本实用新型涉及量子信息技术以及量子经典光纤通信融合领域，更具体地，涉及一种基于Sagnac环的QKD城域网络系统。
背景技术：
量子信息是量子力学与经典信息理论的紧密结合而形成的新兴交叉学科，是当前物理学领域的研究热点，而量子通信又是量子信息领域研究热点。量子通信是指利用量子力学的基本原理或特性进行通信，其信息的载体是微观粒子，量子测不准定理和不可克隆定理等保证了量子保密通信理论上的无条件安全。
在量子通信技术中，点对点的两方量子密钥分发技术已经趋于成熟，随着信息化的发展，越来越多的复杂光纤网络被建立并投入运行。城域网(MAN)是在一个城市范围内所建立的计算机通信网，MAN采用具有有源交换器件的局域网技术，网中具有传输时延较小的优点。MAN的一个重要用途是用作骨干网，通过MAN将位于同一城市内不同地点的主机、数据库、以及局域网等相互连接起来。QKD未来面临的一个重要的实际问题是实现量子网络化应用，需要基于一对一的通信方式发展成一对N，N对一，甚至N对N的量子密钥分发网络，以实现量子城域网的覆盖、量子广域网的建立。
量子密钥分发(QKD)网络拓扑结构主要采用两种技术：一种是基于光学节点的QKD网络，光学节点可以是分光器，光开关、波分复用器或者其他光学无源器件；另一种是基于可信中继的QKD网络，其难点在于保持中继的可靠性；而基于光学节点的QKD网络无需必须保证光学节点的绝对可靠性。基于光学节点的QKD网络拓扑结构主要有4种方式：无源星形网络、基于sagnac干涉仪的光环网络、波长路由网络、波分复用总线网络。无源星形网络利用分光器实现量子密钥分发网络实施起来简单容易且安全性好，但也存在一个明显的缺陷，就是网络的可扩展性差，随着网络用户数的增加密钥生成率和传输距离会严重降低(覆盖范围小)。借鉴于经典光通信技术，早期的采用波分复用技术的量子密钥分发网络中，用户通过波长寻址来进行QKD。这种方案同一时刻激光器产生的脉冲仍然为单一波长脉冲，只能服务于单一用户，这造成了多用户不能同时工作的困境，实质上还是一对一。
前面所述两种方案都很大程度上限制了用户数增加，用户扩展又导致产生密钥生成率降低等问题。后来虽然增加了网络用户数，但只是局部的，没能形成一定的区域覆盖，同时由于Bob用户端到骨干节点的专用光纤过长导致通信成本增加，这不利于网络的拓展；因此解决区域覆盖小、传输距离小和提高用户密钥生成率等问题是本发明的主要特点。
技术实现要素：
本实用新型提供一种结构简单、使用方便、密钥生成率高、传输稳定且能实现网络重构的基于Sagnac环的QKD城域网络系统。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种基于Sagnac环的QKD城域网络系统，包括Alice控制端、Sagnac环、作为骨干节点的可重配置的光分插复用器ROADM、包含n个Bob用户端的接入网，其中：
Alice控制端包括多波长脉冲激光产生装置、波长选择开关、环形器、单光子探测器组、耦合器、相位调制器PMA；多波长脉冲产生装置输出的脉冲组经过环形器后，通过耦合器注入到Sagnac环中，单光子探测器组通过环形器接耦合器的输入端；
所述可重配置的光分插复用器ROADM作为骨干节点，可重配置性指的是快速选择用于插入和分下的所需波长的能力，并且允许根据网络的需要动态地建立和取消光学通道；
所述Sagnac环由m个骨干节点串联组成环状结构；
所述包含n个Bob用户端的接入网包括一个阵列波导光栅AWG和n个Bob用户端，其中Bob用户端依次包括可调光衰减器、脉冲延时装置、相位调制器PMB以及反射装置。
进一步地，所述多波长脉冲产生装置包括相互连接的单光源多波长脉冲激光器和波长选择器。
进一步地，多波长脉冲产生装置产生多波长脉冲，所述多波长脉冲经过所述耦合器以50:50的比例分成两束光，分别进入到所述Sagnac环脉冲传输线路的顺时针I1链路和逆时针I2链路，均从所述耦合器干涉并输出，输出的光脉冲经所述耦合器传输到所述单光子探测器组。
进一步地，所述单光子探测器组包括第一多波长单光子探测器组和第二多波长单光子探测器组，所述第一多波长单光子探测器组通过第一解复用器连接环形器与所述耦合器上输入端连接，所述第二多波长单光子探测器组通过第二解复用器与所述耦合器下输入端相连。
