量子密鑰分配系統(tǒng)的全光纖通信系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種量子密鑰分配系統(tǒng)的全光纖通信系統(tǒng)，包括發(fā)射端和接收端，所述發(fā)送收端包括發(fā)送端FPGA、量子光激光器Laser1、同步光和經(jīng)典信號復(fù)用激光器Laser2、發(fā)送端操作系統(tǒng)、發(fā)送端量子信號調(diào)制系統(tǒng)、發(fā)送端波分復(fù)用器DWDM；所述接收端包括接收端FPGA、單光子探測器SPD、同步光探測器、接收端量子信號解調(diào)系統(tǒng)、接收端波分復(fù)用器DWDM、接收端操作系統(tǒng)。本實(shí)用新型采用分時(shí)復(fù)用的方式將三種信號放在一根光纖中傳輸，去除了網(wǎng)線連接，并且用同步光激光器分時(shí)復(fù)用來發(fā)送密鑰協(xié)商信號和同步數(shù)據(jù)，使QKD擺脫了對經(jīng)典以太網(wǎng)通信的依賴，極大地提升了QKD系統(tǒng)的安全性。
【專利說明】量子密鑰分配系統(tǒng)的全光纖通信系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種量子密鑰分配系統(tǒng)QKD設(shè)備間的通信系統(tǒng)，尤其涉及一種量子密鑰分配系統(tǒng)的全光纖通信系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著QKD商業(yè)化的進(jìn)展，QKD系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性越來越受到業(yè)界的關(guān)注。我們知道量子密鑰的安全性是基于物理學(xué)的三大基本定律:測量塌縮理論、海森堡不確定原理、量子不可克隆定律。因此量子密鑰被認(rèn)為是絕對安全的，量子密鑰的核心價(jià)值也就在于其絕對安全性。
[0003]然而實(shí)際的QKD設(shè)備卻存在很大的安全隱患。目前的QKD設(shè)備內(nèi)的核心數(shù)據(jù)的處理和保存都是在內(nèi)部的操作系統(tǒng)平臺上進(jìn)行的，發(fā)送端和接收端傳輸?shù)拿荑€協(xié)商信號也是通過該平臺上的網(wǎng)口進(jìn)行的。QKD設(shè)備間總共有兩種通信方式:一種是用單根光纖來同時(shí)傳輸同步光信號和量子密鑰信號，另一種是通過網(wǎng)線傳輸密鑰協(xié)商信號。在網(wǎng)線通信中雙方需要交互對基信息、糾錯(cuò)信息、量子保密放大相關(guān)信息以及相互間的同步信息等，雙方根據(jù)這些信息進(jìn)行協(xié)商，從而得到共同的密鑰。很容易看到QKD內(nèi)的操作系統(tǒng)平臺實(shí)際上是QKD設(shè)備的總指揮，然而我們知道這種基于通用操作系統(tǒng)的設(shè)備是很容易受到病毒攻擊的，也就是說一旦該系統(tǒng)通過網(wǎng)線連入互聯(lián)網(wǎng)，那么QKD的安全性也就蕩然無存了。一旦攻擊操作系統(tǒng)成功，也就意味著攻擊者就可以任意地控制QKD設(shè)備，當(dāng)然，系統(tǒng)內(nèi)保存的量子密鑰信息也將暴露無遺。這種安全性漏洞將是致命的，它將導(dǎo)致QKD設(shè)備的商業(yè)化道路無法鋪展。如圖1所示，現(xiàn)有QKD設(shè)備間通信的信號包括三種:1、發(fā)送端同步激光器發(fā)出同步光信號到接收端同步光探測器，雙方以此作為同步信號。2、發(fā)送端量子光激光器發(fā)出量子信號到接收端單光子探測器，雙方均在量子信號光信道中對量子光進(jìn)行調(diào)制，該調(diào)制信號解調(diào)后就是所需的量子密鑰原始數(shù)據(jù)。3、發(fā)送端和接收端通過各自內(nèi)部操作系統(tǒng)上的網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，雙方的握手信號、數(shù)據(jù)糾錯(cuò)匹配信號、量子密鑰保密放大相關(guān)信號等密鑰協(xié)商信號都是通過網(wǎng)線傳輸。如圖1為傳統(tǒng)的QKD數(shù)據(jù)通信方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)方案是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種量子密鑰分配系統(tǒng)的全光纖通信系統(tǒng)。本量子密鑰分配系統(tǒng)的全光纖通信系統(tǒng)能夠采用單根光纖通過分時(shí)復(fù)用的方式來實(shí)現(xiàn)量子密鑰信號、同步光信號以及密鑰協(xié)商信號的傳輸，以達(dá)到消除經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)通信帶來的QKD安全性漏洞的目的。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:一種量子密鑰分配系統(tǒng)的全光纖通信系統(tǒng)，包括發(fā)射端和接收端，其特征在于:
