本發(fā)明屬于量子密鑰分配技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于量子密鑰分配系統(tǒng)中自適應(yīng)光纖長度的延時(shí)補(bǔ)償方法，用于測量并計(jì)算同步光和量子光的相對延時(shí)，并在發(fā)送端加入延時(shí)補(bǔ)償。

背景技術(shù)：

量子密鑰分配系統(tǒng)中，會使用兩種不同波長的光，一種光強(qiáng)較強(qiáng)叫做同步光，用于給接收端單光子探測器開門；另一種是光強(qiáng)衰減到單光子水平的叫做量子光，用來傳遞量子信息。發(fā)送端在發(fā)送這兩種光時(shí)，會根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況調(diào)整兩種光的相對延時(shí)，使二者相互間隔一段時(shí)間，避免同步光對量子光的干擾。其中量子光在發(fā)送端會經(jīng)過一個(gè)F-M干涉環(huán)，產(chǎn)生兩個(gè)相關(guān)的量子光，光纖上實(shí)際傳輸信號如圖1所示。

在理想情況下發(fā)送端按照T1、T2、T3時(shí)間間隔發(fā)送數(shù)據(jù)，接收端也會接收到相同時(shí)間間隔的光子序列。但是，由于同步光和量子光的波長不一致，兩種光在光纖中的速度是不一樣的。導(dǎo)致同步光會比量子光超前，在量子密鑰分配系統(tǒng)中，如果光脈沖重復(fù)頻率不高且光纖信道長度較短時(shí)，同步光和量子光之間的相對位移與光脈沖的周期相比可以忽略不計(jì)，但是在超過100MHz重復(fù)頻率或光纖信道較長的量子密鑰分配系統(tǒng)中，兩者之間的位移與周期達(dá)到同一量級，同步光和量子光距離非常接近甚至交疊，此時(shí)量子光會受到較為嚴(yán)重的串?dāng)_，造成誤碼率上升甚至造成系統(tǒng)無法正常工作。因此，如何設(shè)計(jì)一種補(bǔ)償量子密鑰分配系統(tǒng)中同步光和量子光的相對延時(shí)的系統(tǒng)和方法成為本領(lǐng)域亟需解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)并開發(fā)出一種用于量子密鑰分配系統(tǒng)中自適應(yīng)光纖長度的延時(shí)補(bǔ)償裝置和方法，其中，根據(jù)不同的光纖信道長度，測量并計(jì)算同步光和量子光的相對延時(shí)，然后在發(fā)送端加入延時(shí)補(bǔ)償，使兩者到達(dá)接收端時(shí)的相對位置與理想情況一致，避免同步光對量子光產(chǎn)生串?dāng)_。解決在同一根光纖中不同波長光源傳輸速度不同造成的延時(shí)漂移問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：本發(fā)明提供了一種用于量子密鑰分配系統(tǒng)中自適應(yīng)光纖長度的延時(shí)補(bǔ)償方法。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，實(shí)現(xiàn)該方法的裝置包括發(fā)送端、接收端以及位于兩者之間的單根光纖，所述發(fā)送端包括：處理器、定時(shí)器、經(jīng)典光激光器、同步光激光器、量子光激光器、電控衰減器、波分復(fù)用器和經(jīng)典光光探測器，其特征在于,所述方法包括以下步驟：

1) 光纖信道測距：

a)開啟發(fā)送端和接收端的定時(shí)器，

b)所述發(fā)送端利用經(jīng)典光激光器發(fā)送一組光數(shù)據(jù)，在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，對發(fā)送端定時(shí)器進(jìn)行采樣，記時(shí)間為T₁；

c) 接收端接收到這一組數(shù)據(jù)時(shí)，對接收端定時(shí)器進(jìn)行采樣，記時(shí)間為T₂；

d）接收端對進(jìn)入信號進(jìn)行解析、封包，再回傳一組數(shù)據(jù)給發(fā)送端，并在發(fā)送的同時(shí)，對接收端定時(shí)器進(jìn)行采樣，記時(shí)間為T₃；

