一种用于量子密钥分配系统中自适应光纤长度的延时补偿方法与流程

本发明属于量子密钥分配技术领域，具体涉及一种用于量子密钥分配系统中自适应光纤长度的延时补偿方法，用于测量并计算同步光和量子光的相对延时，并在发送端加入延时补偿。

背景技术：

量子密钥分配系统中，会使用两种不同波长的光，一种光强较强叫做同步光，用于给接收端单光子探测器开门；另一种是光强衰减到单光子水平的叫做量子光，用来传递量子信息。发送端在发送这两种光时，会根据系统实际运行情况调整两种光的相对延时，使二者相互间隔一段时间，避免同步光对量子光的干扰。其中量子光在发送端会经过一个F-M干涉环，产生两个相关的量子光，光纤上实际传输信号如图1所示。

在理想情况下发送端按照T1、T2、T3时间间隔发送数据，接收端也会接收到相同时间间隔的光子序列。但是，由于同步光和量子光的波长不一致，两种光在光纤中的速度是不一样的。导致同步光会比量子光超前，在量子密钥分配系统中，如果光脉冲重复频率不高且光纤信道长度较短时，同步光和量子光之间的相对位移与光脉冲的周期相比可以忽略不计，但是在超过100MHz重复频率或光纤信道较长的量子密钥分配系统中，两者之间的位移与周期达到同一量级，同步光和量子光距离非常接近甚至交叠，此时量子光会受到较为严重的串扰，造成误码率上升甚至造成系统无法正常工作。因此，如何设计一种补偿量子密钥分配系统中同步光和量子光的相对延时的系统和方法成为本领域亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，设计并开发出一种用于量子密钥分配系统中自适应光纤长度的延时补偿装置和方法，其中，根据不同的光纤信道长度，测量并计算同步光和量子光的相对延时，然后在发送端加入延时补偿，使两者到达接收端时的相对位置与理想情况一致，避免同步光对量子光产生串扰。解决在同一根光纤中不同波长光源传输速度不同造成的延时漂移问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：本发明提供了一种用于量子密钥分配系统中自适应光纤长度的延时补偿方法。根据本发明的实施例，实现该方法的装置包括发送端、接收端以及位于两者之间的单根光纤，所述发送端包括：处理器、定时器、经典光激光器、同步光激光器、量子光激光器、电控衰减器、波分复用器和经典光光探测器，其特征在于,所述方法包括以下步骤：

1) 光纤信道测距：

a)开启发送端和接收端的定时器，

b)所述发送端利用经典光激光器发送一组光数据，在发送数据的同时，对发送端定时器进行采样，记时间为T₁；

c) 接收端接收到这一组数据时，对接收端定时器进行采样，记时间为T₂；

d）接收端对进入信号进行解析、封包，再回传一组数据给发送端，并在发送的同时，对接收端定时器进行采样，记时间为T₃；

e）发送端接收到回传数据时，再次对发送端定时器进行采样，记时间为T₄；

f）根据公式：，计算经典光在信道上的传播时间：

g）根据公式：，计算该单根光纤信道的长度L，其中，C为光在真空的光速；

2)延时计算及补偿：

h）根据色散系数公式，计算出1550nm波段范围的色散系数M，其中，所述M₀为-0.095，λ₀是零色散波长，光纤中λ₀为1300nm；

i）根据公式，计算同步光和量子光在该光纤中的传播时间的差值，其中所述λ₁为同步光波长，λ₂为量子光波长，

j）将同步光和量子光的传播时间差，加载到同步光的通路，使得同步光与紧随其后的量子光的间距补偿结果为：T1’= T₁+ΔT，同步光与前一次的量子光的间距补偿结果为：T3’= T₃-ΔT，其中，T1’和T3’分别为补偿后的时间。

根据本发明的实施例，在所述测距之前，还包括经典光握手连接阶段，其中,调节发送端电控衰减器的衰减，使得在发送最小的光功率的条件下，接收端误码率低于10^-6。

根据本发明的实施例，在所述延时计算及补偿之后，还包括测试阶段，通过查看此时系统误码率或测试接收端单光子探测器的暗计数，来测试补偿的效果。

根据本发明的实施例，测试接收端单光子探测器的暗计数时，关掉量子光激光器，仅发送同步光，判断计数是否与单光子探测器的暗计数相同。

根据本发明的实施例，发送端利用经典光激光器发送一组光数据为用于测距请求的以太网包，所述以太网包仅携带标识测距请求类型的信息；所述接收端回传的一组数据为用于应答的测距返回包，该返回包携带标识测距应答类型的信息。

