的第一时间间隔。

模式复用器，用于将信号光和同步光耦合后经过同一根少模光纤信道传输；传输信道为少模光纤，少模光纤可以通过增加单芯光纤中传播的光束的模式来实现复用，在提高传输容量的前提下对能耗的需求增加不明显。与传统的单模光纤相比，少模光纤的模场直径更大，能够支持更多的传输模式，而衰减不会明显增大。与多模光纤相比，少模光纤传输损耗更小，传输距离更远，易于控制和减少模式间的耦合。

模式解复用器，用于接收耦合后的信号光和同步光并将信号光和同步光进行分束。

PIN探测器，用于探测同步光，识别同步光的帧编号。

单光子探测器，用于探测所述信号光，并测量所述信号光光脉冲距离其所属帧的所述同步光光脉冲的时间间隔；并根据所述时间间隔判断接收到的所述信号光光脉冲的标号；将接收到的所述信号光光脉冲的标号与发送的所述信号光光脉冲的标号一一对应。

修正模块，用于确定所述信号光光脉冲和所述同步光光脉冲之间的链路传输延时，对所述信号光进行同步修正。

在QKD设备启动时，会进行设备校准工作，其中就包含了同步修正步骤。同步修正步骤就是为了修正同步光和信号光经过光纤链路和电子学线路后引入的不同的延时值，为准确定位每个信号光光脉冲的时间位置奠定基础。

在本实用新型的一实施例中，所述单光子探测器还用于确定接收时所述信号光光脉冲相对于所述同步光光脉冲的第二时间间隔；所述修正模块，还用于根据所述第一时间间隔和所述第二时间间隔之间的差值确定所述信号光光脉冲和所述同步光光脉冲之间的链路传输延时。完成同步修正后，发送周期同步光和信号光，同步光频率比信号光频率小很多。每个同步光光脉冲后跟随一串信号光光脉冲，组成一帧光脉冲信号。对每个同步光进行序列编号，并测量某个信号光光脉冲距离其所在帧的同步光光脉冲的时间间隔，即可确定该信号光光脉冲属于第几帧第几个，完成时间同步。

以下以本实用新型一实施例进行说明，发送端出射模式为基模的信号光，经过信号光偏振态制备及衰减模块，制备出所需的单光子级别的H、V、P、N四路偏振光。同步光与信号光完全相同，同步光的出射模式为基模。同步光先经过光衰减器进行光强衰减，随后经过模式转换器转换成LP11模式或其他高阶模式。基模量子信号光与高阶模同步光通过模式复用器耦合进入同一根少模光纤信道进行传输。通常，信号光发射端与模式复用器之间的链路可采用单模光纤或者少模光纤，模式转换器与模式复用器之间的链路采用少模光纤。在接收端，信号光和同步光通过模式解复用器进行分束，信号光被接收端的单光子探测器接收，同步光被PIN探测器探测接收。通常，模式解复用器与单光子探测器之间的链路可采用单模光纤或者少模光纤，模式解复用器与PIN探测器之间的链路采用少模光纤。

如图2至图5所示，QKD设备在正常运行工作之前，***会进行初始化校准。在完成光强反馈、延时扫描、偏振反馈之后，会针对H、V、P、N四路信号光逐一进行同步修正步骤。以H路信号光为例，同步光激光器发出重复频率为100kHz的周期脉冲光，H路信号光激光器也发出重复频率为100kHz的周期脉冲信号光，同步光和信号光的波长相同。在发送端，信号光光脉冲相对于同步光光脉冲时间间隔固定，记为T1。