[0006]所述發(fā)送端包括發(fā)送端FPGA、量子光激光器Laserl、同步光和經(jīng)典信號復(fù)用激光器Laser2、發(fā)送端操作系統(tǒng)、發(fā)送端量子信號調(diào)制系統(tǒng)、發(fā)送端波分復(fù)用器DWDM ；
[0007]所述接收端包括接收端FPGA、單光子探測器SPD、同步光探測器、接收端量子信號解調(diào)系統(tǒng)、接收端波分復(fù)用器DWDM、接收端操作系統(tǒng)；
[0008]量子光激光器Laserl和同步光和經(jīng)典信號復(fù)用激光器Laser2傳輸?shù)墓忸l率不相同；
[0009]所述量子光激光器Laserl、同步光和經(jīng)典信號復(fù)用激光器Laser2和發(fā)送端操作系統(tǒng)分別與發(fā)送端FPGA電連接；單光子探測器SPD、同步光探測器和接收端操作系統(tǒng)分別與接收端FPGA電連接；
[0010]量子光激光器Laserl用于發(fā)送量子密鑰信號給發(fā)送端量子信號調(diào)制系統(tǒng)；發(fā)送端量子信號調(diào)制系統(tǒng)將量子信號編碼后發(fā)送給發(fā)送端波分復(fù)用器DWDM ;所述同步光和經(jīng)典信號復(fù)用激光器Laser2以分時(shí)復(fù)用的方式發(fā)送同步光信號和密鑰協(xié)商信號給發(fā)送端波分復(fù)用器DWDM ;所述發(fā)送端波分復(fù)用器DWDM將發(fā)送端量子信號調(diào)制系統(tǒng)發(fā)送來的量子光和同步光和經(jīng)典信號復(fù)用激光器Laser2發(fā)送來的同步光信號和密鑰協(xié)商信號加載到一根光纖中并發(fā)送給接收端波分復(fù)用器DWDM ；
[0011]接收端波分復(fù)用器DWDM將接收到的兩種波長的光分成兩路光，并將一路光發(fā)送給接收端量子信號解調(diào)系統(tǒng)，解調(diào)后再送入單光子探測器，單光子探測器對量子光進(jìn)行探測后將探測數(shù)據(jù)發(fā)送給接收端FPGA，形成原始量子密鑰；同時(shí)接收端波分復(fù)用器DWDM將另一路光送入同步光探測器，同步光探測器輸出同步信號和密鑰協(xié)商信號給接收端FPGA ;接收端FPGA收到同步信號后，對量子密鑰信號做同步。
[0012]作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案，同步光探測器通過控制電路來選擇性輸出同步信號和密鑰協(xié)商信號給接收端FPGA。
[0013]作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案，量子光激光器Laserl的傳輸頻率為200MHZ，發(fā)射的量子光波長為1550.92nm ;同步光和經(jīng)典信號復(fù)用激光器Laser2發(fā)射的光的頻率為IMHZ ;接收端FPGA收到同步信號后，將同步信號倍頻到200MHZ并用該200MHZ的同步信號來對量子密鑰信號做同步。
[0014]下面以QKD傳輸量子密鑰信號的頻率為200M為例，來說明本發(fā)明的工作過程和原理:
[0015]1、發(fā)送端通過1550.12nm的量子光激光器Laserl發(fā)送量子密鑰信號,其傳輸頻率為200M;另外再用一個(gè)1550.92nm用同步光和經(jīng)典信號復(fù)用激光器Laser2以分時(shí)復(fù)用的方式發(fā)送同步光信號和密鑰協(xié)商信號；然后將兩種激光器的光通過波分復(fù)用器加載到一根光纖中發(fā)送至接收端波分復(fù)用器DWDM。尤其重要的是，同步光和經(jīng)典信號復(fù)用激光器Laser2發(fā)出的同步光信號并不是和量子光激光器Laserl發(fā)出的量子光信號相同頻率的，如果依然采用和量子光相同的重復(fù)頻率，那么就無法實(shí)現(xiàn)在同步光脈沖時(shí)間間隔內(nèi)再發(fā)送密鑰協(xié)商信號。本發(fā)明將同步光的觸發(fā)頻率設(shè)置在1MHZ，也就是說每個(gè)同步光脈沖之間的間隔有Ius,在這Ius間隔內(nèi)完全有充分的時(shí)間去傳輸雙方需要的密鑰協(xié)商信息。
