本實用新型涉及量子保密通信領域，特別是提供了一種雙工量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

雙工量子密鑰分發(fā)(Quantum Key Distribution，QKD)系統(tǒng)，即每個QKD系統(tǒng)中均包含一個發(fā)送方Alice和一個接收方Bob，一對設備可以同時運行兩條QKD鏈路，示意如圖1所示。

QKD系統(tǒng)中的一項關鍵技術(shù)就是系統(tǒng)發(fā)送方(Alice)和系統(tǒng)接收方(Bob)的信息同步。只有接收方探測到的光子脈沖與發(fā)送方發(fā)出的光子脈沖同步上，系統(tǒng)雙方才能提取出安全一致的量子密鑰。

現(xiàn)有技術(shù)中，雙工系統(tǒng)的每條鏈路使用獨自的同步光來進行同步?？紤]規(guī)模化應用，每臺QKD裝置的設計是一致的，即配對工作的兩臺設備是完全相同的。所以，兩條鏈路上的同步光的各個參數(shù)(波長、頻率等)也是相同的，并且在同一根光纖中傳輸。由于實際光纖鏈路環(huán)境不理想，存在光纖端面反射現(xiàn)象。例如，當QKD鏈路1啟動后，該鏈路的Alice發(fā)出的同步光可能存在反射現(xiàn)象，其反射光進入鏈路2的Bob，從而會導致鏈路2中的同步信號誤甄別；這樣當鏈路2啟動后，鏈路2的Alice發(fā)出的同步光會受到干擾，導致該鏈路不能正常運行。

如圖2所示，現(xiàn)有申請?zhí)枮?01410472681.1的專利《一種量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的同步方法及裝置》中為了解決同步光反射的問題，采取雙工QKD設備中配置兩個波長不同的同步光激光器，雙工QKD運行時，兩條鏈路分別使用其中的一種波長的同步光。

在本領域當中，有定義為“雙向QKD系統(tǒng)”，這指的是QKD的實現(xiàn)方式上，信號光從第一QKD端被發(fā)送給第二QKD端，隨后沿原光路返回第一QKD端。一般來說，從第一QKD端發(fā)給第二QKD端的信號光較強，平均每個脈沖幾百或幾千個光子，并在返回給第一QKD端之前，在第二QKD端被衰減到單光子量級(平均每個脈沖一個光子或者更少)。系統(tǒng)的光纖鏈路上只有一條QKD鏈路，是一個雙向(two-way)、單工的過程。

對比文獻如MAGIQ技術(shù)公司的《具有后向散射抑制的雙向QKD系統(tǒng)》(申請?zhí)枮?00580025415.3)，其第一QKD站具有以不同的波長發(fā)光的激光源，和多個單光子探測器(SPD)單元。在雙向QKD系統(tǒng)中，后向散射光一般由較強的輸出信號光在連接第一和第二QKD站的光纖鏈路中產(chǎn)生。為了減少或避免后向散射光干擾從第二QKD站返回第一QKD站的信號光的探測，該專利在順序激活第一QKD站中SPD單元中的各對SPD的時候，順序激活不同的光源。該專利所要解決的是雙向QKD系統(tǒng)中信號光的探測易受后向散射光干擾的問題，且其對相關控制系統(tǒng)的要求較高，需要根據(jù)實際光纖鏈路的長度，計算信號光的預期到達時間，在預期到達時間進行不同的光源、SPD單元的激活控制，控制精度要求高，并且該順序激活的過程持續(xù)進行。

本提案中的“雙工QKD系統(tǒng)”與上述“雙向QKD系統(tǒng)”不同。按照上述定義，“雙向QKD系統(tǒng)”為“雙向(two-way)、單工”，“雙工QKD系統(tǒng)”則是“單向(one-way)、雙工”，為可以“全雙工”工作的系統(tǒng)，雙工系統(tǒng)的每一端均包含了Alice和Bob，可以同時建立兩條QKD鏈路。

現(xiàn)有技術(shù)中，雙工系統(tǒng)的每條鏈路使用獨自的同步光來進行同步，這會導致同步光反射問題的出現(xiàn)。另外，現(xiàn)有的一技術(shù)方案，雖然能解決該問題，但是兩條鏈路還是使用獨自同步光的方案，并且該方案對系統(tǒng)研制成本增加較大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型所要解決的技術(shù)問題在于提供了一種能解決同步光反射問題的方案，使兩條QKD鏈路均可以正常運行的雙工量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)。

本實用新型是通過以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題的：一種雙工量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，配對的兩臺QKD裝置使用一路同步光，其中第一臺QKD裝置的發(fā)送端產(chǎn)生的同步光輸出給第二臺QKD裝置的接收端，且第一臺QKD裝置的發(fā)送端產(chǎn)生的同步光同時發(fā)送到第一臺QKD裝置的接收端，第二臺QKD裝置的接收端接收到的同步信號傳送給第二臺QKD裝置的發(fā)送端。

作為具體的第一種技術(shù)方案，配對的兩臺QKD裝置結(jié)構(gòu)相同，每臺QKD裝置的同步光產(chǎn)生和接收裝置包括晶振、發(fā)送端鎖相環(huán)、同步光激光器、光分束器、可調(diào)光衰減器、環(huán)形器、光開關、PIN管、接收端鎖相環(huán)；

其中晶振連接到發(fā)送端鎖相環(huán)，發(fā)送端鎖相環(huán)的輸出端連接同步光激光器，同步光激光器的輸出端連接到光分束器的輸入端，光分束器的分光比例為N:1，光分束器比例為N的一端通過可調(diào)光衰減器連接環(huán)形器端口1，環(huán)形器端口2是同步光的輸入/輸出端口，光分束器比例為1的一端連接光開關的端口1，環(huán)形器端口3連接光開關的端口2，光開關的輸出端通過PIN管連接接收端鎖相環(huán)，接收端鎖相環(huán)與發(fā)送端鎖相環(huán)連接。

