量子密钥分发和无源光接入网融合的方法及装置与流程

本发明涉及光纤传输量子通信技术领域，尤其涉及一种量子密钥分发和无源光接入网融合的方法及装置。

背景技术：

量子通信是量子力学与信息论结合的新兴交叉学科，主要是利用量子纠缠效应进行信息传递。量子通信包括了量子密钥分发、量子安全直接通信、量子身份认证等研究方向，而量子密钥分发是其中的研究重点，也是最先迈向实验演示验证与工程实用化的学科方向。由于量子密钥分发是以量子力学的基本原理为基础，再加上“一次一密”的通信方式，任何受物理规律支配的密码分析者不可能施行在经典密码系统中常采用的攻击方法，以及其他任何攻击方法，从而保证了量子通信能够处于物理水平的无条件安全。量子通信不但在国家安全、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景，而且逐渐走进人们的日常生活。

通信信道按照其传递的信息是经典信息还是量子信息，分为经典信道和量子信道。经典信道用来传递经典信息，每个光脉冲包含数亿个光子。量子信道用来传递量子信息，每个光脉冲是单光子级别。如果在同一根光纤中传输，高功率的经典信道产生的自发拉曼散射噪声会对量子信道造成干扰，使量子信道无法操作，目前实验和试验网都采用了独立的光纤来承载量子信息。

光纤资源并非随处可得，并且价格昂贵。随着政府制定国家宽带发展战略，近几年中国宽带接入网络得到了突飞猛进的发展：大多地方能为用户提供几兆至几十兆的网络带宽，有的发达省市中心城区甚至可达百兆以上。高带宽消耗了更多的光纤资源，很多区域的光纤资源都非常紧张，骨干网中纤芯资源紧缺的问题尤为严重。我国的“六纵六横”全国骨干网中，部分区段已经没有备用光纤，极大的影响了网络的安全性，也成为未来构建量子通信网络的一个障碍。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种量子密钥分发和无源光接入网融合的方法及装置，可以在承载经典信号的光纤上传送量子信号，节约了光纤资源，并以较高的成码率实现互联互通。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种量子密钥分发和无源光接入网融合的方法，包括：

量子密钥分发qkd发送方发送量子信号光，无源光接入网pon的光网络单元onu发送上行经典信号光，pon的光线路终端olt发送下行经典信号光；

量子信号光与下行经典信号光经第一光学器件融合后传输至第二光学器件，由第二光学器件将量子信号光与下行经典信号光分波，分波后的下行经典信号光经过1:n分光器后输入至第三光学器件，分波后的量子信号光直接输入第三光学器件；由第三光学器件将分光后的下行经典信号光与量子信号光融合后传输至第四光学器件；由第四光学器件将量子信号光与下行经典信号光分波；分波后的量子信号光输入至qkd接收方，由qkd接收方利用探测器对输入的量子信号光进行测量，完成量子通信；分波后的下行经典信号光输入至onu，完成下行经典通信；

上行经典信号光依次通过第四光学器件、第三光学器件、分光器、第二光学器件与第一光学器件后输入至olt，完成上行经典通信。

进一步的，所述第一光学器件、第二光学器件、第三光学器件与第四光学器为波分复用器。

一种量子密钥分发和无源光接入网融合的方法，包括：

量子密钥分发qkd发送方发送量子信号光，无源光接入网pon的光网络单元onu发送上行经典信号光，pon的光线路终端olt发送下行经典信号光；

量子信号光与上行经典信号光经第一光学器件融合后传输至第二光学器件，由第二光学器件将量子信号光与上行经典信号光分波，分波后的上行经典信号光经过1:n分光器后输入至第三光学器件，分波后的量子信号光直接输入第三光学器件；由第三光学器件将分光后的上行经典信号光与量子信号光融合后传输至第四光学器件；由第四光学器件将量子信号光与上行经典信号光分波；分波后的量子信号光输入至qkd接收方，由qkd接收方利用探测器对输入的量子信号光进行测量，完成量子通信；分波后的上行经典信号光输入至olt，完成上行经典通信；

