本專利涉及量子通信領(lǐng)域，尤其涉及與經(jīng)典光接入網(wǎng)融合的量子密鑰分配方案。

背景技術(shù)：

最早報(bào)道的量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)是1997年英國采用分光器實(shí)現(xiàn)了發(fā)送端和3個(gè)接收端的密鑰分配。隨后不少國家的科研機(jī)構(gòu)都展開了量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)研究。但是以弱光脈沖為載體的QKD系統(tǒng)的安全傳輸距離是有限的，對(duì)于長距離廣域網(wǎng)來說需要可信任中繼或量子中繼實(shí)現(xiàn)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的搭建，而量子中繼技術(shù)還不夠成熟，可信任中繼安全性又不能得到絕對(duì)的保障，因此實(shí)際的量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)通常都優(yōu)先考慮在接入網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有的量子接入網(wǎng)大致分為專用的量子接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)融合的量子接入網(wǎng)方案，以下以兩種典型方案為例作具體闡述。

在專用的量子接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)中為量子密鑰分配搭建專用的網(wǎng)絡(luò)，而未考慮與量子密鑰分配協(xié)議相關(guān)的經(jīng)典信號(hào)。實(shí)現(xiàn)量子密鑰分配接入網(wǎng)中大量用戶點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的連接通常使用無源元件如光分路器來實(shí)現(xiàn)，由于量子密鑰的發(fā)送端與接收端可以分別放置于用戶端和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)端，因此這種單向的量子密鑰分配接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)通?？煞譃橄滦薪Y(jié)構(gòu)與上行結(jié)構(gòu)。在下行的接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，發(fā)送端在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，接收端在用戶所在地，中間節(jié)點(diǎn)由無源光耦合器實(shí)現(xiàn)。由于經(jīng)過耦合器的光子隨機(jī)到達(dá)接收端，因此每個(gè)用戶的密鑰生成率僅為發(fā)送端的1/N。除此之外，這種方案中需要為每個(gè)用戶配置單光子探測(cè)器，極大提高了成本。上行的接入網(wǎng)方案中用戶端作為密鑰發(fā)送端，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為量子密鑰接收端，各發(fā)送端采用時(shí)分復(fù)用的方式分配量子密鑰。與下行方案相比，上行方案節(jié)省了探測(cè)器的成本并且提高了系統(tǒng)的工作效率。除了基于分束器的量子接入網(wǎng)架構(gòu)外，還有的方案將中間的分束器節(jié)點(diǎn)替換為WDM節(jié)點(diǎn)，采用波長路由的方式來尋址不同的用戶，這種方案的網(wǎng)絡(luò)用戶容量理論上僅受光纖中的低損耗窗口的波長信道數(shù)目限制，因此容納的用戶數(shù)有所提高，并且擴(kuò)容和升級(jí)方便，但是存在成本較高、器件插入損耗較大等問題。

盡管量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)具有極大的應(yīng)用潛力，但是為量子密鑰重新建網(wǎng)顯然是不現(xiàn)實(shí)的，因此如何在經(jīng)典光網(wǎng)絡(luò)上支持多用戶量子密鑰分配成為量子通信走向網(wǎng)絡(luò)化的重要挑戰(zhàn)，近年來有不少與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)融合的量子接入網(wǎng)方案被提出，并進(jìn)行了小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)，為量子密鑰分配與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)融合奠定了基礎(chǔ)。將量子密鑰分配融合進(jìn)無源光網(wǎng)絡(luò)中主要面臨的問題為量子信號(hào)與經(jīng)典信號(hào)共纖傳輸時(shí)的串?dāng)_問題。以單光子為載體的量子信號(hào)與經(jīng)典信號(hào)相比功率極低，在與經(jīng)典信號(hào)共纖傳輸時(shí)，經(jīng)典信號(hào)的串?dāng)_及光纖非線性效應(yīng)產(chǎn)生的噪聲會(huì)極大地影響量子密鑰分配系統(tǒng)的性能。針對(duì)這一問題，很多研究團(tuán)隊(duì)給出了不同的解決方案。東芝研究院提出的方案中采取了時(shí)域和頻域?yàn)V波的方式，即使用門寬很窄(約為100ps)的單光子探測(cè)器在時(shí)間上濾除隨機(jī)到達(dá)的噪聲，并且使用25GHz的窄帶濾波器在頻域上濾除噪聲，通過采用以上的措施實(shí)現(xiàn)了每秒超過100個(gè)128bit密鑰的分發(fā)。以上方案中使用的窄帶濾波器與時(shí)域?yàn)V波器對(duì)器件性能有極高的要求，導(dǎo)致其成本較高，不利于實(shí)際應(yīng)用。而且量子信號(hào)在與經(jīng)典信號(hào)共纖傳輸時(shí)受到的主要干擾噪聲源為拉曼散射噪聲及四波混頻噪聲，這兩種光纖非線性效應(yīng)產(chǎn)生的噪聲均有極大可能恰好落在量子信道上，因此利用頻域?yàn)V波器無法將此噪聲濾除，仍然會(huì)對(duì)量子密鑰分配系統(tǒng)帶來較大的干擾。量子密鑰分配在與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)融合時(shí)的干擾問題成為了量子密鑰分配走向網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)用化的最大障礙之一，急需盡快得到解決。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本專利設(shè)計(jì)了一種量子密鑰分配與經(jīng)典波分復(fù)用光接入網(wǎng)融合方案，該方案在盡可能少的改動(dòng)經(jīng)典WDM-PON網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，降低了量子密鑰分配系統(tǒng)受到的非線性噪聲干擾。其特征在于,在時(shí)域采取了時(shí)分復(fù)用的工作方式，在頻域上提出了簡化的非等間隔波長分配方案。除此之外為了提高網(wǎng)絡(luò)波長分配的靈活性，使用WSS(波長選擇開關(guān))作為中間節(jié)點(diǎn)。提出的方案成本較低、實(shí)施簡單，極大地提高了量子密鑰分配與經(jīng)典接入網(wǎng)融合的可行性。