該實施方案中，其同步方法如下：

第一臺QKD裝置的發(fā)送端和第二臺QKD裝置的接收端配對成QKD鏈路1，第二臺QKD裝置的發(fā)送端和第一臺QKD裝置的接收端配對成QKD鏈路2；

發(fā)送同步光的鏈路，同步光路線：首先將本地晶振輸出的信號接入第一臺QKD裝置中發(fā)送端的鎖相環(huán)，經(jīng)由鎖相環(huán)后，產(chǎn)生同步光驅(qū)動信號，鎖相環(huán)輸出的同步光驅(qū)動信號，作用于同步光激光器，同步光激光器輸出的同步光經(jīng)過光分束器比例為N的一端，再經(jīng)過可調(diào)光衰減器，進入環(huán)形器端口1，從環(huán)形器端口2輸出，經(jīng)過光纖傳輸，到達第二臺QKD裝置中環(huán)形器的端口2，從環(huán)形器的端口3輸出，進入光開關的端口2，再經(jīng)過PIN管，轉(zhuǎn)換成電信號后送給接收端的鎖相環(huán)，完成QKD鏈路1的第一臺QKD裝置的發(fā)送端和第二臺QKD裝置的接收端的同步；

另一鏈路的同步光路線：第二臺QKD裝置中發(fā)送端的鎖相環(huán)以該第二臺QKD裝置中接收端的鎖相環(huán)輸出作為驅(qū)動信號，使得發(fā)送端的鎖相環(huán)所輸入的同步信號能夠與接收端的鎖相環(huán)所輸出的同步信號同源，該第二臺QKD裝置的發(fā)送端不另外產(chǎn)生同步光，第一臺QKD裝置的光分束器比例為1的輸出端，連接光開關的端口1，光開關輸出的同步光信號進入PIN管進行光電轉(zhuǎn)換，得到同步電信號送給接收端的鎖相環(huán)，完成QKD鏈路2的第二臺QKD裝置的發(fā)送端和第一臺QKD裝置的接收端的同步。

作為具體的第二種技術(shù)方案，配對的兩臺QKD裝置結(jié)構(gòu)不同，配對的第一臺QKD裝置的同步光產(chǎn)生裝置包括晶振、發(fā)送端鎖相環(huán)、同步光激光器、光分束器、可調(diào)光衰減器、環(huán)形器、光開關、PIN管、接收端鎖相環(huán)，其中晶振連接到發(fā)送端鎖相環(huán)，發(fā)送端鎖相環(huán)的輸出端連接同步光激光器，同步光激光器產(chǎn)生同步光進入光分束器，光分束器將同步光按照N:1的分光比例分光，同步光激光器輸出的同步光經(jīng)過光分束器比例為N的一端，再經(jīng)過可調(diào)光衰減器進入環(huán)形器端口1，環(huán)形器端口2是同步光的輸出端口，同步光激光器輸出的同步光經(jīng)過光分束器比例為1的一端連接光開關的端口1，光開關的輸出端通過PIN管連接接收端鎖相環(huán)；

配對的第二臺QKD裝置的同步光接收裝置包括晶振、發(fā)送端鎖相環(huán)、環(huán)形器、光開關、PIN管、接收端鎖相環(huán)，其中晶振連接到發(fā)送端鎖相環(huán)，環(huán)形器端口2是同步光的輸入端口，環(huán)形器端口3連接光開關的端口2，光開關的輸出端通過PIN管連接接收端鎖相環(huán)，接收端鎖相環(huán)與發(fā)送端鎖相環(huán)連接。

該實施方案中，其同步方法如下：

第一臺QKD裝置的發(fā)送端和第二臺QKD裝置的接收端配對成QKD鏈路1，第二臺QKD裝置的發(fā)送端和第一臺QKD裝置的接收端配對成QKD鏈路2；

發(fā)送同步光的鏈路，同步光路線：首先將本地晶振輸出的信號接入第一臺QKD裝置中發(fā)送端的鎖相環(huán)，經(jīng)由鎖相環(huán)后，產(chǎn)生同步光驅(qū)動信號，鎖相環(huán)輸出的同步光驅(qū)動信號，作用于同步光激光器，同步光激光器輸出的同步光經(jīng)過光分束器比例為N的一端，再經(jīng)過可調(diào)光衰減器，進入環(huán)形器端口1，從環(huán)形器端口2輸出，經(jīng)過光纖傳輸，到達第二臺QKD裝置中環(huán)形器的端口2，從環(huán)形器的端口3輸出，進入光開關的端口2，再經(jīng)過PIN管，轉(zhuǎn)換成電信號后送給接收端的鎖相環(huán)，完成QKD鏈路1的第一臺QKD裝置的發(fā)送端和第二臺QKD裝置的接收端的同步；

另一鏈路的同步光路線：第二臺QKD裝置中發(fā)送端的鎖相環(huán)以該第二臺QKD裝置中接收端的鎖相環(huán)輸出作為驅(qū)動信號，使得發(fā)送端鎖相環(huán)所輸入的同步信號能夠與接收端的鎖相環(huán)所輸出的同步信號同源，但是該第二臺QKD裝置的發(fā)送端不另外產(chǎn)生同步光，第一臺QKD裝置的光分束器比例為1的輸出端，連接光開關的端口1，光開關輸出的同步光信號進入PIN管進行光電轉(zhuǎn)換，得到同步電信號送給接收端的鎖相環(huán)，從而完成QKD鏈路2的第二臺QKD裝置的發(fā)送端和第一臺QKD裝置的接收端的同步。