下行经典信号光依次通过第四光学器件、第三光学器件、分光器、第二光学器件与第一光学器件后输入至onu，完成下行经典通信。

进一步的，所述第一光学器件、第二光学器件、第三光学器件与第四光学器为波分复用器。

一种量子密钥分发和无源光接入网融合的装置，，包括：

量子密钥分发qkd发送方、无源光接入网pon的光线路终端olt、第一光学器件、第一信道、第二光学器件、1:n分光器、第三光学器件、第二信道、第四光学器件、qkd接收方、pon的光网络单元onu；其中：

qkd发送方与第一光学器件的端口3b相连，olt与第一光学器件的端口3c相连，第一光学器件的端口3a通过第一信道与第二光学器件的端口5a相连；

第二光学器件的端口5c与1:n分光器相连，1:n分光器与第三光学器件的端口7c相连，第二光学器件的端口5b与第三光学器件的端口7b相连；第三光学器件的端口7a通过第二信道与第四光学器件的端口9a相连，第四光学器件的端口9b与qkd接收方相连，第四光学器件的端口9c与onu相连。

进一步的，所述第一光学器件、第二光学器件、第三光学器件与第四光学器为波分复用器。

一种量子密钥分发和无源光接入网融合的装置，包括：

量子密钥分发qkd发送方、无源光接入网pon的光线路终端olt、第一光学器件、第一信道、第二光学器件、1:n分光器、第三光学器件、第二信道、第四光学器件、qkd接收方、pon的光网络单元onu；其中：

qkd发送方与第一光学器件的端口3b相连，onu与第一光学器件的端口3c相连，第一光学器件的端口3a通过第一信道与第二光学器件的端口5a相连；

第二光学器件的端口5c与1:n分光器相连，1:n分光器与第三光学器件的端口7c相连，第二光学器件的端口5b与第三光学器件的端口7b相连；第三光学器件的端口7a通过第二信道与第四光学器件的端口9a相连，第四光学器件的端口9b与qkd接收方相连，第四光学器件的端口9c与olt相连。

进一步的，所述第一光学器件、第二光学器件、第三光学器件与第四光学器为波分复用器。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，量子信号光经过分光点时进行分波和合波，并且绕过分光器，避免了分光器引入的分光损耗，解决了分光比制约传输距离的难题。同时，提高了qkd(量子密钥分发)的信噪比，从而提高了qkd的成码率和其他性能指标。利用wdm(波分复用)技术，在原先承载经典信道的光纤上传送量子信号，节约了光纤资源，为量子通信进一步的实现大规模工程化和实用化奠定了基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种量子密钥分发和无源光接入网融合的方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种量子密钥分发和无源光接入网融合的装置的示意图；

图3为本发明实施例提供的又一种量子密钥分发和无源光接入网融合的装置的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种量子密钥分发和无源光接入网融合的方法。如图1所示，其主要包括如下步骤：

步骤s1、qkd发送方发送量子信号光，pon的光网络单元onu发送上行经典信号光，pon的光线路终端olt发送下行经典信号光。

本发明实施例中，qkd发送方alice发送量子信号光，所述量子信号光包括信号光和同步光，所述信号光具有第一波长λ1的中心波长，所述同步光具有第二波长λ2的中心波长。所述onu发送上行经典信号光具有第三波长λ3的中心波长；所述olt发送下行经典信号光具有第四波长λ4的中心波长。

步骤s2、将量子光与经典光融合，到达分光点后分波，分波后的量子光绕过分光器，分波后的经典光经过分光器分光后再次与量子光融合。

由于现有qkd系统可以承受的链路损耗大约16db，如果采用量子信号光经过分光器的方案，那么分光比达到1:32，分光器引入的分光损耗约15db，再加上光纤的损耗，将因为量子信号光链路损耗过大，qkd系统无法运行，无法通过波分复用入户实现量子密钥分发。本发明实施例中，量子信号光的链路损耗与分光器的分光比无关，从而解决了分光器的分光损耗制约了传输距离的难题。

步骤s3、对经典信号光和量子信号光的合波再次进行分波，使得量子信号光被传输至qkd接收方以用于测量量子态，而下行经典信号光被传输至onu以进行下行经典通信，上行经典信号光被传输至olt以进行上行经典通信。

