专利名称：全时全通型量子网络路由器及扩展量子保密通信网络的方法
技术领域：
本发明涉及量子保密通信网络技术领域，特别是涉及量子密钥分配网络技术。
背景技术：
量子密钥分配的概念由Bennett和Brassard在1984年提出，其为密码学中的密 钥分配难题提供了完美的解决方案，量子力学的基本原理保证了分配密钥的无条件安全。 虽然目前点对点量子密钥分配距离已达200公里，但是从实际应用的角度出发，当多用户 之间进行密钥分配时，量子密钥分配技术必然会由点对点发展为量子密钥分配网络，即量 子保密通信网络。现有的量子密钥分配网络包括基于量子中继的量子密钥分配网络、基于量子纠缠 的量子密钥分配网络、基于光分束器的量子密钥分配网络、基于光开关的量子密钥分配网 络和基于波分复用器的量子密钥分配网络等等。目前，量子中继和量子纠缠的量子密钥分 配网络基本处于理论研究阶段，光分束器的量子密钥分配网络的单路性能随着用户数目增 加急剧下降，并且扩展性较差，基于光开关的量子密钥分配网络需要主动切换，而且基于光 分束器和光开关的量子密钥分配网络均不能实现任意两用户之间的全时全通。“全时全通” 意即在任意时刻任意两用户之间都能进行通信，而且骨干网一般要求网络任意两用户一直 能通信。对于需要全时全通的骨干量子保密通信网络，本实验小组曾经提出的基于波分复 用/解复用器的量子网络路由器是一种非常有应用前景的装置(专利号ZL03132014. 7)。 为了增强量子保密通信网络的可扩展性，降低其对光波长的依赖，本发明提出了一种新型 的量子网络路由器以及扩展量子保密通信网络的方法。
发明内容
本发明提出了一种新型的全时全通量子网络路由器，目的是以此量子路由器为核 心组成量子保密通信的骨干网络。本发明提出的有效扩展量子保密通信网络方法，是基于量子密钥分配的特点而加 入扩展自由度的。在相位编码量子密钥分配系统中，传输方向、偏振和光波长均可作为扩展 自由度；在偏振编码量子密钥分配系统中，传输方向和光波长作为扩展自由度。本发明的全时全通量子网络路由器，由光环行器(CIR)、偏振分束器(PBS)和N波 长波分复用/解复用器(WDM)中的一者、二者或者三者组成，共有14种方案，其中单独由N 波长复用/解复用器构成量子网络路由器的方案与本实验小组专利号为ZL03132014. 7的 专利重复，在本发明中不予考虑。(1)当没有光波长自由度作为组网方案时，若单独以光环 行器组成全时全通量子网络路由器，有1种方案，最高可容纳3用户；若以光环行器和偏振 分束器组成全时全通量子网络路由器，有2种方案，最高可容纳5用户。(2)光波长自由度 作为组网方案时，若以光环形器和N波长波分复用器组成全时全通量子网络路由器，有2种 方案，最高可容纳2N+1用户；若以偏振分束器和N波长波分复用器组成全时全通量子网络路由器，有2种方案，最高可容纳2N用户；若以光环行器、偏振分束器和N波长波分复用器 组成全时全通量子网络路由器，有6种方案，最高可容纳4N+1用户。所述的光环行器可以是商用光纤环行器，或是由分立光学元件组成的光环行器。 参见图1，光环行器有3个光接口 1-1、1-2和1-3，如箭头所示，光在环行器内部只能沿一个 方向行进，从接口 1-1进入的光，只能从接口 1-2出射，从接口 1-2入射的光，只能从接口 1-3出射，从接口 1-3进入的光无出射。通过光环行器可获得入和出这2个自由度。该光环 行器为偏振无关器件。所述的偏振分束器可以是光纤偏振分束器，或是分立光学元件组成的偏振分束 器。入射的光是线偏振光或者是圆偏振光。在本发明的描述中，以线偏振光为例，经偏振分 束器后均分成水平偏振和竖直偏振，由此可获得2个自由度。所述的N波长波分复用/解复用器可以是商用光纤N波长波分复用器或者N波长 波分解复用器，也可以是由分立光学元件组成的N波长波分复用器。N个波长的光从波分复 用器的N个输入端输入，被复用到一个输出端输出。N个波长的光从波分解复用器的一个输 入端输入，被解复用到N个与波长对应的输出端。