作為具體的第三種技術(shù)方案，配對的兩臺QKD裝置結(jié)構(gòu)不同，第一臺QKD裝置為完整QKD裝置，第二臺QKD裝置為最簡同步光接收QKD裝置；

完整QKD裝置的同步光產(chǎn)生和接收裝置包括晶振、發(fā)送端鎖相環(huán)、同步光激光器、光分束器、可調(diào)光衰減器、環(huán)形器、光開關、PIN管、接收端鎖相環(huán)，其中晶振連接到發(fā)送端鎖相環(huán)，發(fā)送端鎖相環(huán)的輸出端連接同步光激光器，同步光激光器的輸出端連接到光分束器的輸入端，光分束器的分光比例為N:1，光分束器比例為N的一端通過可調(diào)光衰減器連接環(huán)形器端口1，環(huán)形器端口2是同步光的輸入/輸出端口，光分束器比例為1的一端連接光開關的端口1，環(huán)形器端口3連接光開關的端口2，光開關的輸出端通過PIN管連接接收端鎖相環(huán)，接收端鎖相環(huán)與發(fā)送端鎖相環(huán)連接；

最簡同步光接收QKD裝置的同步光接收裝置包括晶振、發(fā)送端鎖相環(huán)、環(huán)形器、光開關、PIN管、接收端鎖相環(huán)，其中晶振連接到發(fā)送端鎖相環(huán)，環(huán)形器端口2是同步光的輸入端口，環(huán)形器端口3連接光開關的端口2，光開關的輸出端通過PIN管連接接收端鎖相環(huán)，接收端鎖相環(huán)與發(fā)送端鎖相環(huán)連接。

該技術(shù)方案中，完整QKD裝置的發(fā)送端和最簡同步光接收QKD裝置的接收端配對成QKD鏈路1，最簡同步光接收QKD裝置的發(fā)送端和完整QKD裝置的接收端配對成QKD鏈路2；

發(fā)送同步光的鏈路，同步光路線：首先將本地晶振輸出的信號接入完整QKD裝置中發(fā)送端的鎖相環(huán)，經(jīng)由鎖相環(huán)后，產(chǎn)生同步光驅(qū)動信號，鎖相環(huán)輸出的同步光驅(qū)動信號，作用于同步光激光器，同步光激光器輸出的同步光經(jīng)過光分束器比例為N的一端，再經(jīng)過可調(diào)光衰減器，進入環(huán)形器端口1，從環(huán)形器端口2輸出，經(jīng)過光纖傳輸，到達最簡同步光接收QKD裝置中環(huán)形器的端口2，從環(huán)形器的端口3輸出，進入光開關的端口2，再經(jīng)過PIN管，轉(zhuǎn)換成電信號后送給接收端的鎖相環(huán)，完成QKD鏈路1的完整QKD裝置的發(fā)送端和最簡同步光接收QKD裝置的接收端的同步；

另一鏈路的同步光路線：最簡同步光接收QKD裝置中發(fā)送端的鎖相環(huán)以該最簡同步光接收QKD裝置接收端的鎖相環(huán)輸出作為驅(qū)動信號，使得發(fā)送端的鎖相環(huán)所輸入的同步信號能夠與接收端的鎖相環(huán)所輸出的同步信號同源，但是該最簡同步光接收QKD裝置的發(fā)送端不另外產(chǎn)生同步光，完整QKD裝置的光分束器BS比例為1的輸出端，連接光開關的端口1，光開關輸出的同步光信號進入PIN管進行光電轉(zhuǎn)換，得到同步電信號送給接收端的鎖相環(huán)，完成QKD鏈路2的最簡同步光接收QKD裝置的發(fā)送端和完整QKD裝置的接收端的同步。

作為具體的第四種技術(shù)方案，配對的第一臺QKD裝置采用最簡同步光發(fā)送QKD裝置，第二臺QKD裝置采用完整QKD裝置；

最簡同步光發(fā)送QKD裝置的同步光產(chǎn)生裝置包括晶振、發(fā)送端鎖相環(huán)、同步光激光器、光分束器、可調(diào)光衰減器、環(huán)形器、光開關、PIN管、接收端鎖相環(huán)，其中晶振連接到發(fā)送端鎖相環(huán)，發(fā)送端鎖相環(huán)的輸出端連接同步光激光器，同步光激光器產(chǎn)生同步光進入光分束器，光分束器將同步光按照N:1的分光比例分光，同步光激光器輸出的同步光經(jīng)過光分束器比例為N的一端，再經(jīng)過可調(diào)光衰減器進入環(huán)形器端口1，環(huán)形器端口2是同步光的輸出端口，同步光激光器輸出的同步光經(jīng)過光分束器比例為1的一端連接光開關的端口1，光開關的輸出端通過PIN管連接接收端鎖相環(huán)；

完整QKD裝置的同步光產(chǎn)生和接收裝置包括晶振、發(fā)送端鎖相環(huán)、同步光激光器、光分束器、可調(diào)光衰減器、環(huán)形器、光開關、PIN管、接收端鎖相環(huán)，其中晶振連接到發(fā)送端鎖相環(huán)，發(fā)送端鎖相環(huán)的輸出端連接同步光激光器，同步光激光器的輸出端連接到光分束器的輸入端，光分束器的分光比例為N:1，光分束器比例為N的一端通過可調(diào)光衰減器連接環(huán)形器端口1，環(huán)形器端口2是同步光的輸入/輸出端口，光分束器比例為1的一端連接光開關的端口1，環(huán)形器端口3連接光開關的端口2，光開關的輸出端通過PIN管連接接收端鎖相環(huán)，接收端鎖相環(huán)與發(fā)送端鎖相環(huán)連接。