e）發(fā)送端接收到回傳數(shù)據(jù)時(shí)，再次對發(fā)送端定時(shí)器進(jìn)行采樣，記時(shí)間為T₄；

f）根據(jù)公式：，計(jì)算經(jīng)典光在信道上的傳播時(shí)間：

g）根據(jù)公式：，計(jì)算該單根光纖信道的長度L，其中，C為光在真空的光速；

2)延時(shí)計(jì)算及補(bǔ)償：

h）根據(jù)色散系數(shù)公式，計(jì)算出1550nm波段范圍的色散系數(shù)M，其中，所述M₀為-0.095，λ₀是零色散波長，光纖中λ₀為1300nm；

i）根據(jù)公式，計(jì)算同步光和量子光在該光纖中的傳播時(shí)間的差值，其中所述λ₁為同步光波長，λ₂為量子光波長，

j）將同步光和量子光的傳播時(shí)間差，加載到同步光的通路，使得同步光與緊隨其后的量子光的間距補(bǔ)償結(jié)果為：T1’= T₁+ΔT，同步光與前一次的量子光的間距補(bǔ)償結(jié)果為：T3’= T₃-ΔT，其中，T1’和T3’分別為補(bǔ)償后的時(shí)間。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在所述測距之前，還包括經(jīng)典光握手連接階段，其中,調(diào)節(jié)發(fā)送端電控衰減器的衰減，使得在發(fā)送最小的光功率的條件下，接收端誤碼率低于10^-6。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在所述延時(shí)計(jì)算及補(bǔ)償之后，還包括測試階段，通過查看此時(shí)系統(tǒng)誤碼率或測試接收端單光子探測器的暗計(jì)數(shù)，來測試補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，測試接收端單光子探測器的暗計(jì)數(shù)時(shí)，關(guān)掉量子光激光器，僅發(fā)送同步光，判斷計(jì)數(shù)是否與單光子探測器的暗計(jì)數(shù)相同。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，發(fā)送端利用經(jīng)典光激光器發(fā)送一組光數(shù)據(jù)為用于測距請求的以太網(wǎng)包，所述以太網(wǎng)包僅攜帶標(biāo)識測距請求類型的信息；所述接收端回傳的一組數(shù)據(jù)為用于應(yīng)答的測距返回包，該返回包攜帶標(biāo)識測距應(yīng)答類型的信息。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述步驟d）的回傳數(shù)據(jù)中包括接收端定時(shí)器的兩次采樣結(jié)果T3和T2的差值。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述步驟j）中，通過FPGA的觸發(fā)時(shí)鐘相移，或通過外部延時(shí)芯片的方式，加載到同步光的通路。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述處理器為FPGA。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，第一次運(yùn)行量子密鑰分配設(shè)備時(shí)，先由FPGA進(jìn)行光纖測距，然后將數(shù)據(jù)記錄在FLASH中，并根據(jù)不同光纖長度在發(fā)送端調(diào)整同步光、量子光的延時(shí)，對其進(jìn)行相位補(bǔ)償。

本發(fā)明的有益效果在于：

1）在量子密鑰分配系統(tǒng)中，采用主動補(bǔ)償?shù)姆椒ń鉀Q在同一根光纖中不同波長光源傳輸速度不同造成的延時(shí)漂移問題，降低誤碼甚至保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2）采用由FPGA和定時(shí)器組成的測距系統(tǒng)，不僅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，而且由于不受操作系統(tǒng)影響，時(shí)間精度只受電路上微小延時(shí)的影響，測量證明時(shí)間精度<100ns，換算成長度，光纖長度測量誤差長度在數(shù)十米量級內(nèi)。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中光纖傳輸光源信號示意圖。