[0016]2、接收端通過接收端波分復(fù)用器DWDM將兩種波長的光分成兩路，一路送入接收端量子信號解調(diào)系統(tǒng)，解調(diào)后再送入單光子探測器探測，單光子探測器將探測數(shù)據(jù)發(fā)送給接收端FPGA，得到原始量子密鑰；另一路則送入同步光探測器，該同步光探測器的輸出有兩種，一種是同步信號，一種是密鑰協(xié)商信號；這兩種信號是通過控制電路來選擇性輸出的。對于I MHZ的同步信號而言它是不能直接用于對量子密鑰信號進(jìn)行同步的，接收端的FPGA在收到IMHZ同步信號后需通過內(nèi)部的PLL模塊將IMHZ信號倍頻到200MHZ，用該200MHZ信號來對量子密鑰信號做同步。密鑰協(xié)商信號是在QKD每發(fā)送完一幀量子信號后才進(jìn)行一次傳輸。
[0017]3、發(fā)送端和接收端區(qū)分同步光信號和密鑰協(xié)商信號的過程:發(fā)送端和接收端只有在確定了雙方的通信時(shí)序后才有條件來識別和判斷當(dāng)前時(shí)刻該發(fā)送哪種信號或者接收到的是何種信號，所以QKD在傳輸密鑰之前要先單獨(dú)發(fā)送一幀同步光信號，由于PLL倍頻是需要一定時(shí)間穩(wěn)定的，所以該幀同步信號長度必須滿足PLL倍頻鎖定所需的時(shí)間。當(dāng)PLL倍頻完成雙方就可以通過該同步信號來確定各自的時(shí)序關(guān)系了。雙方必須在事先約定好的傳輸協(xié)議下來確定各自的時(shí)序關(guān)系和數(shù)據(jù)傳輸格式。一旦時(shí)序確定，發(fā)送端就能以同步光脈沖為參考時(shí)間定時(shí)地發(fā)送密鑰協(xié)商信號，接收端也同樣以同步信號作為參考定時(shí)地切換同步探測器電路的輸出，即從時(shí)間上判斷若當(dāng)前的信號為同步光，那么就同步探測器輸出送入同步信號處理電路，若為密鑰協(xié)商信號，則將同步探測器輸出切換到協(xié)商數(shù)據(jù)處理電路。
[0018]本量子密鑰分配系統(tǒng)的全光纖通信系統(tǒng)采用分時(shí)復(fù)用的方式將三種信號放在一根光纖中傳輸，去除了網(wǎng)線連接，并且用同步光激光器分時(shí)復(fù)用來發(fā)送密鑰協(xié)商信號和同步數(shù)據(jù)，使QKD擺脫了對經(jīng)典以太網(wǎng)通信的依賴，極大地提升了 QKD系統(tǒng)的安全性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為傳統(tǒng)QKD數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步說明。
【具體實(shí)施方式】
[0022]實(shí)施例1
[0023]參見圖2，本量子密鑰分配系統(tǒng)的全光纖通信系統(tǒng)，包括發(fā)射端和接收端，所述發(fā)送端包括發(fā)送端FPGA、量子光激光器Laserl、同步光和經(jīng)典信號復(fù)用激光器Laser2、發(fā)送端操作系統(tǒng)、發(fā)送端量子信號調(diào)制系統(tǒng)、發(fā)送端波分復(fù)用器DWDM ;所述接收端包括接收端FPGA、單光子探測器SPD、同步光探測器、接收端量子信號解調(diào)系統(tǒng)、接收端波分復(fù)用器DWDM、接收端操作系統(tǒng)；量子光激光器Laserl和同步光和經(jīng)典信號復(fù)用激光器Laser2傳輸?shù)墓忸l率不相同；所述量子光激光器Laser 1、同步光和經(jīng)典信號復(fù)用激光器Laser2和發(fā)送端操作系統(tǒng)分別與發(fā)送端FPGA電連接；單光子探測器SPD、同步光探測器和接收端操作系統(tǒng)分別與接收端FPGA電連接；量子光激光器Laserl用于發(fā)送量子密鑰信號給發(fā)送端量子信號調(diào)制系統(tǒng)；發(fā)送端將量子信號編碼后發(fā)送給發(fā)送端波分復(fù)用器DWDM ;所述同步光和經(jīng)典信號復(fù)用激光器Laser2以分時(shí)復(fù)用的方式發(fā)送同步光信號和密鑰協(xié)商信號給發(fā)送端波分復(fù)用器DWDM ;所述發(fā)送端波分復(fù)用器DWDM將發(fā)送端量子信號調(diào)制系統(tǒng)發(fā)送來的量子光和同步光和經(jīng)典信號復(fù)用激光器Laser2發(fā)送來的同步光信號和密鑰協(xié)商信號加載到一根光纖中并發(fā)送給接收端波分復(fù)用器DWDM ;接收端波分復(fù)用器DWDM將接收到的兩種波長的光分成兩路光，并將一路光發(fā)送給接收端量子信號解調(diào)系統(tǒng)，解調(diào)后再送入單光子探測器，單光子探測器對量子光進(jìn)行探測后將探測數(shù)據(jù)發(fā)送給接收端FPGA，形成原始量子密鑰；同時(shí)接收端波分復(fù)用器DWDM將另一路光送入同步光探測器，同步光探測器輸出同步信號和密鑰協(xié)商信號給接收端FPGA ;接收端FPGA收到同步信號后，對量子密鑰信號做同步。