該技術(shù)方案中，最簡同步光發(fā)送QKD裝置的發(fā)送端和完整QKD裝置的接收端配對成QKD鏈路1，完整QKD裝置的發(fā)送端和最簡同步光發(fā)送QKD裝置的接收端配對成QKD鏈路2；

發(fā)送同步光的鏈路，同步光路線：首先將本地晶振輸出的信號接入最簡同步光發(fā)送QKD裝置中發(fā)送端的鎖相環(huán)，經(jīng)由鎖相環(huán)后，產(chǎn)生同步光驅(qū)動信號，鎖相環(huán)輸出的同步光驅(qū)動信號，作用于同步光激光器，同步光激光器輸出的同步光經(jīng)過光分束器比例為N的一端，再經(jīng)過可調(diào)光衰減器，進入環(huán)形器端口1，從環(huán)形器端口2輸出，經(jīng)過光纖傳輸，到達完整QKD裝置中環(huán)形器的端口2，從環(huán)形器的端口3輸出，進入光開關的端口2，再經(jīng)過PIN管，轉(zhuǎn)換成電信號后送給接收端的鎖相環(huán)，完成QKD鏈路1的最簡同步光發(fā)送QKD裝置的發(fā)送端和完整QKD裝置的接收端的同步；

另一鏈路的同步光路線：完整QKD裝置中發(fā)送端的鎖相環(huán)以該完整QKD裝置接收端的鎖相環(huán)輸出作為驅(qū)動信號，使得發(fā)送端的鎖相環(huán)所輸入的同步信號能夠與接收端的鎖相環(huán)所輸出的同步信號同源，但是該完整QKD裝置的發(fā)送端不另外產(chǎn)生同步光，最簡同步光發(fā)送QKD裝置的光分束器BS比例為1的輸出端，連接光開關的端口1，光開關輸出的同步光信號進入PIN管進行光電轉(zhuǎn)換，得到同步電信號送給接收端的鎖相環(huán)，完成QKD鏈路2的完整QKD裝置的發(fā)送端和最簡同步光發(fā)送QKD裝置的接收端的同步。

上述任一種技術(shù)方案中，配對工作的兩臺QKD裝置接收上層控制系統(tǒng)控制，控制系統(tǒng)分別連接到配對工作的兩臺QKD裝置，配置由哪臺QKD裝置的發(fā)送端發(fā)送同步光，則同時將該發(fā)送同步光的QKD裝置中的光開關設置為端口1選通，同時另外一臺QKD裝置中光開關設置為端口2選通。

本實用新型相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點：

1.本申請通過常用光學器件之間的連接構(gòu)成光路，實現(xiàn)用一路同步光進行雙工QKD，具有簡便易行的特點。

2.通過光分束器件、光環(huán)形器和光開關等器件構(gòu)建光路連接，實現(xiàn)用一路同步光進行雙工QKD，可以解決現(xiàn)有雙工QKD系統(tǒng)的每條鏈路使用獨自的同步光進行同步帶來的同步光反射，導致QKD系統(tǒng)不能全雙工運行的問題。

3.通過光分束器件、光環(huán)形器和光開關等器件構(gòu)建光路連接，實現(xiàn)用一路同步光進行雙工QKD，相對于現(xiàn)有技術(shù)中配置兩個波長不同的同步光激光器的方案，系統(tǒng)研制成本較少，并且不需要增加另外一個波長的信道。

4.無需改動原有的雙工QKD系統(tǒng)中的激光器、探測器及電子學板卡，通過使用無源光器件對光路進行升級改造，即可實現(xiàn)用一路同步光進行雙工QKD。

附圖說明

圖1是雙工QKD系統(tǒng)示意圖；

圖2是現(xiàn)有技術(shù)的同步方案圖；

圖3是本實用新型實施例一的單臺QKD裝置方案圖；

圖4是本實用新型實施例一的兩條QKD鏈路使用一路同步光進行同步的方案圖；

圖5是本實用新型實施例一的雙工QKD系統(tǒng)接收控制系統(tǒng)控制示意圖；

圖6是本實用新型實施例二的雙工QKD系統(tǒng)-L的方案圖；

圖7是本實用新型實施例二的雙工QKD系統(tǒng)-R的方案圖；

圖8是本實用新型實施例二的雙工QKD系統(tǒng)接收控制系統(tǒng)控制示意圖。

具體實施方式

下面對本實用新型的實施例作詳細說明，本實施例在以本實用新型技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本實用新型的保護范圍不限于下述的實施例。

本實用新型提供一種雙工量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，配對的兩臺QKD裝置使用一路同步光，每臺QKD裝置包含一個發(fā)送端Alice和一個接收端Bob。其中第一臺QKD裝置的發(fā)送端產(chǎn)生的同步光輸出給第二臺QKD裝置的接收端，且第一臺QKD裝置的發(fā)送端產(chǎn)生的同步光同時發(fā)送到第一臺QKD裝置的接收端，第二臺QKD裝置的接收端接收到的同步信號傳送給第二臺QKD裝置的發(fā)送端。

實施例一

如圖3所示，本實施例中，該雙工QKD系統(tǒng)中，配對的兩臺QKD裝置結(jié)構(gòu)相同，每臺QKD裝置的同步光產(chǎn)生和接收裝置包括晶振(Oscillator，OSC)、發(fā)送端鎖相環(huán)(Phase Locked Loop，PLL)、同步光激光器(LD，Laser Diode)、光分束器BS(Beam Splitter)、可調(diào)光衰減器、環(huán)形器、光開關OSW(Optical Switch)、PIN管、接收端鎖相環(huán)。