商用光纤波分复用器和波分解复用器均 是可逆光学器件，因此二者可以作为同一种器件。在本发明中均以N波长波分复用/解复 用器称呼。本发明提出量子网络路由器的端口这一概念，每个端口包括一个外接口和若干个 内部接口。外接口用于和量子保密通信网络用户进行连接，内部接口用于量子网络路由器 内部各端口之间的连接。量子保密通信网络用户与量子网络路由器端口一一对应，每个用 户均拥有与量子网络路由器端口类似的结构，用于将光信号的各个自由度复用或者解复 用。用户的外接口与量子网络路由器对应端口的外接口相连，若干个内部接口对应于量子 密钥分配系统的发射装置或接收装置。每个端口由光环行器、偏振分束器和波分复用/解 复用器等光学元件中的一者、二者或者三者组成，内部结构中所包含的光学元件种类数与 端口内部光学元件的连接级数相同，由外至内，按数量从少到多将不同种光学元件分级排 列并连接。需要特别说明的是，一个量子网络路由器中的各个端口内部结构可以相同或者 不同，对应量子保密通信网络用户的内部结构也可以与量子网络路由器的端口内部结构相 同或者不同，前提是按照本发明的不同方案能将光信号的各个自由度分离开来。本发明中的全时全通量子网络路由器各个端口的内部连接是由数学图论中相关 结论保证的。在全时全通量子网络路由器中，若将路由器的端口看作是顶点，连接各端口的 光学连接看作是边，光的自由度看作是不同的颜色，各个端口直接用光学连接连接起来即 为完全连通图。(a)若没有光环行器，仅由N波长波分复用/解复用器、或者N波长波分复 用/解复用器与偏振分束器组成路由器的端口，此时就和“完全连通边染色理论”描述的问 题完全一致了。当量子网络路由器中光的自由度为D时，可将D+1 (或者D)个端口直接连 接起来，并且保证拥有共同端口的内部光连接中所传输的是不同自由度的光，这就相当于 赋予了每个端口唯一的网络地址，而且可以满足全时全通的要求。(b)若光环行器参与组 成路由器的端口，此时就和“奇数阶完全Hamilton图回路理论”所描述的问题完全一致了。 若未引入光的传输方向这一自由度之前，光信号的自由度是D，那么在拥有2D+1个端口的 量子网络路由器中必定存在D个边不交的Hamilton回路，该Hamilton回路由各端口内部 接口之间的光学连接组成。D个Hamilton回路对应于未引入传输方向之前光信号的D个自由度。由于每个路由器端口在一个Hamilton回路均有两个内部接口，因此可将处于同一 Hamilton回路中的同一端口的两个内部接口分别赋予入和出这2个传输方向自由度。这样 也就保证拥有共同端口的内部光连接中所传输的是不同自由度的光，也就相当于赋予了每 个端口唯一的网络地址，也可以满足全时全通的要求。所述的光学连接可以是光纤、波导、自由空间或其他光学介质。可以在连接光路中 添加偏振控制、准直、增透、耦合等器件，改善光学连接的性能。本发明中引入的传输方向这一自由度，能极大地简化量子网络路由器内部各端口 之间连接的方法。本发明提出两种简单的连接方法，假设未引入传输方向这一自由度之 前，光信号的自由度为N(波长、或者偏振、或者波长偏振组合)，加入光环行器后，可构建有 2N+1个端口的量子路由器。方法一，将2N+1个端口排成一圈，根据“奇数阶完全Hamilton 图回路理论”，必有N个边不交的Hamilton回路，将前述N个自由度分配给这N个Hamilton 回路，画出第一个Hamilton回路，以第一个端口(其中任意端口均可选为第一个端口)为 起点，按照所走回路方向依次标出每个端口两条边入和出的方向，即输入和输出自由度，然 后画出第二个Hamilton回路，再次以第一个端口为起点，按照所走回路方向依次标出每 个端口在该回路中两条边入和出的方向，依此类推直至第N个Hamilton回路即可，所述 Hamilton回路由各端口内部接口之间的光学连接组成。方法二，将2N+1个端口顺时针均 勻排列成一个圆圈，以第一个端口(其中任意端口均可选为第一个端口)为例，将该端口和 圆圈圆心的连线称为对称轴，如此，则N个端口分布在该对称轴的一侧，定义为左侧，另外N 个端口分布在该对称轴的另一侧，定义为右侧，将该端口(即第一个端口)与其左侧的N个 端口按远近不同顺次用前述N个自由度连接，且这N个连接均标记为该端口的输入，其余2N 个端口与其他端口连接时均采用与第一个端口相同的连接方法和次序即可。在后面的包含 有光环形器的具体实施方式