为了便于理解，下面结合两个具体实施例对图1所述的方案进行详细说明。

实施例一

本发明实施例中，量子密钥分发qkd发送方发送量子信号光，无源光接入网pon的光网络单元onu发送上行经典信号光，pon的光线路终端olt发送下行经典信号光；

量子信号光与下行经典信号光经第一光学器件融合后传输至第二光学器件，由第二光学器件将量子信号光与下行经典信号光分波，分波后的下行经典信号光经过1:n分光器后输入至第三光学器件，分波后的量子信号光直接输入第三光学器件；由第三光学器件将分光后的下行经典信号光与量子信号光融合后传输至第四光学器件；由第四光学器件将量子信号光与下行经典信号光分波；分波后的量子信号光输入至qkd接收方，由qkd接收方利用探测器对输入的量子信号光进行测量，完成量子通信；分波后的下行经典信号光输入至onu，完成下行经典通信；

上行经典信号光依次通过第四光学器件、第三光学器件、分光器、第二光学器件与第一光学器件后输入至olt，完成上行经典通信。

实施例二

本发明实施例中，量子密钥分发qkd发送方发送量子信号光，无源光接入网pon的光网络单元onu发送上行经典信号光，pon的光线路终端olt发送下行经典信号光；

量子信号光与上行经典信号光经第一光学器件融合后传输至第二光学器件，由第二 光学器件将量子信号光与上行经典信号光分波，分波后的上行经典信号光经过1:n分光器后输入至第三光学器件，分波后的量子信号光直接输入第三光学器件；由第三光学器件将分光后的上行经典信号光与量子信号光融合后传输至第四光学器件；由第四光学器件将量子信号光与上行经典信号光分波；分波后的量子信号光输入至qkd接收方，由qkd接收方利用探测器对输入的量子信号光进行测量，完成量子通信；分波后的上行经典信号光输入至olt，完成上行经典通信；

下行经典信号光依次通过第四光学器件、第三光学器件、分光器、第二光学器件与第一光学器件后输入至onu，完成下行经典通信。

上述两个实施例中，所述第一光学器件、第二光学器件、第三光学器件与第四光学器为波分复用器；例如，粗波分复用器(cwmd)、滤片式波分复用器(fwmd)、密集型波分复用器(dwmd)、光栅等。

本发明实施例的上述方案中，量子信号光经过分光点时进行分波和合波，并且绕过分光器，避免了分光器引入的分光损耗，解决了分光比制约传输距离的难题。同时，提高了qkd(量子密钥分发)的信噪比，从而提高了qkd的成码率和其他性能指标。利用wdm(波分复用)技术，在原先承载经典信道的光纤上传送量子信号，节约了光纤资源，为量子通信进一步的实现大规模工程化和实用化奠定了基础。

本发明实施例还提供一种量子密钥分发和无源光接入网融合的装置，用于实现与实施例一及实施例二所述的方法。

实施例三

如图2所示，为本发明实施例提供的一种量子密钥分发和无源光接入网融合的装置，其主要包括：量子密钥分发qkd发送方1、无源光接入网pon的光线路终端olt2、第一光学器件3、第一信道4、第二光学器件5、1:n分光器6、第三光学器件7、第二信道8、第四光学器件9、qkd接收方10、pon的光网络单元onu11。

本发明实施例中的第一光学器件、第二光学器件、第三光学器件与第四光学器为波分复用器；例如，粗波分复用器(cwmd)、滤片式波分复用器(fwmd)、密集型波分复用器(dwmd)、光栅等。

每一所述的光学器件均配置了a、b、c三个端口；如前文所述，所述量子信号光包括信号光和同步光，所述信号光具有第一波长λ1的中心波长，所述同步光具有第二波长λ2 的中心波长。所述onu发送上行经典信号光具有第三波长λ3的中心波长；所述olt发送下行经典信号光具有第四波长λ4的中心波长。

本发明实施例中，根据波长对各个端口的输入输出的信号光进行设定；例如，a端口配置为允许波长为λ1、λ2、λ3、λ4、的信号光通过；b端口配置为允许波长为λ1、λ2的信号光通过；端口c配置为允许波长为λ3、λ4的信号光通过。

本发明实施例中，每一所述的光学器件是可以双向工作的，即a、b、c三个端口都可以允许特定波长的信号光输入与输出。

本发明实施例中，1:n分光器6可以被配置成当光从合束端口输入时，从任意一个分束端口输出光强为合束端口强度1/n的光；当光从任意一个分束端口输入时，从合束端口输出光强为分束端口强度1/n的光。

