專利名稱：一種用于量子密鑰分發(fā)的同步裝置及同步方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及量子保密通信方法，具體涉及量子密鑰分發(fā)裝置和分發(fā)方法。
背景技術(shù)：
量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的一項關(guān)鍵技術(shù)是發(fā)送方和接收方信息的同步，只有信息同步 比對上了，才能進行后續(xù)的密鑰提取工作，同時要求能盡量的去除暗計數(shù)，以減少誤碼率。 由于整個系統(tǒng)要求在高精度下工作，信息精確同步需要得到保證。為了保證單光子計數(shù)的 準確無誤，需要將發(fā)送端的同步信號準確無誤的傳送到接收端，并且與單光子探測器的檢 出信號保持同步。如果光子的同步性越好，則單光子計數(shù)越準確，能去除的暗計數(shù)也就越 多，量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的性能也就越好。目前，國內(nèi)外已經(jīng)完成了不少量子密鑰分發(fā)的實驗，一種是使用原子鐘進行同步， 此種同步方式一般是使用秒信號進行同步，對于頻率為幾兆甚至幾十兆的系統(tǒng)，使用秒信 號同步是比較粗的方案，且無法做到雙方很好的同步性，而且由于原子鐘比較昂貴，所以用 的相對比較少。另外一種是使用簡單的光同步，專門使用一根光纖作為同步光的傳送，頻率 也能做到和發(fā)射的信號頻率一樣，但是由于使用2根光纖(另一根作為信號光的傳輸)，大 大加大了使用成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高性能的量子密鑰分發(fā)系 統(tǒng)。該系統(tǒng)在頻率為幾十兆的系統(tǒng)中使用一根光纖傳輸信號光和同步光，實現(xiàn)系統(tǒng)雙方的 準確同步，并在同步丟失的情況下能實時重新同步，提升了系統(tǒng)的容錯能力。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種用于量子密鑰分發(fā)的同步裝置，用于同步信號產(chǎn)生和編碼的同步信號編碼模 塊信號輸出端與用以產(chǎn)生同步激光的同步激光發(fā)射模塊信號輸入端連接；所述同步激光發(fā) 射模塊的信號輸出端通過光纖與用于光電轉(zhuǎn)換的光探測器和用于甄別的比較器電路模塊 信號輸入端連接；光探測器和比較器電路模塊的信號輸出端分別與用于產(chǎn)生門控信號并且 可調(diào)延時的可調(diào)延時電路模塊和使用一個幀計數(shù)器進行計數(shù)，對同步信息進行編碼的同步 檢出和編碼模塊的信號輸入端連接?！N用于量子密鑰分發(fā)的同步裝置，發(fā)送和接收方都在所述的同步檢出和編碼模 塊內(nèi)置一個幀計數(shù)器，并對同步信息和態(tài)信息進行編碼。一種用于量子密鑰分發(fā)的同步裝置，所述可調(diào)延時電路模塊由粗細兩級組成。用于量子密鑰分發(fā)同步裝置的同步方法，包括以下步驟(1)使用同步信號編碼模塊對信號進行編碼，產(chǎn)生同步光激光器的驅(qū)動信號；(2)所述驅(qū)動信號進入同步光激光發(fā)射模塊，進行電平轉(zhuǎn)換，對信號整形，并將同 步激光發(fā)射；(3)發(fā)射的同步光和信號光耦合到同一根光纖中，從發(fā)送方傳送到接收方；
(4)在接收方，使用同步光探測和甄別模塊中的光電二極管完成同步光的接收和光電轉(zhuǎn)換，并使用高性能比較器完成信號的甄別；(5)使用獨立可調(diào)延時電路，對步驟⑷采集到的信號進行延時，作為門控信號輸給單光子探測器；(6)對步驟(4)采集到的信號進行同步檢出，并結(jié)合單光子探測器得到的信號計數(shù)進行編碼。用于量子密鑰分發(fā)同步裝置的同步方法，基礎(chǔ)頻率由量子態(tài)發(fā)射頻率決定；每過一段脈沖序列后停發(fā)若干個脈沖。用于量子密鑰分發(fā)同步裝置的同步方法，由發(fā)送方產(chǎn)生的同步信號脈沖上升沿觸 發(fā)，產(chǎn)生同步的激光脈沖；光脈沖的寬度可調(diào)；同步光與態(tài)信號光在同一光纖中傳送至接 收方。用于量子密鑰分發(fā)同步裝置的同步方法，同步光到達接收方后，要經(jīng)過高靈敏度 的PIN-TIA探測器轉(zhuǎn)換為差分的電信號，然后由高靈敏的快速比較器接收此差分信號，轉(zhuǎn) 換為后續(xù)可用的電平信號。本發(fā)明的優(yōu)點在于對同步光信號進行了編碼，使得在同步丟失的情況下能很快的 重新同步；對驅(qū)動信號進行窄脈沖成形，使得同步信號的強度僅稍大于噪聲，減小同步光在 光纖傳輸中對信號光的影響；使用一根光纖進行同步光和信號光的傳送，簡單易行，且大大 降低了成本；使用高性能甄別電路完成弱同步信號的低晃動信號采集；延時電路的高精度 寬范圍，使得延遲之后的同步光能準確地和信號光同步，有效得到信號計數(shù)。