中均采用了第二种方法。若量子网络路由器端口的内部结构为偏振分束器和波分复用/解复用器的组合， 且未加入偏振分束器之前光信号的波长自由度为N，则2N个端口之间的连接方式为每个 端口利用2N-1个不同的自由度连接至另外2N-1个端口。本发明的量子网络路由器能够完成⑴任意两个由该量子网络路由器连接的用 户之间实现量子密钥分配；(2)通过选择合适的量子密钥分配方案和合适的量子网络路由 器方案，该量子网络路由器不会破坏传输量子态的性质；(3)在整个量子保密通信网络中， 该路由器连接的每个用户的网络路由地址是唯一的；(4)整个量子保密通信网络中的各个 用户之间同时通信而不会相互干扰；(5)通过选择合适的量子路由器方案，可以在同样用 户数目的需求下，消耗更少的波长资源；(6)在网络用户数目一定的情况下，通过选择合适 的量子路由器方案，可以节约网络成本。因此，基于该量子网络路由器的功能和特点，非常 适用于需要全时全通的骨干量子保密通信网络。所述的量子态可以是相位编码量子密钥分配中携带相位编码信息的光子态，或者 是偏振编码量子密钥分配中携带偏振编码信息的光子态，或者是其他方案中携带信息的光 子态。本发明的全时全通量子网络路由器通过结合量子密钥分配的特点，增加了光信号 的其他自由度，增强量子保密通信网络的可扩展性，降低了其对光波长资源的消耗。对于拥 有N个波长的量子保密通信网络，可保障4N+1个网络用户之间全时全通地进行量子保密通
图1是3端口量子网络路由器中由光环行器组成的单个端口的实施例示意图；图2是3端口量子网络路由器的3个端口之间连接方式的实施例示意图；图3是4端口量子网络路由器中由偏振分束器和2波长波分复用/解复用器组成 的单个端口的实施例示意图；图4是4端口量子网络路由器中由偏振分束器和2波长波分复用/解复用器组成 的单个端口的第二个实施例示意图；图5是由偏振分束器和2波长波分复用/解复用器组成的4端口量子网络路由器 的4个端口之间连接方式的实施例示意图；图6是5端口量子网络路由器中由光环行器和偏振分束器组成的单个端口的实施 例示意图；图7是5端口量子网络路由器中由光环行器和偏振分束器组成的单个端口的第二 实施例示意图；图8是5端口量子网络路由器中由光环行器和2波长波分复用/解复用器组成的 单个端口的实施例示意图；图9是5端口量子网络路由器中由光环行器和2波长波分复用/解复用器组成的 单个端口的第二实施例示意图；图10是5端口量子网络路由器的5个端口之间连接方式的实施例示意图；图11是2N+1端口量子网络路由器中由光环行器和N波长波分复用/解复用器组 成的单个端口的实施例示意图；图12是2N+1端口量子网络路由器中由光环行器和N波长波分复用/解复用器组 成的单个端口的第二实施例示意图；图13是2N端口量子网络路由器中由偏振分束器和N波长波分复用/解复用器组 成的单个端口的实施例示意图；图14是2N端口量子网络路由器中由偏振分束器和N波长波分复用/解复用器组 成的单个端口的第二实施例示意图；图15是4N+1端口量子网络路由器中由光环行器、偏振分束器和N波长波分复用 /解复用器组成的单个端口的实施例示意图；图16是4N+1端口量子网络路由器中由光环行器、偏振分束器和N波长波分复用 /解复用器组成的单个端口的第二实施例示意图；图17是4N+1端口量子网络路由器中由光环行器、偏振分束器和N波长波分复用 /解复用器组成的单个端口的第三实施例示意图；图18是4N+1端口量子网络路由器中由光环行器、偏振分束器和N波长波分复用 /解复用器组成的单个端口的第四实施例示意图；图19是4N+1端口量子网络路由器中由光环行器、偏振分束器和N波长波分复用 /解复用器组成的单个端口的第五实施例示意图；图20是4N+1端口量子网络路由器中由光环行器、偏振分束器和N波长波分复用