本发明实施例中，第一信道4与第二信道8可以为光纤。

图2所示装置的结构关系如下：

qkd发送方与第一光学器件的端口3b相连，olt与第一光学器件的端口3c相连，第一光学器件的端口3a通过第一信道与第二光学器件的端口5a相连；

第二光学器件的端口5c与1:n分光器相连，1:n分光器与第三光学器件的端口7c相连，第二光学器件的端口5b与第三光学器件的端口7b相连；第三光学器件的端口7a通过第二信道与第四光学器件的端口9a相连，第四光学器件的端口9b与qkd接收方相连，第四光学器件的端口9c与onu相连。

其工作过程如下：

在进行下行经典通信以及量子通信的过程时，qkd发送方1发送包括中心波长为第一波长λ1的信号光和中心波长为第二波长λ2的同步光的量子信号光，输入到第一光学器件3的端口3b。pon的光线路终端olt2发送中心波长为第四波长λ4的下行经典信号光，输入到第一光学器件3的端口3c。

在第一光学器件3处，第一光学器件3可以对在端口3b处输入的中心波长为第一波长λ1和中心波长为第二波长λ2的光以及在端口3c处输入的中心波长为第四波长λ4的光进行合波，使这三种波长的光在端口3a处合波输出并经第一信道4传输至第二光学器件5。

在第二光学器件5处，第二光学器件5可以将在端口5a处输入的包括中心波长分别为第一波长λ1、第二波长λ2和第四波长λ4的光的合波进行分波，使得中心波长为λ4的下行经典信号光在端口5c处输出至1:n分光器的合束端，经1:n分光器后在其分束端输出一路分 光并将该路分光传输至第三光学器件7的端口7c；同时使得中心波长分别为第一波长λ1和第二波长λ2的量子信号光在端口5b处输出，并传输至第三光学器件7的端口7b。

在第三光学器件7处，第三光学器件7将在端口7b处输入的中心波长为第一波长λ1和中心波长为第二波长λ2的量子信号光与在端口7c处输入的中心波长为第四波长λ4的下行经典信号光进行合波，使这三种波长的光在端口7a处合波输出并经第二信道8传输至第四光学器件9。这样，中心波长为第一波长λ1和第二波长λ2的量子信号光可以避开1:n分光器，从而避免由分光器造成的分光损耗。

在第四光学器件9处，第四光学器件9将在端口9a处输入的包括中心波长分别为第一波长λ1、第二波长λ2和第四波长λ4的信号光的合波进行分波，使得中心波长分别为第一波长λ1和第二波长λ2的量子信号光在端口9b处输出并传输至qkd接收方10，qkd接收方将量子信号光用探测器进行测量，完成量子通信；同时，将中心波长为第四波长λ4的下行经典信号光在端口9c处输出并传输至pon的光网络单元onu11，从而完成下行经典通信。

pon的光网络单元onu11发送中心波长为λ3的上行经典信号光，并传输至第四光学器件9的端口9c。第四光学器件9将在端口9c输入的中心波长为第三波长λ3的上行经典信号光合波，使其在端口9a输出并经第二信道8传输至第三光学器件7的端口7a。在第三光学器件7处，第三光学器件7将中心波长为第三波长λ3的上行经典信号光进行分波，使其在端口7c输出并传输至1:n分光器6的一个分束端。中心波长为第三波长λ3的上行经典信号光经分光器6的合束端输出并传输至第二光学器件5的端口5c，第二光学器件5对中心波长为第三波长λ3的上行经典信号光合波，使其在端口5a处输出并经第一信道4传输至第一光学器件3的端口3a。第一光学器件3可以对在端口3a处输入的中心波长为第三波长λ3的上行经典信号光进行分波，使其在端口3c处输出以传输至pon的光线路终端olt2，从而完成上行经典通信。

实施例四

如图3所示，为本发明实施例提供的另一种量子密钥分发和无源光接入网融合的装置。

该装置的原理与图2所示装置的原理类似，二者的区别在于对调了olt2与onu11的位置，并同时将分束器6的合束端与分束端对调，即保持olt2与分束器6的合束端在同 一侧，onu11与分束器6的分束端在同一侧。