附圖1為本發(fā)明的模塊結(jié)構(gòu)框圖。附圖2為本發(fā)明中的發(fā)射方的功能模塊示意圖。附圖3為本發(fā)明中的同步幀的時序示意圖。附圖4為本發(fā)明中的接收方的功能模塊示意圖。
具體實施例方式參見附圖1、2、3、4所示。本發(fā)明用于量子密鑰分發(fā)的裝置，其中，用于同步信號產(chǎn)生和編碼的同步信號編 碼模塊1信號輸出端與用以產(chǎn)生同步激光的同步激光發(fā)射模塊2信號輸入端連接；同步激 光發(fā)射模塊2的信號輸出端通過光纖與用于光電轉(zhuǎn)換的光探測器31和用于甄別的比較器 電路模塊3信號輸入端連接；光探測器31和比較器電路模塊3的信號輸出端分別與用于產(chǎn) 生門控信號并且可調(diào)延時的可調(diào)延時電路模塊5和使用一個幀計數(shù)器進行計數(shù)，對同步信 息進行編碼的同步檢出和編碼模塊4的信號輸入端連接。由同步信號編碼模塊1，驅(qū)動同步激光放射模塊2發(fā)光，并耦合到光路上。在接收 端，同步光從光路中分離出來，經(jīng)過同步光探測和甄別3進行同步光信號采集。由于每路信 號光通過電子學路徑以及光路之后，相對于同步光的時間延遲是不一樣的，因此通過對同 步信號進行不同的延遲控制，使得每路信號在光探測器31上形成Ins左右的時間窗。同時 同步光信號進入幀同步檢出和編碼模塊43，結(jié)合信號光的信號，進行同步單光子計數(shù)，同時檢出幀同步信號，利用此幀同步信號，即使在同步丟失的情況下，仍然能重新同步上。
如圖2所示，同步信號在發(fā)送方同步檢出和編碼模塊內(nèi)部由硬件描述語言編寫的 邏輯模塊產(chǎn)生，并在接收方被接收，通過高精度甄別之后進入接收方同步檢出和編碼模塊， 基礎(chǔ)頻率由量子態(tài)發(fā)射頻率決定；每過一段脈沖序列后停發(fā)若干個脈沖，如圖3所示，同步 光按量子發(fā)射頻率生成，但不完全一樣，中間每過K個脈沖，停發(fā)N個脈沖N < < K，作為K+N 為單位的幀的同步信號，如此即使在某個地方丟失同步之后，在下一個幀還能重新同步上。 同時發(fā)送和接收方都在同步檢出和編碼模塊內(nèi)置一個幀計數(shù)器，并對同步信息和態(tài)信息進 行編碼。這樣，即使由于在同步信息傳遞過程中出現(xiàn)錯誤而造成同步丟失，也能通過幀計數(shù) 器的信息恢復同步。產(chǎn)生的同步電脈沖信號發(fā)送給激光器。由于信號要成形為Ins左右的 脈沖，所以必須使用快信號電平標準。激光發(fā)射模塊首先使用電平轉(zhuǎn)換21功能，把TTL信 號轉(zhuǎn)換為ECL信號，進入窄脈沖成形22，驅(qū)動激光器23發(fā)射同步光，同步光和信號光耦合到 一根光纖傳輸?shù)浇邮辗健Ｓ砂l(fā)送方產(chǎn)生的同步信號脈沖上升沿觸發(fā)，產(chǎn)生同步的激光脈沖； 光脈沖的寬度可調(diào)；同步光與態(tài)信號光在同一光纖中傳送至接收方。圖4為接收方的功能框圖。使用光探測器31對同步光進行接收然后進入甄別32。 為了防止同步光對信號光的干擾，同步光的光功率會被衰減到很低的水平。同步光到達接 收方后，要經(jīng)過高靈敏度的PIN-TIA探測器轉(zhuǎn)換為差分的電信號。然后由高靈敏的快速比 較器接收此差分信號，轉(zhuǎn)換為后續(xù)可用的電平信號。整個裝置要求有高的靈敏度和低時間 晃動。對甄別出的同步信號接收42后進行幀信號檢出和編碼43，檢出規(guī)則和生成規(guī)則一 致，如圖3所示，并結(jié)合探測器對信號光的探測信號進行編碼。編碼后的數(shù)據(jù)通過密鑰提取 接口 44進行密鑰的提取。如果接收方的探測器工作在GATE模式下，需要由態(tài)信號來確定GATE開啟的時間。 由于發(fā)送方到接收方的量子信道存在一些不確定的因素，各態(tài)信號到達的時間并不一致。 和態(tài)信號相關(guān)的同步信號經(jīng)甄別后，進入可調(diào)延時的電路，來產(chǎn)生探測器工作所需要的門 控信號。此可調(diào)延時電路由粗細兩級組成，使得延時調(diào)節(jié)范圍寬，并且調(diào)節(jié)精度高；延時可 編程，整個延遲分為脈沖形成51、粗延時52和細延時54，四路電路延時獨立可調(diào)；延時設(shè)置 通過延時控制57來完成。經(jīng)過延時后的同步信號再經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換55整形，脈沖形成56輸 入到探測器。