根据本发明的实施例，所述步骤d）的回传数据中包括接收端定时器的两次采样结果T3和T2的差值。

根据本发明的实施例，所述步骤j）中，通过FPGA的触发时钟相移，或通过外部延时芯片的方式，加载到同步光的通路。

根据本发明的实施例，所述处理器为FPGA。

根据本发明的实施例，第一次运行量子密钥分配设备时，先由FPGA进行光纤测距，然后将数据记录在FLASH中，并根据不同光纤长度在发送端调整同步光、量子光的延时，对其进行相位补偿。

本发明的有益效果在于：

1）在量子密钥分配系统中，采用主动补偿的方法解决在同一根光纤中不同波长光源传输速度不同造成的延时漂移问题，降低误码甚至保证系统运行的稳定性。

2）采用由FPGA和定时器组成的测距系统，不仅系统结构简单，而且由于不受操作系统影响，时间精度只受电路上微小延时的影响，测量证明时间精度<100ns，换算成长度，光纤长度测量误差长度在数十米量级内。

附图说明

图1为现有技术中光纤传输光源信号示意图。

图2为本发明单纤系统发射端的结构图。

图3为本发明 FPGA进行光纤测距原理图。

图4为本发明延时补偿示意图。

图5为本发明经典光EVOA扫描过程示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种用于量子密钥分配系统中自适应光纤长度的延时补偿的装置及方法，该装置包括发送端、接收端以及位于两者之间的单根光纤。图2为该单纤系统发射端的结构图，如图2所示，所述发送端包括：处理器、定时器、经典光激光器、同步光激光器、量子光激光器、电控衰减器、波分复用器和经典光光探测器, 所述处理器优选为FPGA。如图所示，经典光、同步光和量子光三种波长的光通过WDM汇聚到同一根干路光纤传播到接收端，同时达到经典光通信和量子通信的目的，三种光的信道长度基本相同，因此可以利用任意一种波段的光对信道长度进行测量，并根据测量结果计算同步光和量子光在该长度的信道中传播后的相对延时。在本发明中，经典光光强调节灵活，数据封包结构完善，故选用收发此波长光源进行测距。

根据本发明的具体实施例，利用上述装置进行补偿的方法包括以下两个主要步骤：

一、 光纤信道测距：

发送端和接收端的经典通信需经过长度为L的光纤信道，测量发送端到接收端的距离L，最简单的方法就是测量光从发送端传输到接收端需要的时间，在量子密钥分配系统中，我们使用的光纤长度一般<90km，所以求出准确的Δt是测距的关键。高精度（ns级或者us级）的时间同步技术如GPS时间同步，不仅需要设备增添新的模块，而且对设备安装的位置也有要求。由于在本发明中，需要的只是相对时间差，所以只是在FPGA添加一个定时器模块进行计数。图3为本发明 FPGA进行光纤测距原理图，如图3所示，具体操作方式如下：

a)开启发送端和接收端的定时器。

b)所述发送端利用经典光激光器发送一组光数据，在发送数据的同时，对发送端定时器进行采样，记时间为T₁，并且可以将该时间暂存到本地。

根据本发明的优选实施例，发送端利用经典光激光器发送一组光数据为用于测距请求的以太网包，所述以太网包仅携带标识测距请求类型的信息。

c) 接收端接收到这一组数据时，对接收端定时器进行采样，记时间为T₂，并且可以将该时间暂存到本地。

d）接收端对进入信号进行解析、封包，再回传一组数据给发送端，并在发送的同时，对接收端定时器进行采样，记时间为T₃。

根据本发明的优选实施例，所述接收端回传的一组数据为用于应答的测距返回包，该返回包携带标识测距应答类型的信息，并且，回传数据中包括接收端定时器的两次采样结果T3和T2的差值。

e）发送端接收到回传数据时，再次对发送端定时器进行采样，记时间为T₄；

f）根据公式：，计算经典光在信道上的传播时间：

g）根据公式：，计算该单根光纤信道的长度L，其中，C为光在真空的光速。

由于采用定时器计算相对时间差，并且整个过程由FPGA控制，不受操作系统影响，时间精度只受电路上微小延时的影响，测量证明时间精度<100ns，换算成长度，光纤长度测量误差长度在数十米量级内。几十米的距离误差在整个系统中是可以忽略不计的。