其中晶振連接到發(fā)送端鎖相環(huán)，發(fā)送端鎖相環(huán)的輸出端連接同步光激光器，同步光激光器的輸出端連接到光分束器的輸入端，光分束器的分光比例為N:1，光分束器比例為N的一端通過可調(diào)光衰減器連接環(huán)形器端口1，環(huán)形器端口2是同步光的輸入/輸出端口，光分束器比例為1的一端連接光開關的端口1，環(huán)形器端口3連接光開關的端口2，光開關的輸出端通過PIN管連接接收端鎖相環(huán)。接收端鎖相環(huán)與發(fā)送端鎖相環(huán)連接。

QKD系統(tǒng)是以晶振產(chǎn)生的時鐘來驅(qū)動的。鎖相環(huán)利用外部輸入的時鐘參考信號控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號的頻率和相位，可以實現(xiàn)輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，即可以根據(jù)輸入端頻率的時鐘信號產(chǎn)生不同頻率的時鐘信號輸出。

本技術(shù)方案中，首先將本地晶振輸出的信號接入鎖相環(huán)，經(jīng)由鎖相環(huán)后，產(chǎn)生信號光驅(qū)動信號和同步光驅(qū)動信號。信號光驅(qū)動信號與同步光驅(qū)動信號的頻率不相同，并且多數(shù)情況下，信號光驅(qū)動信號的頻率大于同步光信號的頻率。

信號光驅(qū)動信號和同步光驅(qū)動信號分別作用于信號光激光器和同步光激光器，以產(chǎn)生系統(tǒng)所需的信號光與同步光。信號光用于產(chǎn)生量子密鑰，同步光用于實現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)送端和接收端的同步。本實用新型主要為系統(tǒng)的同步方式，所以僅關注同步光的后續(xù)處理，而關于信號光不再贅述。

光分束器的分光比例為N:1，其中N為正整數(shù)，例如，使用分光比例為9:1的BS，當然，分光比例根據(jù)實際情況可以自由選擇。其中，比例為N的輸出端連接一個可調(diào)光衰減器，再接入環(huán)形器端口1，從環(huán)形器端口2輸出，環(huán)形器端口2即為雙工QKD系統(tǒng)對外的光輸入/輸出(I/O)端口。

同步光激光器輸出的同步光經(jīng)過光分束器比例為1的輸出端接入光開關的輸入端口1。其中光開關規(guī)格為1*2矩陣型，環(huán)形器端口3的輸出接入光開關的另一輸入端口2。

光開關輸出的即為欲發(fā)送給該雙工QKD系統(tǒng)接收端的同步光，需要經(jīng)過PIN管進行光電轉(zhuǎn)化，得到電信號，然后送給接收端的鎖相環(huán)，該鎖相環(huán)根據(jù)該輸入的同步電信號，產(chǎn)生用于單光子探測器的探測時鐘。

請參閱圖4所示，配對的兩臺QKD裝置，分別用雙工QKD系統(tǒng)-L和雙工QKD系統(tǒng)-R來表示。雙工QKD系統(tǒng)-L的發(fā)送端Alice和雙工QKD系統(tǒng)-R的接收端Bob配對成QKD鏈路1；雙工QKD系統(tǒng)-R的發(fā)送端Alice和雙工QKD系統(tǒng)-L的接收端Bob配對成QKD鏈路2。

雙工QKD系統(tǒng)-L和雙工QKD系統(tǒng)-R的具體同步方法如下：

雙工QKD系統(tǒng)-L的發(fā)送端Alice發(fā)送同步光，同步光傳輸如圖4中實線路徑所示，另外一條鏈路(雙工QKD系統(tǒng)-R的Alice不發(fā)送同步光)同步光傳輸如圖4中虛線路徑所示。其中在該實施例中，系統(tǒng)實際工作時有部分連接線路未使用，則該未使用的部分在圖4中沒有畫出來。

發(fā)送同步光的鏈路，同步光路線如實線路徑：首先將本地晶振輸出的信號接入雙工QKD系統(tǒng)-L中發(fā)送端Alice的鎖相環(huán)，經(jīng)由鎖相環(huán)后，產(chǎn)生同步光驅(qū)動信號，鎖相環(huán)輸出的同步光驅(qū)動信號，作用于同步光激光器，同步光激光器輸出的同步光經(jīng)過光分束器比例為N的一端，再經(jīng)過可調(diào)光衰減器，進入環(huán)形器端口1，從環(huán)形器端口2輸出，經(jīng)過光纖傳輸，到達雙工QKD系統(tǒng)-R中環(huán)形器的端口2，從環(huán)形器的端口3輸出，進入光開關的端口2，再經(jīng)過PIN管，轉(zhuǎn)換成電信號后送給接收端Bob的鎖相環(huán)，完成QKD鏈路1的雙工QKD系統(tǒng)-L的發(fā)送端Alice和雙工QKD系統(tǒng)-R的接收端Bob的同步。

另一鏈路的同步光路線如虛線路徑所示：雙工QKD系統(tǒng)-R中發(fā)送端Alice的鎖相環(huán)以該雙工QKD系統(tǒng)-R中接收端Bob的鎖相環(huán)輸出作為驅(qū)動信號，使得發(fā)送端Alice的鎖相環(huán)所輸入的同步信號能夠與接收端Bob的鎖相環(huán)所輸出的同步信號同源，但是該雙工QKD系統(tǒng)-R的發(fā)送端Alice不另外產(chǎn)生同步光。雙工QKD系統(tǒng)-L的光分束器BS比例為1的輸出端，連接光開關的端口1，光開關輸出的同步光信號進入PIN管進行光電轉(zhuǎn)換，得到同步電信號送給接收端Bob的鎖相環(huán)。從而完成QKD鏈路2的雙工QKD系統(tǒng)-R的發(fā)送端Alice和雙工QKD系統(tǒng)-L的接收端Bob的同步。