圖2為本發(fā)明單纖系統(tǒng)發(fā)射端的結(jié)構(gòu)圖。

圖3為本發(fā)明 FPGA進(jìn)行光纖測距原理圖。

圖4為本發(fā)明延時(shí)補(bǔ)償示意圖。

圖5為本發(fā)明經(jīng)典光EVOA掃描過程示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。下面描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。實(shí)施例中未注明具體技術(shù)或條件的，按照本領(lǐng)域內(nèi)的文獻(xiàn)所描述的技術(shù)或條件或者按照產(chǎn)品說明書進(jìn)行。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種用于量子密鑰分配系統(tǒng)中自適應(yīng)光纖長度的延時(shí)補(bǔ)償?shù)难b置及方法，該裝置包括發(fā)送端、接收端以及位于兩者之間的單根光纖。圖2為該單纖系統(tǒng)發(fā)射端的結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示，所述發(fā)送端包括：處理器、定時(shí)器、經(jīng)典光激光器、同步光激光器、量子光激光器、電控衰減器、波分復(fù)用器和經(jīng)典光光探測器, 所述處理器優(yōu)選為FPGA。如圖所示，經(jīng)典光、同步光和量子光三種波長的光通過WDM匯聚到同一根干路光纖傳播到接收端，同時(shí)達(dá)到經(jīng)典光通信和量子通信的目的，三種光的信道長度基本相同，因此可以利用任意一種波段的光對信道長度進(jìn)行測量，并根據(jù)測量結(jié)果計(jì)算同步光和量子光在該長度的信道中傳播后的相對延時(shí)。在本發(fā)明中，經(jīng)典光光強(qiáng)調(diào)節(jié)靈活，數(shù)據(jù)封包結(jié)構(gòu)完善，故選用收發(fā)此波長光源進(jìn)行測距。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例，利用上述裝置進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒òㄒ韵聝蓚€(gè)主要步驟：

一、 光纖信道測距：

發(fā)送端和接收端的經(jīng)典通信需經(jīng)過長度為L的光纖信道，測量發(fā)送端到接收端的距離L，最簡單的方法就是測量光從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩诵枰臅r(shí)間，在量子密鑰分配系統(tǒng)中，我們使用的光纖長度一般<90km，所以求出準(zhǔn)確的Δt是測距的關(guān)鍵。高精度（ns級或者us級）的時(shí)間同步技術(shù)如GPS時(shí)間同步，不僅需要設(shè)備增添新的模塊，而且對設(shè)備安裝的位置也有要求。由于在本發(fā)明中，需要的只是相對時(shí)間差，所以只是在FPGA添加一個(gè)定時(shí)器模塊進(jìn)行計(jì)數(shù)。圖3為本發(fā)明 FPGA進(jìn)行光纖測距原理圖，如圖3所示，具體操作方式如下：

a)開啟發(fā)送端和接收端的定時(shí)器。

b)所述發(fā)送端利用經(jīng)典光激光器發(fā)送一組光數(shù)據(jù)，在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，對發(fā)送端定時(shí)器進(jìn)行采樣，記時(shí)間為T₁，并且可以將該時(shí)間暫存到本地。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，發(fā)送端利用經(jīng)典光激光器發(fā)送一組光數(shù)據(jù)為用于測距請求的以太網(wǎng)包，所述以太網(wǎng)包僅攜帶標(biāo)識測距請求類型的信息。

c) 接收端接收到這一組數(shù)據(jù)時(shí)，對接收端定時(shí)器進(jìn)行采樣，記時(shí)間為T₂，并且可以將該時(shí)間暫存到本地。

d）接收端對進(jìn)入信號進(jìn)行解析、封包，再回傳一組數(shù)據(jù)給發(fā)送端，并在發(fā)送的同時(shí)，對接收端定時(shí)器進(jìn)行采樣，記時(shí)間為T₃。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述接收端回傳的一組數(shù)據(jù)為用于應(yīng)答的測距返回包，該返回包攜帶標(biāo)識測距應(yīng)答類型的信息，并且，回傳數(shù)據(jù)中包括接收端定時(shí)器的兩次采樣結(jié)果T3和T2的差值。