7/解复用器组成的单个端口的第六实施例示意图。图21是9端口量子网络路由器中的由光环行器、偏振分束器和2波长波分复用/ 解复用器组成的9个端口之间连接方式的实施例示意图。
具体实施例方式下面结合附图具体说明本发明技术方案的实施方式。图1和图2是没有波长复用/解复用器，即，没有波长自由度时，仅利用光环行器 进行3用户组网的量子网络路由器方案，在该方案中，路由器包括3个端口 1、2、3，分别对 应于3个用户1、2、3。每个端口的结构如图1所示，由一个光环行器1-4构成，其中从接口 1-1进入的光，只能从接口 1-2出射，从接口 1-2入射的光，只能从接口 1-3出射。接口 1-2 是一个外接口，直接连接至该端口对应的用户。接口 1-1、1_3是两个内部接口，分别与另外 两个端口的对应内部接口相连接。图2示出了该路由器3个端口之间的连接方式，当用户 1和用户2之间进行量子密钥分配时，量子态由用户1发出，经量子网络路由器端口 1到端 口 2，最后到达用户2 ；用户2和用户3之间进行量子密钥分配时，量子态由用户2发出，经 量子网络路由器端口 2到端口 3，最后到达用户3 ；用户3和用户1之间进行量子密钥分配 时，量子态由用户3发出，经量子网络路由器端口 3到端口 1，最后到达用户1。最终完成全 部用户的量子密钥分配。图3、图4和图5是由偏振分束器和2波长波分复用/解复用器组成4端口量子网 络路由器的方案。其中偏振和波长分别可以提供二个自由度，一共可组成四个自由度。而 支持4用户网络仅需要三个自由度即可。图3是应用于4端口量子网络路由器的、由一个2 波长波分复用/解复用器和一个偏振分束器组成的单个端口的示意图，其中三个自由度分 别是波长λ 1水平偏振、波长λ 1竖直偏振和波长λ 2，该端口利用上述三个自由度可以向 路由器的其它三个端口进行寻址。3-1示出了 2波长波分复用/解复用器的单体结构，可推 广至N波长。3-2示出了偏振分束器的单体结构，其中“<·ν，表示水平偏振，“β ”表示竖直 偏振。图4是应用于4端口量子网络路由器的、由一个偏振分束器和两个2波长波分复用/ 解复用器组成的单个端口示意图，图示结构有波长λ 1水平偏振、波长λ 1竖直偏振、波长 λ 2水平偏振和波长λ 2竖直偏振四个自由度，对于4端口量子网络路由器来说，从当前端 口向其它三个端口寻址只需取其中三个自由度即可，例如可以取前三个自由度。图5示出 了采用如图3、4所示的端口结构时量子网络路由器各端口的连接方法每个端口利用3个 不同的自由度连接至另外3个端口。其中，线型5-1代表波长λ 1水平偏振，线型5-2代表 波长λ 1竖直偏振，线型5-3代表波长λ 2或波长λ 2水平偏振。量子态以波长λ 1水平 偏振为路由地址，通过量子网络路由器的端口 1和端口 4将用户1和用户4连接起来，通过 量子网络路由器的端口 2和端口 3将用户2和用户3连接起来；S卩，端口 1和端口 4分别以 波长λ 1水平偏振彼此寻址，而端口 2和端口 3也分别以波长λ 1水平偏振彼此寻址。量 子态以波长λ 1竖直偏振为路由地址，通过量子网络路由器的端口 1和端口 3将用户1和 用户3连接起来，通过量子网络路由器的端口 2和端口 4将用户2和用户4连接起来。量 子态以波长λ 2(图3结构)或者波长λ 2水平偏振(图4结构)为路由地址，通过量子网 络路由器的端口 1和端口 2将用户1和用户2连接起来，通过量子网络路由器的端口 3和 端口 4将用户3和用户4连接起来。其原理同端口 1、4，及2、3的连接。