经过光纤链路及电子学线路之后，探测到的同步光光脉冲和信号光光脉冲延时存在差值。经过多次探测统计后确定同步光光脉冲和信号光光脉冲的时间间隔T2。因为链路延迟不一样，相比在发送端的同步光光脉冲和信号光光脉冲的时间间隔T1，在接收端引入了时间间隔差值ΔT。因为在接收端确定信号光光脉冲序列编号是依靠测量其与所属帧的同步光光脉冲的时间间隔来完成的。对于发送端某个光脉冲，其与同步光光脉冲时间间隔为T1，而在接收端，探测到的该信号光光脉冲与同步光光脉冲时间间隔变成了T2，T1与T2相差ΔT。故实际确定信号光光脉冲位置时，需要将ΔT扣除。同步修正的目的正是将接收端的信号光光脉冲和同步光光脉冲的时间间隔“恢复”成在发送端时的时间间隔，从而保证探测到的信号光光脉冲的序列编号和发送端的信号光光脉冲的序列编号一致。

完成同步修正之后，发送端对每个同步光光脉冲进行序列编号。根据每个信号光光脉冲与其所属帧的同步光光脉冲时间间隔对每个信号光光脉冲进行编号。发送端对两个同步光光脉冲分别编号为第一帧和第二帧。对于第一帧里的第二个信号光光脉冲a，其与同步光光脉冲a时间间隔为Ta，对于第二帧里的第四个信号光光脉冲b，其与同步光光脉冲b时间间隔为Tb。在接收端，对于信号光光脉冲a，根据其所在帧的同步光光脉冲a编号确定其所属第一帧，测量其与同步光光脉冲a时间间隔Ta可确定其为第一帧中第二个光脉冲。对于信号光光脉冲b，根据其所在帧的同步光光脉冲b编号确定其所属第二帧，测量其与同步光光脉冲b时间间隔Tb可确定其为第二帧中第四个光脉冲。这样，保证探测到的信号光光脉冲与发送端的信号光光脉冲一一对应，不会出现错位，达到时间同步的目的。时间同步能够确保发送端和接收端进行基矢比对时是针对同一个光子的光子态，保证***能够正常生成安全的量子密钥。

综上所述，本实用新型的量子保密通信中的时间同步***，无需增加额外的光纤信道，通过模分复用器将量子信号光和同步光耦合进入同一根光纤信道传输，此举极大地节省了光纤资源。而且，对于多路QKD波分复用***，同步光不占用波长信道，相当于降低了每路量子信号光的波分复用插损，提高每路QKD业务性能，包括成码率、传输距离等，在组建大规模量子保密通信网络时，具有客观的经济效益。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (3)

1.一种量子保密通信中的时间同步***，包括：

同步光发射装置，用于出射同步光，并对所述同步光进行帧编号；

信号光发射端，用于出射信号光，并根据所述信号光光脉冲与其所属帧的同步光光脉冲的时间间隔对每个所述信号光光脉冲进行标号；

PIN探测器，用于探测所述同步光，识别所述同步光的所述帧编号；

单光子探测器，用于探测所述信号光，并测量所述信号光光脉冲距离其所属帧的所述同步光光脉冲的时间间隔；并根据所述时间间隔判断接收到的所述信号光光脉冲的标号；将接收到的所述信号光光脉冲的标号与发送的所述信号光光脉冲的标号一一对应；

修正模块，用于确定所述信号光光脉冲和所述同步光光脉冲之间的链路传输延时，对所述信号光进行同步修正；

其特征在于，还包括：

模式复用器，用于将所述信号光和所述同步光耦合后经过同一根少模光纤信道传输；

模式解复用器，用于接收耦合后的所述信号光和所述同步光并将所述信号光和所述同步光进行分束。

2.根据权利要求1所述的量子保密通信中的时间同步***，其特征在于，所述信号光发射端还包括偏振态制备及衰减模块，用于将所述信号光进行偏振态制备及衰减，制备出单光子级别的H、V、P、N四路偏振光。

3.根据权利要求1所述的量子保密通信中的时间同步***，其特征在于，所述同步光发射装置包括：

同步光发射器，用于出射同步光；

光衰减器，用于将出射的所述同步光进行衰减；

模式转换器，用于将衰减后的所述同步光的模式由基模转换为高阶模式。