同步光探測器通過控制電路來選擇性輸出同步信號和密鑰協(xié)商信號給接收端FPGA。量子光激光器Laserl的傳輸頻率為200MHZ，發(fā)射的量子光波長為1550.92nm ;同步光和經(jīng)典信號復(fù)用激光器Laser2發(fā)射的光的頻率為IMHZ ;接收端FPGA收到同步信號后，將同步信號倍頻到200MHZ并用該200MHZ的同步信號來對量子密鑰信號做同步。量子光和同步光頻率不同，在高頻量子密鑰傳輸過程中依然采用低頻同步光信號，并在接收端利用時(shí)鐘恢復(fù)功能獲得高速同步信號，200MHZ是舉例說明系統(tǒng)過程。
【權(quán)利要求】
1.一種量子密鑰分配系統(tǒng)的全光纖通信系統(tǒng)，包括發(fā)射端和接收端，其特征在于: 所述發(fā)送端包括發(fā)送端FPGA、量子光激光器Laserl、同步光和經(jīng)典信號復(fù)用激光器Laser2、發(fā)送端操作系統(tǒng)、發(fā)送端量子信號調(diào)制系統(tǒng)、發(fā)送端波分復(fù)用器DWDM ； 所述接收端包括接收端FPGA、單光子探測器SPD、同步光探測器、接收端量子信號解調(diào)系統(tǒng)、接收端波分復(fù)用器DWDM、接收端操作系統(tǒng)； 量子光激光器Laserl和同步光和經(jīng)典信號復(fù)用激光器Laser2傳輸?shù)墓忸l率不相同；所述量子光激光器Laserl、同步光和經(jīng)典信號復(fù)用激光器Laser2和發(fā)送端操作系統(tǒng)分別與發(fā)送端FPGA電連接；單光子探測器SPD、同步光探測器和接收端操作系統(tǒng)分別與接收端FPGA電連接； 量子光激光器Laserl用于發(fā)送量子密鑰信號給發(fā)送端量子信號調(diào)制系統(tǒng)；發(fā)送端量子信號調(diào)制系統(tǒng)將量子信號編碼后發(fā)送給發(fā)送端波分復(fù)用器DWDM ;所述同步光和經(jīng)典信號復(fù)用激光器Laser2以分時(shí)復(fù)用的方式發(fā)送同步光信號和密鑰協(xié)商信號給發(fā)送端波分復(fù)用器DWDM ;所述發(fā)送端波分復(fù)用器DWDM將發(fā)送端量子信號調(diào)制系統(tǒng)發(fā)送來的量子光和同步光和經(jīng)典信號復(fù)用激光器Laser2發(fā)送來的同步光信號和密鑰協(xié)商信號加載到一根光纖中并發(fā)送給接收端波分復(fù)用器DWDM ； 接收端波分復(fù)用器DWDM將接收到的兩種波長的光分成兩路光，并將一路光發(fā)送給接收端量子信號解調(diào)系統(tǒng)，解調(diào)后再送入單光子探測器，單光子探測器對量子光進(jìn)行探測后將探測數(shù)據(jù)發(fā)送給接收端FPGA，形成原始量子密鑰；同時(shí)接收端波分復(fù)用器DWDM將另一路光送入同步光探測器，同步光探測器輸出同步信號和密鑰協(xié)商信號給接收端FPGA ;接收端FPGA收到同步信號后，對量子密鑰信號做同步。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子密鑰分配系統(tǒng)的全光纖通信系統(tǒng)，其特征在于:同步光探測器通過控制電路來選擇性輸出同步信號和密鑰協(xié)商信號給接收端FPGA。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的量子密鑰分配系統(tǒng)的全光纖通信系統(tǒng)，其特征在于:量子光激光器Laserl的傳輸頻率為200MHZ，發(fā)射的量子光波長為1550.92nm ;同步光和經(jīng)典信號復(fù)用激光器Laser2發(fā)射的光的頻率為IMHZ ;接收端FPGA收到同步信號后，將同步信號倍頻到200MHZ并用該200MHZ的同步信號來對量子密鑰信號做同步。
【文檔編號】H04J14/02GK203813797SQ201420073229
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年2月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月20日
【發(fā)明者】郭俊福, 蔣金鳳, 韓正甫, 趙義博 申請人:安徽問天量子科技股份有限公司