图3所示装置的结构关系如下：

qkd发送方与第一光学器件的端口3b相连，onu与第一光学器件的端口3c相连，第一光学器件的端口3a通过第一信道与第二光学器件的端口5a相连；

第二光学器件的端口5c与1:n分光器相连，1:n分光器与第三光学器件的端口7c相连，第二光学器件的端口5b与第三光学器件的端口7b相连；第三光学器件的端口7a通过第二信道与第四光学器件的端口9a相连，第四光学器件的端口9b与qkd接收方相连，第四光学器件的端口9c与olt相连。

其工作过程如下：

在进行上行经典通信以及量子通信的过程时，qkd发送方1发送包括中心波长为第一波长λ1的信号光和中心波长为第二波长λ2的同步光的量子信号光，输入到第一光学器件3的端口3b。onu11发送中心波长为第三波长λ3的上行经典信号光，输入到第一光学器件3的端口3c。

在第一光学器件3处，第一光学器件3可以对在端口3b处输入的中心波长为第一波长λ1和中心波长为第二波长λ2的光以及在端口3c处输入的中心波长为第三波长λ3的上行经典信号光进行合波，使这三种波长的光在端口3a处合波输出并经第一信道4传输至第二光学器件5。

在第二光学器件5处，第二光学器件5可以将在端口5a处输入的包括中心波长分别为第一波长λ1、第二波长λ2和第三波长λ3的光的合波进行分波，使得中心波长为λ3的上行经典信号光在端口5c处输出至1:n分光器的合束端，经1:n分光器后在其分束端输出一路分光并将该路分光传输至第三光学器件7的端口7c；同时使得中心波长分别为第一波长λ1和第二波长λ2的量子信号光在端口5b处输出，并传输至第三光学器件7的端口7b。

在第三光学器件7处，第三光学器件7将在端口7b处输入的中心波长为第一波长λ1和中心波长为第二波长λ2的量子信号光与在端口7c处输入的中心波长为第三波长λ3的上行经典信号光进行合波，使这三种波长的光在端口7a处合波输出并经第二信道8传输至第四光学器件9。这样，中心波长为第一波长λ1和第二波长λ2的量子信号光可以避开1:n分光器，从而避免由分光器造成的分光损耗。

在第四光学器件9处，第四光学器件9将在端口9a处输入的包括中心波长分别为第一波长λ1、第二波长λ2和第三波长λ3的信号光的合波进行分波，使得中心波长分别为第一波 长λ1和第二波长λ2的量子信号光在端口9b处输出并传输至qkd接收方10，qkd接收方将量子信号光用探测器进行测量，完成量子通信；同时，将中心波长为第三波长λ3的上行经典信号光在端口9c处输出并传输至pon的光线路终端olt2，从而完成上行经典通信。

pon的光线路终端olt2发送中心波长为λ4的下行经典信号光，并传输至第四光学器件9的端口9c。第四光学器件9将在端口9c输入的中心波长为第四波长λ4的下行经典信号光合波，使其在端口9a输出并经第二信道8传输至第三光学器件7的端口7a。在第三光学器件7处，第三光学器件7将中心波长为第四波长λ4的下行经典信号光进行分波，使其在端口7c输出并传输至1:n分光器6的合束端。中心波长为第四波长λ4的下行经典信号光经分光器6的一个分束端输出并传输至第二光学器件5的端口5c，第二光学器件5对中心波长为第四波长λ4的下行经典信号光合波，使其在端口5a处输出并经第一信道4传输至第一光学器件3的端口3a。第一光学器件3可以对在端口3a处输入的中心波长为第四波长λ4的下行经典信号光进行分波，使其在端口3c处输出以传输至pon的光网络单元onu11，从而完成下行经典通信。

本发明实施例的上述方案中，量子信号光经过分光点时进行分波和合波，并且绕过分光器，避免了分光器引入的分光损耗，解决了分光比制约传输距离的难题。同时，提高了qkd(量子密钥分发)的信噪比，从而提高了qkd的成码率和其他性能指标。利用wdm(波分复用)技术，在原先承载经典信道的光纤上传送量子信号，节约了光纤资源，为量子通信进一步的实现大规模工程化和实用化奠定了基础。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。