e）發(fā)送端接收到回傳數(shù)據(jù)時(shí)，再次對發(fā)送端定時(shí)器進(jìn)行采樣，記時(shí)間為T₄；

f）根據(jù)公式：，計(jì)算經(jīng)典光在信道上的傳播時(shí)間：

g）根據(jù)公式：，計(jì)算該單根光纖信道的長度L，其中，C為光在真空的光速。

由于采用定時(shí)器計(jì)算相對時(shí)間差，并且整個(gè)過程由FPGA控制，不受操作系統(tǒng)影響，時(shí)間精度只受電路上微小延時(shí)的影響，測量證明時(shí)間精度<100ns，換算成長度，光纖長度測量誤差長度在數(shù)十米量級內(nèi)。幾十米的距離誤差在整個(gè)系統(tǒng)中是可以忽略不計(jì)的。

二、延時(shí)計(jì)算及補(bǔ)償：

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例，測距完成后，就可以根據(jù)光速計(jì)算公式并結(jié)合實(shí)際測量結(jié)果對同步光和量子光的延時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，從而確定同步光和量子光的延時(shí)補(bǔ)償值ΔT。具體計(jì)算方式如下：

h）根據(jù)色散系數(shù)公式，計(jì)算出1550nm波段范圍的色散系數(shù)M，其中，所述M₀為-0.095,λ₀是零色散波長，光纖中λ₀為1300nm。

i）根據(jù)公式，計(jì)算同步光和量子光在該光纖中的傳播時(shí)間的差值，其中所述λ₁為同步光波長，λ₂為量子光波長。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，在理想情況下發(fā)送端按照T1、T2、T3時(shí)間間隔發(fā)送數(shù)據(jù)，接收端也會接收到相同時(shí)間間隔的光子序列。但是，其實(shí)由于同步光和量子光的波長不一致，兩種光在光纖中的速度是不一樣的。由色散系數(shù)公式：

…………公式1

其中，斜率M₀大約為-0.095ps/(nm²x km),λ₀是零色散波長，式中所有波長的單位都是nm。通常廠家會給出M₀和λ₀的值，光纖中λ₀為1300nm。根據(jù)公式1，在1550nm波段范圍的色散系數(shù)

由此可計(jì)算在90km光纖長度中，同步光（λ₁=1550.92nm）和量子光（λ₂=1549.32nm）的傳輸延時(shí)差為：

………公式2

經(jīng)測量，在90km光纖長度環(huán)境下，同步光（λ=1550.92nm）會比量子光（λ=1549.32nm）超前2.5ns,與計(jì)算結(jié)果基本統(tǒng)一。

j）將同步光和量子光的傳播時(shí)間差，加載到同步光的通路，使得同步光與緊隨其后的量子光的間距補(bǔ)償結(jié)果為：T1’= T₁+ΔT，同步光與前一次的量子光的間距補(bǔ)償結(jié)果為：T3’= T₃-ΔT，其中，T1’和T3’分別為補(bǔ)償后的時(shí)間。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，通過FPGA的觸發(fā)時(shí)鐘相移，或通過外部延時(shí)芯片的方式，加載到同步光的通路。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例，圖4為本發(fā)明延時(shí)補(bǔ)償示意圖，可以通過發(fā)送端調(diào)整同步光和量子光發(fā)送序列的時(shí)間間隔達(dá)到接收端序列時(shí)間間隔均衡。如圖4所示，同步光與緊隨其后的量子光的間距補(bǔ)償結(jié)果為：T1’=T1+ΔT，同步光與前一次的量子光的間距補(bǔ)償結(jié)果為：T3’=T3-ΔT。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例，該補(bǔ)償方法只需在量子密鑰分配系統(tǒng)重新組網(wǎng)或改變信道時(shí)運(yùn)行一次，然后將測量結(jié)果保存至非易失性器件中（如FLASH），并在上電或復(fù)位時(shí)將該結(jié)果加載到延時(shí)補(bǔ)償功能中。本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例，第一次運(yùn)行量子密鑰分配設(shè)備時(shí)，先由FPGA進(jìn)行光纖測距，然后將數(shù)據(jù)記錄在FLASH中，并根據(jù)不同光纖長度在發(fā)送端調(diào)整同步光、量子光的延時(shí)，對其進(jìn)行相位補(bǔ)償。該方法在單纖量子密鑰分配系統(tǒng)中不需要額外的器件和時(shí)間開銷，不會對成本和設(shè)備效率造成影響。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例，所述光纖信道測距之前還可以包括經(jīng)典光握手連接階段，在單纖系統(tǒng)中，經(jīng)典光的握手過程主要就是調(diào)節(jié)發(fā)送端EVOA的衰減，調(diào)節(jié)此衰減需滿足：在發(fā)送最小的光功率的條件下使接收端誤碼率低于10^-6。圖5為本發(fā)明經(jīng)典光EVOA掃描過程示意圖，如圖所示，EVOA衰減的調(diào)節(jié)步驟如下：