可調(diào)光衰減器的作用是能夠結(jié)合光纖鏈路上的衰減，設置不同的值，使得雙工QKD系統(tǒng)-L產(chǎn)生的同步光達到該條鏈路的雙工QKD系統(tǒng)-R接收端Bob時滿足PIN管光電轉(zhuǎn)換的條件。

請參閱圖5所示，實際應用中，配對工作的兩臺QKD裝置可以接收上層“控制系統(tǒng)”控制。“控制系統(tǒng)”分別連接到配對工作的兩臺QKD裝置，可以配置由哪個雙工QKD系統(tǒng)的發(fā)送端Alice發(fā)送同步光。若配置圖5中左側(cè)的雙工QKD系統(tǒng)-L發(fā)送同步光，則同時將該系統(tǒng)中光開關設置為端口1選通，同時另外一個雙工QKD系統(tǒng)-R中光開關設置為端口2選通。

該實施例中采用相同結(jié)構(gòu)的QKD裝置進行配對，組成雙工QKD系統(tǒng)，優(yōu)點在于，生產(chǎn)時無需考慮配對的兩臺QKD裝置的情況，任意兩臺QKD裝置均可以配對成能夠使用同一路同步光進行同步的雙工QKD系統(tǒng)。

實施例二

雙工QKD系統(tǒng)，配對工作的兩臺設備采用不對等設計方案，即將實施例一中配對工作的兩個QKD系統(tǒng)，每端只設計參與工作的部分，不設計冗余部分。雙工QKD系統(tǒng)-L和雙工QKD系統(tǒng)-R分別設計如下：

如圖6所示，配對的其中一個雙工QKD系統(tǒng)-L的同步光產(chǎn)生裝置包括晶振(Oscillator，OSC)、發(fā)送端鎖相環(huán)(Phase Locked Loop，PLL)、同步光激光器(LD，Laser Diode)、光分束器BS(Beam Splitter)、可調(diào)光衰減器、環(huán)形器、光開關OSW(Optical Switch)、PIN管、接收端鎖相環(huán)。其中晶振連接到發(fā)送端鎖相環(huán)，發(fā)送端鎖相環(huán)的輸出端連接同步光激光器，同步光激光器產(chǎn)生同步光進入光分束器BS，光分束器將同步光按照N:1的分光比例分光，同步光激光器輸出的同步光經(jīng)過光分束器比例為N的一端，再經(jīng)過可調(diào)光衰減器進入環(huán)形器端口1，環(huán)形器端口2是同步光的輸出端口，同步光激光器輸出的同步光經(jīng)過光分束器比例為1的一端連接光開關的端口1，光開關的輸出端通過PIN管連接接收端鎖相環(huán)。

如圖7所示，配對的另一個雙工QKD系統(tǒng)-R的同步光接收裝置包括晶振(Oscillator，OSC)、發(fā)送端鎖相環(huán)(Phase Locked Loop，PLL)、環(huán)形器、光開關OSW(Optical Switch)、PIN管、接收端鎖相環(huán)。其中晶振連接到發(fā)送端鎖相環(huán)，環(huán)形器端口2是同步光的輸入端口，環(huán)形器端口3連接光開關的端口2，光開關的輸出端通過PIN管連接接收端鎖相環(huán)。接收端鎖相環(huán)與發(fā)送端鎖相環(huán)連接。

請參閱圖8所示，配對的兩臺QKD裝置，雙工QKD系統(tǒng)-L的發(fā)送端Alice和雙工QKD系統(tǒng)-R的接收端Bob配對成QKD鏈路1；雙工QKD系統(tǒng)-R的發(fā)送端Alice和雙工QKD系統(tǒng)-L的接收端Bob配對成QKD鏈路2。

該實施例中，雙工QKD系統(tǒng)-L和雙工QKD系統(tǒng)-R的具體同步方法如下：

雙工QKD系統(tǒng)-L的發(fā)送端Alice發(fā)送同步光，同步光傳輸如圖8中實線路徑所示，另外一條鏈路(雙工QKD系統(tǒng)-R的Alice不發(fā)送同步光)同步光傳輸如圖8中虛線路徑所示。

發(fā)送同步光的鏈路，同步光路線如實線路徑：首先將本地晶振輸出的信號接入雙工QKD系統(tǒng)-L中發(fā)送端Alice的鎖相環(huán)，經(jīng)由鎖相環(huán)后，產(chǎn)生同步光驅(qū)動信號，鎖相環(huán)輸出的同步光驅(qū)動信號，作用于同步光激光器，同步光激光器輸出的同步光經(jīng)過光分束器比例為N的一端，再經(jīng)過可調(diào)光衰減器，進入環(huán)形器端口1，從環(huán)形器端口2輸出，經(jīng)過光纖傳輸，到達雙工QKD系統(tǒng)-R中環(huán)形器的端口2，從環(huán)形器的端口3輸出，進入光開關的端口2，再經(jīng)過PIN管，轉(zhuǎn)換成電信號后送給接收端Bob的鎖相環(huán)，完成QKD鏈路1的雙工QKD系統(tǒng)-L的發(fā)送端Alice和雙工QKD系統(tǒng)-R的接收端Bob的同步。

另一鏈路的同步光路線如虛線路徑所示：雙工QKD系統(tǒng)-R中發(fā)送端Alice的鎖相環(huán)以該雙工QKD系統(tǒng)-R中接收端Bob的鎖相環(huán)輸出作為驅(qū)動信號，使得發(fā)送端Alice的鎖相環(huán)所輸入的同步信號能夠與接收端Bob的鎖相環(huán)所輸出的同步信號同源，但是該雙工QKD系統(tǒng)-R的發(fā)送端Alice不另外產(chǎn)生同步光。雙工QKD系統(tǒng)-L的光分束器BS比例為1的輸出端，連接光開關的端口1，光開關輸出的同步光信號進入PIN管進行光電轉(zhuǎn)換，得到同步電信號送給接收端Bob的鎖相環(huán)。從而完成QKD鏈路2的雙工QKD系統(tǒng)-R的發(fā)送端Alice和雙工QKD系統(tǒng)-L的接收端Bob的同步。