權(quán)利要求
一種用于量子密鑰分發(fā)的同步裝置，其特征在于用于同步信號產(chǎn)生和編碼的同步信號編碼模塊信號輸出端與用以產(chǎn)生同步激光的同步激光發(fā)射模塊信號輸入端連接；所述同步激光發(fā)射模塊的信號輸出端通過光纖與用于光電轉(zhuǎn)換的光探測器和用于甄別的比較器電路模塊信號輸入端連接；光探測器和比較器電路模塊的信號輸出端分別與用于產(chǎn)生門控信號并且可調(diào)延時的可調(diào)延時電路模塊和使用一個幀計數(shù)器進行計數(shù)，對同步信息進行編碼的同步檢出和編碼模塊的信號輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于量子密鑰分發(fā)的同步裝置，其特征在于發(fā)送和接 收方都在所述的同步檢出和編碼模塊內(nèi)置一個幀計數(shù)器，并對同步信息和態(tài)信息進行編 碼。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于量子密鑰分發(fā)的同步裝置，其特征在于所述可調(diào) 延時電路模塊由粗細兩級組成。
4.用于量子密鑰分發(fā)同步裝置的同步方法，其特征在于包括以下步驟(1)使用同步信號編碼模塊對信號進行編碼，產(chǎn)生同步光激光器的驅(qū)動信號；(2)所述驅(qū)動信號進入同步光激光發(fā)射模塊，進行電平轉(zhuǎn)換，對信號整形，并將同步激 光發(fā)射；(3)發(fā)射的同步光和信號光耦合到同一根光纖中，從發(fā)送方傳送到接收方；(4)在接收方，使用同步光探測和甄別模塊中的光電二極管完成同步光的接收和光電 轉(zhuǎn)換，并使用高性能比較器完成信號的甄別；(5)使用獨立可調(diào)延時電路，對步驟(4)采集到的信號進行延時，作為門控信號輸給單 光子探測器；(6)對步驟(4)采集到的信號進行同步檢出，并結(jié)合單光子探測器得到的信號計數(shù)進 行編碼。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于量子密鑰分發(fā)同步裝置的同步方法，其特征在于基礎(chǔ) 頻率由量子態(tài)發(fā)射頻率決定；每過一段脈沖序列后停發(fā)若干個脈沖。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于量子密鑰分發(fā)同步裝置的同步方法，其特征在于由發(fā) 送方產(chǎn)生的同步信號脈沖上升沿觸發(fā)，產(chǎn)生同步的激光脈沖；光脈沖的寬度可調(diào)；同步光 與態(tài)信號光在同一光纖中傳送至接收方。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于量子密鑰分發(fā)同步裝置的同步方法，其特征在于同步 光到達接收方后，要經(jīng)過高靈敏度的PIN-TIA探測器轉(zhuǎn)換為差分的電信號，然后由高靈敏 的快速比較器接收此差分信號，轉(zhuǎn)換為后續(xù)可用的電平信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于量子密鑰分發(fā)的同步裝置及同步方法，同步信號編碼模塊信號輸出端與同步激光發(fā)射模塊信號輸入端連接；同步激光發(fā)射模塊的信號輸出端通過光纖與比較器電路模塊信號輸入端連接；光探測器和比較器電路模塊的信號輸出端分別與用于產(chǎn)生門控信號并且可調(diào)延時的可調(diào)延時電路模塊和使用一個幀計數(shù)器進行計數(shù)，對同步信息進行編碼的同步檢出和編碼模塊的信號輸入端連接。本發(fā)明提供一種高性能的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在頻率為幾十兆的系統(tǒng)中使用一根光纖傳輸信號光和同步光，實現(xiàn)系統(tǒng)雙方的準確同步，并在同步丟失的情況下能實時重新同步，提升了系統(tǒng)的容錯能力。
文檔編號H04L1/00GK101800636SQ201010108798
公開日2010年8月11日 申請日期2010年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月4日
發(fā)明者萬旭, 劉尉悅, 彭承志, 楊濤, 梁昊, 潘建偉, 王堅, 陳騰云 申請人:安徽量子通信技術(shù)有限公司