图6、图7、图8、图9和图10是由光环行器与偏振分束器或者光环行器与2波长波 分复用/解复用器组成5端口量子网络路由器的方案。图6-9示出了 5端口量子网络路由 器中的单个端口的内部结构。由于光环行器的加入，只需要光的两个偏振态或者两个波长 即可支持5用户网络。图6是由一个光环行器和两个偏振分束器组成的单个端口示意图。 图7是由两个光环行器和一个偏振分束器组成的单个端口示意图。图8是由一个光环行器 和两个2波长波分复用/解复用器组成的单个端口示意图。图9是由两个光环行器和一个 2波长波分复用/解复用器组成的单个端口示意图。图10示出了采用如图6-9所示的端口 结构时量子网络路由器各端口的连接方法其中线型10-1代表波长λ 1或水平偏振，线型 10-2代表λ 2或竖直偏振。用户1和用户2之间进行量子密钥分配时，量子态由用户1发 出，以波长λ 1(图8、图9结构)或者水平偏振(图6、图7结构)为路由地址经量子网络 路由器端口 1到端口 2，最后到达用户2 ；用户1和用户3之间进行量子密钥分配时，量子态 由用户1发出，以波长λ 2(图8、图9结构)或者竖直偏振(图6、图7结构)为路由地址 经量子网络路由器端口 1到端口 3，最后到达用户3 ；用户1和用户4之间进行量子密钥分 配时，量子态由用户4发出，以波长λ 2(图8、图9结构)或者竖直偏振(图6、图7结构) 为路由地址经量子网络路由器端口 4到端口 1，最后到达用户1 ；用户1和用户5之间进行 量子密钥分配时，量子态由用户5发出，以波长λ 1(图8、图9结构)或者水平偏振(图6、 图7结构)为路由地址经量子网络路由器端口 5到端口 1，最后到达用户1。用户2、用户 3、用户4和用户5之间进行量子密钥分配可依此类推。图11和图12是由光环行器与N波长波分复用/解复用器组成2Ν+1端口量子网 络路由器的方案。环行器的加入，使得N个波长即可支持2Ν+1用户量子保密通信网络。图 11是由一个环行器和两个N波长波分复用/解复用器组成的单个端口示意图。图12是由 N个环行器和一个N波长波分复用/解复用器组成的单个端口示意图。2Ν+1端口量子网络 路由器各端口之间的连接与图10类似。图13和图14是由偏振分束器与N波长波分复用器组成2Ν端口量子网络路由器 的方案。偏振和波长总的自由度为2Ν，最高可支持2Ν个用户的量子保密通信网络。图13 是由一个N波长波分复用器和N-I个偏振分束器组成的单个端口示意图，由于支持2Ν用户 量子保密通信网络，需要2Ν-1个自由度即可，因此只用了 N-I个偏振分束器。图14是由一 个偏振分束器和两个N波长波分复用器组成的单个端口示意图，由于支持2Ν用户量子保密 通信网络，需要2Ν-1个自由度即可，因此实际组网时舍弃一个自由度不用即可。2Ν端口量 子网络路由器各端口之间的连接与图5类似。图15、图16、图17、图18、图19和图20是由光环行器、偏振分束器和N波长波分 复用器组成4Ν+1端口量子网络路由器的方案。偏振分束器和N波长波分复用器总的自由 度是2Ν，由于光环行器的加入，使得该量子网络路由器可以支持4Ν+1个用户。图15是由一 个光环行器、两个N波长波分复用/解复用器和2Ν个偏振分束器组成的单个端口示意图。 图16是由一个光环行器、两个偏振分束器和四个N波长波分复用/解复用器组成的单个端 口示意图。图17是由一个N波长波分复用/解复用器、N个光环行器、2Ν个偏振分束器组 成的单个端口示意图。图18是由一个N波长波分复用/解复用器、N个偏振分束器和2Ν个 光环行器组成的单个端口示意图。图19是由一个偏振分束器、两个光环行器和四个N波长 波分复用/解复用器组成的单个端口示意图。图20是由一个偏振分束器、两个N波长波分复用器/解复用、2N个光环行器组成的单个端口示意图。图21以光环行器、偏振分束器和2波长波分复用/解复用器组成的9端口量子网 络路由器为例，展示了 4N+1端口量子网络路由器各端口之间如何进行连接。两波长和两偏 振共组成波长λ 1水平偏振、波长λ 1竖直偏振、波长λ 2水平偏振和波长λ 2竖直偏振四 个自由度，由于光环行器的加入，可支持9用户量子通信网络。该路由器单个端口可采用如 图15、图16、图17、图18、图19和图20所示的任意一种内部结构，其中N= 2，共有6种可 能的结构。9个端口可以采用相同或者不同的内部结构，只需将光信号各个自由度分开即 可。