針對(duì)所述的第一個(gè)技術(shù)要點(diǎn)，即在時(shí)域上采取了時(shí)分復(fù)用的工作方式，具體說明如下：

通過研究可知在與經(jīng)典光網(wǎng)絡(luò)融合的量子密鑰分配系統(tǒng)中，對(duì)量子信號(hào)影響最大的噪聲源為反向拉曼散射噪聲，針對(duì)這一問題，本專利提出了時(shí)分復(fù)用方案，具體工作方式如下：

為了降低搭建量子密鑰分配系統(tǒng)的成本，通常將量子信號(hào)安排為上行方向，即量子密鑰發(fā)送端在ONU(光網(wǎng)絡(luò)單元)側(cè)與用戶連接，昂貴的量子密鑰接收端在OLT(光線路終端)側(cè)，則與量子信號(hào)傳輸方向相反的下行經(jīng)典數(shù)據(jù)信號(hào)在傳輸過程中會(huì)產(chǎn)生反向拉曼散射噪聲。為了避免反向拉曼散射噪聲干擾量子密鑰分配，將量子信號(hào)與下行經(jīng)典信號(hào)在時(shí)域上錯(cuò)開，即將整個(gè)工作時(shí)段分為兩個(gè)時(shí)隙，其中一個(gè)時(shí)隙傳輸量子信號(hào)與上行的經(jīng)典信號(hào)，另一個(gè)時(shí)隙傳輸下行的數(shù)據(jù)信號(hào)。反向拉曼散射到達(dá)量子接收端的時(shí)間存在一定的時(shí)延，因此兩個(gè)時(shí)隙中間需要插入一定的保護(hù)間隔，保護(hù)間隔大小與光纖長度及光纖色散系數(shù)有關(guān)。

針對(duì)所述的第二個(gè)技術(shù)要點(diǎn)，即在頻域上采取了簡化的非等間隔波長分配方案，具體說明如下：

通過研究可知，在量子信號(hào)與經(jīng)典信號(hào)共纖傳輸系統(tǒng)中，四波混頻噪聲會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成較大影響且不易去除。四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生的噪聲頻率通常為泵浦光的和頻與差頻，因此可以通過合理的分配經(jīng)典信號(hào)的波長來避免產(chǎn)生的四波混頻噪聲落在量子信道上。在此基礎(chǔ)上本專利提出了簡化的非等間隔波長分配方案，具體實(shí)施方式如圖1所示。

首先為了降低拉曼散射噪聲，需要將量子信號(hào)放置于高于上行信號(hào)的頻段上，其次為了避免上行信號(hào)產(chǎn)生的四波混頻噪聲落在量子信道采用非等間隔的波長分配方案。與所有信道間隔均相等的等間隔波長分配方案不同，本專利提出的非等間隔波長分配方案中，將量子信道與上行信道的頻率間隔錯(cuò)開50GHz，例如上行信道的頻率間隔為100GHz，則第N路上行信道與第一路上行信號(hào)的頻率差可以表示為：(N-1)*100GHz，相鄰的量子信道與上行信道間的頻率間隔為150GHz，即第M路量子信道與最后一路上行信號(hào)的頻率差為(M*100+50)GHz，這樣上行信號(hào)產(chǎn)生的四波混頻噪聲均不會(huì)落在有50GHz頻率差的量子信道上。傳統(tǒng)的非等間隔波長分配方案通常要求所有的信道間隔均不相等，以此來保證所有的四波混頻噪聲均不落在有用信道上，但是這樣的方案需要復(fù)雜的算法來尋找合適的頻率間隔，大大提高了復(fù)雜度。而本方案提出的簡化的非等間隔波長分配方案，避免了復(fù)雜算法的設(shè)計(jì)，提高了方案的可行性。雖然仍然殘留部分由量子信號(hào)參與產(chǎn)生的四波混頻噪聲落在量子信道，但是由于量子信號(hào)功率極低，因此由其產(chǎn)生的四波混頻噪聲也可以忽略不計(jì)。