同時參閱圖8所示，實際應用中，配對工作的兩臺QKD裝置可以接收上層“控制系統(tǒng)”控制。“控制系統(tǒng)”分別連接到配對工作的兩臺QKD裝置，配置由雙工QKD系統(tǒng)-L的發(fā)送端Alice發(fā)送同步光。則同時將該系統(tǒng)中光開關設置為端口1選通，同時另外一個雙工QKD系統(tǒng)-R中光開關設置為端口2選通。

該實施例中采用結(jié)構(gòu)簡化的QKD裝置進行配對，組成雙工QKD系統(tǒng)，優(yōu)點在于，生產(chǎn)時不需要制作同步時不需要的部分零件，簡化生產(chǎn)工藝的同時降低成本。

實施例三

為便于描述，將實施例一中的相同結(jié)構(gòu)的配對的每臺QKD裝置稱作“完整QKD裝置”，實施例二中的只設計參與工作的部分，不設計冗余部分的每臺QKD裝置稱作“最簡QKD裝置”，并且稱發(fā)送同步光的“最簡QKD裝置”為“最簡同步光發(fā)送QKD裝置”，稱接收同步光的“最簡QKD裝置”為“最簡同步光接收QKD裝置”。

實施例二中，配對的兩臺QKD裝置均采用結(jié)構(gòu)簡化的QKD裝置，實際應用過程中，難免會發(fā)生其中一臺QKD裝置故障的情況，如果現(xiàn)場沒有同樣結(jié)構(gòu)的簡化的QKD裝置，會影響到雙工QKD系統(tǒng)的使用。

該實施例中，采用一臺完整QKD裝置和一臺最簡同步光接收QKD裝置配對組成雙工QKD系統(tǒng)。

該雙工QKD系統(tǒng)中，完整QKD裝置的同步光產(chǎn)生和接收裝置如圖3所示，包括晶振(Oscillator，OSC)、發(fā)送端鎖相環(huán)(Phase Locked Loop，PLL)、同步光激光器(LD，Laser Diode)、光分束器BS(Beam Splitter)、可調(diào)光衰減器、環(huán)形器、光開關OSW(Optical Switch)、PIN管、接收端鎖相環(huán)。

其中晶振連接到發(fā)送端鎖相環(huán)，發(fā)送端鎖相環(huán)的輸出端連接同步光激光器，同步光激光器的輸出端連接到光分束器的輸入端，光分束器的分光比例為N:1，光分束器比例為N的一端通過可調(diào)光衰減器連接環(huán)形器端口1，環(huán)形器端口2是同步光的輸入/輸出端口，光分束器比例為1的一端連接光開關的端口1，環(huán)形器端口3連接光開關的端口2，光開關的輸出端通過PIN管連接接收端鎖相環(huán)。接收端鎖相環(huán)與發(fā)送端鎖相環(huán)連接。

最簡同步光接收QKD裝置的同步光接收裝置如圖7所示，包括晶振(Oscillator，OSC)、發(fā)送端鎖相環(huán)(Phase Locked Loop，PLL)、環(huán)形器、光開關OSW(Optical Switch)、PIN管、接收端鎖相環(huán)。其中晶振連接到發(fā)送端鎖相環(huán)，環(huán)形器端口2是同步光的輸入端口，環(huán)形器端口3連接光開關的端口2，光開關的輸出端通過PIN管連接接收端鎖相環(huán)。接收端鎖相環(huán)與發(fā)送端鎖相環(huán)連接。

發(fā)送同步光的鏈路，同步光路線：首先將本地晶振輸出的信號接入完整QKD裝置中發(fā)送端Alice的鎖相環(huán)，經(jīng)由鎖相環(huán)后，產(chǎn)生同步光驅(qū)動信號，鎖相環(huán)輸出的同步光驅(qū)動信號，作用于同步光激光器，同步光激光器輸出的同步光經(jīng)過光分束器比例為N的一端，再經(jīng)過可調(diào)光衰減器，進入環(huán)形器端口1，從環(huán)形器端口2輸出，經(jīng)過光纖傳輸，到達最簡同步光接收QKD裝置中環(huán)形器的端口2，從環(huán)形器的端口3輸出，進入光開關的端口2，再經(jīng)過PIN管，轉(zhuǎn)換成電信號后送給接收端Bob的鎖相環(huán)，完成QKD鏈路1的完整QKD裝置的發(fā)送端Alice和最簡同步光接收QKD裝置的接收端Bob的同步。

另一鏈路的同步光路線：最簡同步光接收QKD裝置中發(fā)送端Alice的鎖相環(huán)以該最簡同步光接收QKD裝置接收端Bob的鎖相環(huán)輸出作為驅(qū)動信號，使得發(fā)送端Alice的鎖相環(huán)所輸入的同步信號能夠與接收端Bob的鎖相環(huán)所輸出的同步信號同源，但是該最簡同步光接收QKD裝置的發(fā)送端Alice不另外產(chǎn)生同步光。完整QKD裝置的光分束器BS比例為1的輸出端，連接光開關的端口1，光開關輸出的同步光信號進入PIN管進行光電轉(zhuǎn)換，得到同步電信號送給接收端Bob的鎖相環(huán)。從而完成QKD鏈路2的最簡同步光接收QKD裝置的發(fā)送端Alice和完整QKD裝置的接收端Bob的同步。