二、延时计算及补偿：

根据本发明的具体实施例，测距完成后，就可以根据光速计算公式并结合实际测量结果对同步光和量子光的延时进行补偿，从而确定同步光和量子光的延时补偿值ΔT。具体计算方式如下：

h）根据色散系数公式，计算出1550nm波段范围的色散系数M，其中，所述M₀为-0.095,λ₀是零色散波长，光纤中λ₀为1300nm。

i）根据公式，计算同步光和量子光在该光纤中的传播时间的差值，其中所述λ₁为同步光波长，λ₂为量子光波长。

根据本发明的优选实施例，在理想情况下发送端按照T1、T2、T3时间间隔发送数据，接收端也会接收到相同时间间隔的光子序列。但是，其实由于同步光和量子光的波长不一致，两种光在光纤中的速度是不一样的。由色散系数公式：

…………公式1

其中，斜率M₀大约为-0.095ps/(nm²x km),λ₀是零色散波长，式中所有波长的单位都是nm。通常厂家会给出M₀和λ₀的值，光纤中λ₀为1300nm。根据公式1，在1550nm波段范围的色散系数

由此可计算在90km光纤长度中，同步光（λ₁=1550.92nm）和量子光（λ₂=1549.32nm）的传输延时差为：

………公式2

经测量，在90km光纤长度环境下，同步光（λ=1550.92nm）会比量子光（λ=1549.32nm）超前2.5ns,与计算结果基本统一。

j）将同步光和量子光的传播时间差，加载到同步光的通路，使得同步光与紧随其后的量子光的间距补偿结果为：T1’= T₁+ΔT，同步光与前一次的量子光的间距补偿结果为：T3’= T₃-ΔT，其中，T1’和T3’分别为补偿后的时间。根据本发明的优选实施例，通过FPGA的触发时钟相移，或通过外部延时芯片的方式，加载到同步光的通路。

根据本发明的具体实施例，图4为本发明延时补偿示意图，可以通过发送端调整同步光和量子光发送序列的时间间隔达到接收端序列时间间隔均衡。如图4所示，同步光与紧随其后的量子光的间距补偿结果为：T1’=T1+ΔT，同步光与前一次的量子光的间距补偿结果为：T3’=T3-ΔT。

根据本发明的具体实施例，该补偿方法只需在量子密钥分配系统重新组网或改变信道时运行一次，然后将测量结果保存至非易失性器件中（如FLASH），并在上电或复位时将该结果加载到延时补偿功能中。本发明优选的实施例，第一次运行量子密钥分配设备时，先由FPGA进行光纤测距，然后将数据记录在FLASH中，并根据不同光纤长度在发送端调整同步光、量子光的延时，对其进行相位补偿。该方法在单纤量子密钥分配系统中不需要额外的器件和时间开销，不会对成本和设备效率造成影响。

根据本发明的具体实施例，所述光纤信道测距之前还可以包括经典光握手连接阶段，在单纤系统中，经典光的握手过程主要就是调节发送端EVOA的衰减，调节此衰减需满足：在发送最小的光功率的条件下使接收端误码率低于10^-6。图5为本发明经典光EVOA扫描过程示意图，如图所示，EVOA衰减的调节步骤如下：

1a）发送端发送多个数据包。

1b）减小经典光电控衰减器的衰减。

1c）接收端接收经典光数据包，并校验和记数。

1d）判断接收的数据包是否与发送端的相同且无误码。

1e）设定电控衰减器的值。

发送端按照最小光功率发送经典光数据包，接收端将接收到的数据包数量返回给发送端。接收端接收到的数据包数量会随着光强增强而增加，但是经典光光强会对量子光产生影响，所以在发明中，我们会寻找一个平衡点，在保证误码率的情况下使用最小的发送端光功率。经典光EVOA扫描完成后，表示经典光已握手完成，数据链路稳定完善，可以进行测距。

根据本发明的具体实施例，在所述延时计算及补偿之后，还可以包括测试阶段，通过查看此时系统误码率或测试接收端单光子探测器的暗计数，来测试补偿的效果。根据本发明的优选实施例，查看此时系统误码率的方式中，如果在重复频率较高系统中，补偿后误码率会有下降；测试接收端单光子探测器的暗计数的方式中，在测试时关掉量子光激光器，仅发送同步光，补偿前，由于同步光会对量子光产生干扰，此时计数会比单光子探测器的暗计数高；补偿后，计数会大致与暗计数相符。

发明人发现，根据本发明实施例的该方法，根据不同的光纤信道长度，测量并计算同步光和量子光的相对延时，然后在发送端加入延时补偿，使两者到达接收端时的相对位置与理想情况一致。解决了现有的量子密钥分配系统中，没有对同步光和量子光经过远距离光纤传输造成延时的问题，并且采用由FPGA和定时器组成的测距系统，系统结构简单、操作方便，降低误码甚至保证系统运行的稳定性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，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触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。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，或仅仅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，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、 或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个 或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。