由于提出的方案中，量子信號(hào)的波長分配采用了簡化的非等間隔方案，因此需要網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點(diǎn)在不同的時(shí)隙能夠?qū)崿F(xiàn)不同頻率間隔的切換，即在下行信號(hào)傳輸時(shí)隙，中間節(jié)點(diǎn)的頻率間隔為100GHz的等間隔配置，而在量子信號(hào)與上行信號(hào)共纖傳輸?shù)臅r(shí)隙，第M路量子信號(hào)與相鄰的上行信號(hào)的頻率間隔為(M*100+50)GHz，顯然，這一功能無法通過傳統(tǒng)的DWDM器件實(shí)現(xiàn)?；谶@一需求，本專利提出的方案中，將中間節(jié)點(diǎn)更換為WSS器件，能夠在不同的時(shí)隙配置通道間隔，實(shí)現(xiàn)靈活的信道波長分配。

本專利所述方案可以用于與經(jīng)典WDM-PON融合的量子密鑰分配接入網(wǎng)架構(gòu)中，可以有效的降低光纖非線性效應(yīng)如拉曼散射和四波混頻噪聲對(duì)量子信號(hào)的干擾，本方案實(shí)施簡單、成本較低且對(duì)經(jīng)典接入網(wǎng)架構(gòu)改動(dòng)較小，有利于促進(jìn)量子密鑰分配在經(jīng)典光接入網(wǎng)中的實(shí)際應(yīng)用。

附圖說明

圖1為簡化的非等間隔波長分配方案示意圖。

圖2為與經(jīng)典WDM-PON融合的量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)施例示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本專利提出的方案可以用于與經(jīng)典WDM-PON融合的量子密鑰分配接入網(wǎng)架構(gòu)中，如附圖2所示。WDM-PON中的中間節(jié)點(diǎn)為波分復(fù)用器件，采用波長路由的方式，將下行信號(hào)根據(jù)波長不同分配給指定的ONU，同時(shí)把上行信號(hào)復(fù)用到一根光纖，傳輸?shù)絆LT端。一般地，WDM-PON中上行信號(hào)的頻率范圍為191.2THz-193.6THz，下行信號(hào)的頻率范圍為193.7THz-196.1THz，信道間隔均為100GHz，此網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)量子密鑰分配方案的具體步驟如下：

首先在WDM-PON網(wǎng)絡(luò)中部署量子密鑰收發(fā)節(jié)點(diǎn)。量子信號(hào)采取上行方向，量子密鑰發(fā)送端在ONU側(cè)，量子密鑰接收端在OLT側(cè)。為每一用戶分配一個(gè)固定波長的量子信道，在OLT端使用N個(gè)單光子探測(cè)器進(jìn)行密鑰接收(N為網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù))。

其次在時(shí)域上設(shè)計(jì)量子信號(hào)與上行及下行信號(hào)的工作方式。將整個(gè)工作時(shí)段分為兩個(gè)時(shí)隙，其中一個(gè)時(shí)隙用于傳輸下行信號(hào)，另一個(gè)時(shí)隙用于傳輸上行信號(hào)和量子信號(hào)，兩個(gè)時(shí)隙間需要插入一定的保護(hù)時(shí)隙，可以避免反向拉曼散射噪聲的影響。

在頻域上為量子信號(hào)分配信道。由于量子信號(hào)與上行信號(hào)和量子信號(hào)采用波分復(fù)用的方式傳輸，因此需要為量子信號(hào)分配與上行信號(hào)不同頻率的信道。在本應(yīng)用場(chǎng)景中，量子信道與下行信號(hào)分時(shí)傳輸，因此量子信道可以占用下行信道的頻段，根據(jù)本專利提出的簡化非等間隔波長分配方案，可以將量子信道分配為193.75THz-196.15THz，避免了上行信號(hào)產(chǎn)生的四波混頻噪聲落在量子信道。

最后需要根據(jù)方案需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行升級(jí)改造。在經(jīng)典WDM-PON中用戶上行信號(hào)與下行信號(hào)的頻率間隔均為100GHz，因此中間節(jié)點(diǎn)通常為DWDM器件或陣列波導(dǎo)光柵器件(AWG)，在本方案中由于量子信號(hào)與上行信號(hào)間隔為150GHz，而且需要在不同時(shí)隙支持不同的通道間隔，因此將網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)更換為WSS(波長選擇開關(guān))，WSS支持靈活的通道配置，可以實(shí)現(xiàn)任意波長到任意端口的輸出。除此之外，利用本專利提出的方案雖然可以避免反向拉曼散射噪聲和四波混頻噪聲的影響，但是還存在前向拉曼散射噪聲，因此仍然需要在量子密鑰接收端前端使用濾波器降低噪聲干擾。

通過以上應(yīng)用場(chǎng)景可以看出，在與經(jīng)典WDM-PON融合的量子密鑰分配接入網(wǎng)的搭建過程中，利用本專利提出的方案可以極大地降低光纖非線性效應(yīng)對(duì)量子信號(hào)的干擾，提高量子密鑰分配系統(tǒng)的性能。而且該方案不需要對(duì)WDM-PON進(jìn)行大量改造，大大的提高了該方案的可行性。