1a）發(fā)送端發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)包。

1b）減小經(jīng)典光電控衰減器的衰減。

1c）接收端接收經(jīng)典光數(shù)據(jù)包，并校驗(yàn)和記數(shù)。

1d）判斷接收的數(shù)據(jù)包是否與發(fā)送端的相同且無誤碼。

1e）設(shè)定電控衰減器的值。

發(fā)送端按照最小光功率發(fā)送經(jīng)典光數(shù)據(jù)包，接收端將接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量返回給發(fā)送端。接收端接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量會隨著光強(qiáng)增強(qiáng)而增加，但是經(jīng)典光光強(qiáng)會對量子光產(chǎn)生影響，所以在發(fā)明中，我們會尋找一個(gè)平衡點(diǎn)，在保證誤碼率的情況下使用最小的發(fā)送端光功率。經(jīng)典光EVOA掃描完成后，表示經(jīng)典光已握手完成，數(shù)據(jù)鏈路穩(wěn)定完善，可以進(jìn)行測距。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例，在所述延時(shí)計(jì)算及補(bǔ)償之后，還可以包括測試階段，通過查看此時(shí)系統(tǒng)誤碼率或測試接收端單光子探測器的暗計(jì)數(shù)，來測試補(bǔ)償?shù)男Ч?。根?jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，查看此時(shí)系統(tǒng)誤碼率的方式中，如果在重復(fù)頻率較高系統(tǒng)中，補(bǔ)償后誤碼率會有下降；測試接收端單光子探測器的暗計(jì)數(shù)的方式中，在測試時(shí)關(guān)掉量子光激光器，僅發(fā)送同步光，補(bǔ)償前，由于同步光會對量子光產(chǎn)生干擾，此時(shí)計(jì)數(shù)會比單光子探測器的暗計(jì)數(shù)高；補(bǔ)償后，計(jì)數(shù)會大致與暗計(jì)數(shù)相符。

發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的該方法，根據(jù)不同的光纖信道長度，測量并計(jì)算同步光和量子光的相對延時(shí)，然后在發(fā)送端加入延時(shí)補(bǔ)償，使兩者到達(dá)接收端時(shí)的相對位置與理想情況一致。解決了現(xiàn)有的量子密鑰分配系統(tǒng)中，沒有對同步光和量子光經(jīng)過遠(yuǎn)距離光纖傳輸造成延時(shí)的問題，并且采用由FPGA和定時(shí)器組成的測距系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，降低誤碼甚至保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個(gè)或者更多個(gè)該特征。

在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通或兩個(gè)元件的相互作用關(guān)系。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接觸，或第一和第二特征通過中間媒介間接接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面” 可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、 或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不必針對的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任一個(gè) 或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本說明書中描述的不同實(shí)施例或示例以及不同實(shí)施例或示例的特征進(jìn)行結(jié)合和組合。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型，同時(shí)，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本申請的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會有改變之處。