實際應用中，配對工作的兩臺QKD裝置可以接收上層“控制系統(tǒng)”控制。“控制系統(tǒng)”分別連接到配對工作的兩臺QKD裝置，配置由完整QKD裝置的發(fā)送端Alice發(fā)送同步光。則同時將該系統(tǒng)中光開關設置為端口1選通，同時另外一個最簡同步光接收QKD裝置中光開關設置為端口2選通。

實施例四

為便于描述，將實施例一中的相同結(jié)構(gòu)的配對的每臺QKD裝置稱作“完整QKD裝置”，實施例二中的只設計參與工作的部分，不設計冗余部分的每臺QKD裝置稱作“最簡QKD裝置”，并且稱發(fā)送同步光的“最簡QKD裝置”為“最簡同步光發(fā)送QKD裝置”，稱接收同步光的“最簡QKD裝置”為“最簡同步光接收QKD裝置”。

實施例二中，配對的兩臺QKD裝置均采用結(jié)構(gòu)簡化的QKD裝置，實際應用過程中，難免會發(fā)生其中一臺QKD裝置故障的情況，如果現(xiàn)場沒有同樣結(jié)構(gòu)的簡化的QKD裝置，會影響到雙工QKD系統(tǒng)的使用。

該實施例中，采用一臺最簡同步光發(fā)送QKD裝置和一臺完整QKD裝置配對組成雙工QKD系統(tǒng)。

最簡同步光發(fā)送QKD裝置的同步光產(chǎn)生裝置如圖6所示，包括晶振(Oscillator，OSC)、發(fā)送端鎖相環(huán)(Phase Locked Loop，PLL)、同步光激光器(LD，Laser Diode)、光分束器BS(Beam Splitter)、可調(diào)光衰減器、環(huán)形器、光開關OSW(Optical Switch)、PIN管、接收端鎖相環(huán)。其中晶振連接到發(fā)送端鎖相環(huán)，發(fā)送端鎖相環(huán)的輸出端連接同步光激光器，同步光激光器產(chǎn)生同步光進入光分束器BS，光分束器將同步光按照N:1的分光比例分光，同步光激光器輸出的同步光經(jīng)過光分束器比例為N的一端，再經(jīng)過可調(diào)光衰減器進入環(huán)形器端口1，環(huán)形器端口2是同步光的輸出端口，同步光激光器輸出的同步光經(jīng)過光分束器比例為1的一端連接光開關的端口1，光開關的輸出端通過PIN管連接接收端鎖相環(huán)。

該雙工QKD系統(tǒng)中，完整QKD裝置的同步光產(chǎn)生和接收裝置如圖3所示，包括晶振(Oscillator，OSC)、發(fā)送端鎖相環(huán)(Phase Locked Loop，PLL)、同步光激光器(LD，Laser Diode)、光分束器BS(Beam Splitter)、可調(diào)光衰減器、環(huán)形器、光開關OSW(Optical Switch)、PIN管、接收端鎖相環(huán)。

其中晶振連接到發(fā)送端鎖相環(huán)，發(fā)送端鎖相環(huán)的輸出端連接同步光激光器，同步光激光器的輸出端連接到光分束器的輸入端，光分束器的分光比例為N:1，光分束器比例為N的一端通過可調(diào)光衰減器連接環(huán)形器端口1，環(huán)形器端口2是同步光的輸入/輸出端口，光分束器比例為1的一端連接光開關的端口1，環(huán)形器端口3連接光開關的端口2，光開關的輸出端通過PIN管連接接收端鎖相環(huán)。接收端鎖相環(huán)與發(fā)送端鎖相環(huán)連接。

發(fā)送同步光的鏈路，同步光路線：首先將本地晶振輸出的信號接入最簡同步光發(fā)送QKD裝置中發(fā)送端Alice的鎖相環(huán)，經(jīng)由鎖相環(huán)后，產(chǎn)生同步光驅(qū)動信號，鎖相環(huán)輸出的同步光驅(qū)動信號，作用于同步光激光器，同步光激光器輸出的同步光經(jīng)過光分束器比例為N的一端，再經(jīng)過可調(diào)光衰減器，進入環(huán)形器端口1，從環(huán)形器端口2輸出，經(jīng)過光纖傳輸，到達完整QKD裝置中環(huán)形器的端口2，從環(huán)形器的端口3輸出，進入光開關的端口2，再經(jīng)過PIN管，轉(zhuǎn)換成電信號后送給接收端Bob的鎖相環(huán)，完成QKD鏈路1的最簡同步光發(fā)送QKD裝置的發(fā)送端Alice和完整QKD裝置的接收端Bob的同步。

另一鏈路的同步光路線：完整QKD裝置中發(fā)送端Alice的鎖相環(huán)以該完整QKD裝置接收端Bob的鎖相環(huán)輸出作為驅(qū)動信號，使得發(fā)送端Alice的鎖相環(huán)所輸入的同步信號能夠與接收端Bob的鎖相環(huán)所輸出的同步信號同源，但是該完整QKD裝置的發(fā)送端Alice不另外產(chǎn)生同步光。最簡同步光發(fā)送QKD裝置的光分束器BS比例為1的輸出端，連接光開關的端口1，光開關輸出的同步光信號進入PIN管進行光電轉(zhuǎn)換，得到同步電信號送給接收端Bob的鎖相環(huán)。從而完成QKD鏈路2的完整QKD裝置的發(fā)送端Alice和最簡同步光發(fā)送QKD裝置的接收端Bob的同步。

實際應用中，配對工作的兩臺QKD裝置可以接收上層“控制系統(tǒng)”控制?！翱刂葡到y(tǒng)”分別連接到配對工作的兩臺QKD裝置，配置由最簡同步光發(fā)送QKD裝置的發(fā)送端Alice發(fā)送同步光。則同時將該系統(tǒng)中光開關設置為端口1選通，同時另外一個完整QKD裝置中光開關設置為端口2選通。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。