其中线型21-1代表波长λ 1水平偏振，线型21-2代表波长λ 1竖直偏振，线型21-3 代表波长λ 2水平偏振，线型21-4代表波长λ 2竖直偏振。用户1和用户2之间进行量子 密钥分配时，量子态由用户1发出，以波长λ 1水平偏振为路由地址，经量子网络路由器端 口 1到端口 2，最后到达用户2 ；用户1和用户3之间进行量子密钥分配时，量子态由用户1 发出，以波长λ 1竖直偏振为路由地址，经量子网络路由器端口 1到端口 3，最后到达用户 3 ；用户1和用户4之间进行量子密钥分配时，量子态由用户1发出，以波长λ 2水平偏振为 路由地址，经量子网络路由器端口 1到端口 4，最后到达用户4 ；用户1和用户5之间进行量 子密钥分配时，量子态由用户1发出，以波长λ 2竖直偏振为路由地址，经量子网络路由器 端口 1到端口 5，最后到达用户5 ；用户1和用户6之间进行量子密钥分配时，量子态由用户 6发出，以波长λ 2竖直偏振为路由地址，经量子网络路由器端口 6到端口 1，最后到达用户 1 ；用户1和用户7之间进行量子密钥分配时，量子态由用户7发出，以波长λ 2水平偏振为 路由地址，经量子网络路由器端口 7到端口 1，最后到达用户1 ；用户1和用户8之间进行量 子密钥分配时，量子态由用户8发出，以波长λ 1竖直偏振为路由地址，经量子网络路由器 端口 8到端口 1，最后到达用户1 ；用户1和用户9之间进行量子密钥分配时，量子态由用户 9发出，以波长λ 1水平偏振为路由地址，经量子网络路由器端口 9到端口 1，最后到达用户 1、用户2、用户3、用户4、用户5、用户6、用户7、用户8和用户9之间进行量子密钥分配可 依此类推。上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式 的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用 于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种扩展量子保密通信网络的方法，其特征在于通过引入光的传输方向，来增加光信号的自由度，从而扩展量子保密通信网络的容量。
2.根据权利要求1所述的扩展量子保密通信网络的方法，可以通过引入光环行器来引 入光的传输方向这一自由度，将原来的波长自由度N扩大至2N，可支持2N+1个用户。
3.根据权利要求2所述的扩展量子保密通信网络的方法，通过引入偏振分束器来引入 光的偏振方向这一自由度，与光环行器相组合使得原来的波长自由度N扩大至4N，可支持 4N+1个用户。
4.一种扩展量子保密通信网络的方法，其特征在于在原有的波长自由度基础上，通 过引入光的偏振方向来进一步增加自由度，从而扩展量子保密通信网络的容量。
5.根据权利要求4所述的扩展量子保密通信网络的方法，可以通过引入偏振分束器来 引入光的偏振方向这一自由度，将原来的波长自由度N扩大至2N，可支持2N个用户。
6.一种用于实现权利要求1-5之一所述方法的量子网络路由器，其特征在于 包括N个端口；每个端口均包括一个与对应用户相连的外接口，以及N-1个内部接口 ； 每个端口的每个内部接口均分别与其余N-1个端口的对应内部接口相连接； 每个端口的内部结构包含以下光学元件或光学元件组合中的一种 光环行器，光环行器与波分复用/解复用器的组合， 偏振分束器与波分复用/解复用器的组合， 光环行器与偏振分束器的组合， 光环行器、偏振分束器、波分复用/解复用器的组合。
7.根据权利要求6所述的量子网络路由器，所述端口的内部结构中所包含的光学元件 种类数与端口内部光学元件的连接级数相同，由外至内，按数量从少到多将不同种光学元 件分级排列并连接。
8.根据权利要求6所述的量子网络路由器，每个端口的外接口与对应用户的外接口相 连接。
9.根据权利要求6所述的量子网络路由器，其中如果所述端口的内部结构中包含了光 环形器，加入光环行器之前的光信号自由度为K= (N-l)/2，则端口之间的连接方式为将 N个端口顺时针均勻排列成一个圆圈，以任意一个端口作为第一个端口，将该端口和圆圈圆 心的连线称为对称轴，如此，则K个端口分布在该对称轴的一侧，定义为左侧，另外K个端口 分布在该对称轴的另一侧，定义为右侧；将所述第一个端口与其左侧的K个端口按远近不 同顺次用前述K个自由度连接，且这K个连接均标记为该端口的输入，其余N-1个端口与其 他端口连接时均采用与第一个端口相同的连接方法和次序即可。
10.根据权利要求6所述的量子网络路由器，其中如果所述端口的内部结构中包含了 光环形器，加入光环行器之前光信号自由度为K= (N-l)/2，则端口之间的连接方式为将N 个端口排成一圈，存在K个Hamilton回路，将所述K个自由度分别分配给K个Hamilton回 路，画出第一个Hamilton回路，将任意端口看作第一个端口作为起点，按照所走回路方向 依次标出每个端口两条边入和出的方向，即输入和输出自由度，然后画出第二个Hamilton 回路，再次以第一个端口为起点，按照所走回路方向依次标出每个端口在该回路中两条边入和出的方向，依此类推直至第K个Hamilton回路即可，所述Hamilton回路由各端口内部 接口之间的光学连接组成。
11.根据权利要求6所述的量子网络路由器，其中如果所述端口的内部结构为偏振分 束器和波分复用/解复用器的组合，加入偏振分束器之前光信号的波长自由度为M = N/2, 则端口之间的连接方式为每个端口利用2M-1个不同的自由度连接至另外2M-1个端口。
12.根据权利要求6所述的量子网络路由器，其中N= 3，每个端口的内部结构包含一 个光环行器。
13.根据权利要求11所述的量子网络路由器，其中N= 4，每个端口的内部结构包含一 个偏振分束器和两个2波长波分复用/解复用器，或者一个偏振分束器和一个2波长波分复用/解复用器。
14.根据权利要求9或10所述的量子网络路由器，其中N= 5，每个端口的内部结构包 含一个光环行器和两个偏振分束器，或者两个光环行器和一个偏振分束器，或者一个光环 行器和两个2波长波分复用/解复用器，或者两个光环行器和一个2波长波分复用/解复用器。
15.根据权利要求9或10所述的量子网络路由器，其中N= 2K+1 (K彡3)，每个端口的 内部结构包含一个环行器和两个K波长波分复用/解复用器，或者K个环行器和一个K波 长波分复用/解复用器。
16.根据权利要求10所述的量子网络路由器，其中N= 2K(K彡3)，每个端口的内部结 构包含一个偏振分束器和两个K波长波分复用器，或者一个K波长波分复用器和K-1个偏 振分束器。
17.根据权利要求9或10所述的量子网络路由器，其中N= 4K+1 (K彡2)，每个端口的 内部结构包含一个光环行器、两个K波长波分复用/解复用器和2K个偏振分束器，或者一 个光环行器、两个偏振分束器和四个K波长波分复用/解复用器，或者一个K波长波分复用 /解复用器、K个光环行器、2K个偏振分束器，或者一个K波长波分复用/解复用器、K个偏 振分束器和2K个光环行器，或者一个偏振分束器、两个光环行器和四个K波长波分复用/ 解复用器，或者一个偏振分束器、两个K波长波分复用器/解复用器、2K个光环行器。
全文摘要
本发明涉及一种扩展量子保密通信网络的方法及一种新型的全时全通量子网络路由器，其特征在于结合量子密钥分配的特点，通过引入光环行器和偏振分束器增加光信号的自由度，增强了量子保密通信网络的可扩展性，降低了其对光波长资源的消耗。对于N个光波长资源的量子保密通信网络，最高可支持4N+1个网络用户。该量子网络路由器的每个端口有一个外部接口和若干个内部接口，分别用于和量子保密通信网络用户相连接、以及内部端口之间的连接。以本发明的量子网络路由器为核心，可以有效构建需要全时全通的骨干量子保密通信网络。
文档编号H04J14/02GK101931488SQ20091018517
公开日2010年12月29日 申请日期2009年9月30日 优先权日2009年9月30日
发明者王双, 赵义博, 郭光灿, 韩正甫 申请人:中国科学技术大学