进一步地，所述光分插复用器ROADM安装在Sagnac环上的任意位置，可动态地安插、取下，同时最大限度地利用公共光纤，减少专用光纤，从而扩大通信范围，减小通信成本。
进一步地，所述包含n个Bob用户端的接入网数量与骨干节点数量相同，接入网向上通过可重配置的光分插复用器ROADM接入骨干环，向下通过阵列波导光栅AWG将n个Bob用户端接入网络，实现城域覆盖。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
1)采用可重配置的光分插复用器(ROADM)作为骨干环节点能动态、灵活地分下/插入波长到含有n个Bob用户端的m个接入网，接入网连同骨干环一起组成了QKD城域网络系统，实现了用户数的增加和覆盖区域的扩大，具有良好的网络拓展性；
2)利用Sagnac光路效应进行量子密钥分发，顺逆时针环路传输光程差为零，可以自动补偿信号在传输过程中引入的相位波动、偏振漂移补偿，系统更加稳定；
3)采用可重配置的光分插复用器(ROADM)作为骨干节点使得接入网的接入更加的方便，最大化利用公共光纤，减少专用光纤，从而减小了专用光纤的成本，有利于远距离传输，形成城域网覆盖；
4)采用环路骨干网，节点故障不影响全网营运，具备无缝升级扩容功能，本系统整体方案简单，操作容易，具有较高可实施性。
附图说明
图1是本实用新型基于Sagnac环的QKD城域网络系统的整体结构框图；
图2是本实用新型基于Sagnac环的QKD城域网络系统中可重配置的光分插复用器结构示意图；
图3是本实用新型基于Sagnac环的QKD城域网络系统接入网Bobmn的结构示意图；
图4是本实用新型基于Sagnac环的QKD城域网络系统接入网中Bobm用户端结构示意图；
图5是本实用新型基于Sagnac环的QKD城域网络系统的具体结构示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1-5所示，一种基于Sagnac环的QKD城域网络系统，包括Alice控制端、Sagnac环、作为骨干节点的可重配置的光分插复用器ROADM、包含n个Bob用户端的接入网，其中：
Alice控制端包括多波长脉冲激光产生装置、波长选择开关、环形器、单光子探测器组、耦合器、相位调制器PMA；多波长脉冲产生装置输出的脉冲组经过环形器后，通过耦合器注入到Sagnac环中，单光子探测器组通过环形器接耦合器的输入端；
所述光分插复用器ROADM作为骨干节点，可重配置性指的是快速选择用于插入和分下的所需波长的能力，并且允许根据网络的需要动态地建立和取消光学通道；
所述Sagnac环由m个骨干节点串联组成环状结构；
所述包含n个Bob用户端的接入网包括一个阵列波导光栅AWG和n个Bob用户端，其中Bob用户端依次包括可调光衰减器、脉冲延时装置、相位调制器PMB以及反射装置。
进一步地，所述多波长脉冲产生装置包括相互连接的单光源多波长脉冲激光器和波长选择器。
进一步地，多波长脉冲产生装置产生多波长脉冲，所述多波长脉冲经过所述耦合器以50:50的比例分成两束光，分别进入到所述Sagnac环脉冲传输线路的顺时针I1链路和逆时针I2链路，均从所述耦合器干涉并输出，输出的光脉冲经所述耦合器传输到所述单光子探测器组。
进一步地，所述单光子探测器组包括第一多波长单光子探测器组和第二多波长单光子探测器组，所述第一多波长单光子探测器组通过第一解复用器(DEMUX-1)连接环形器与所述耦合器上输入端连接，所述第二多波长单光子探测器组通过第二解复用器(DEMUX-1)与所述耦合器下输入端相连。
进一步地，所述光分插复用器ROADM安装在Sagnac环上的任意位置，可动态地安插、取下，同时最大限度地利用公共光纤，减少专用光纤，从而扩大通信范围，减小通信成本。
进一步地，所述包含n个Bob用户端的接入网数量与骨干节点数量相同，接入网向上通过可重构光分插复用器ROADM接入骨干环，向下通过阵列波导光栅AWG将n个Bob用户端接入网络，实现城域覆盖。
图5中，Alice作为脉冲信号的发射方，拥有一个多波长激光器，能够产生满足n个Bob用户同时通信所使用的不同波长的脉冲信号。每个Bob用户可以分配到某一波长的信号。所述脉冲信号经过光纤传输到所述波长选择器102，波长选择器102按照波长规划和周期规划进行波长选择，经过选择后的脉冲信号经过所述环形器103进入到所述耦合器104中。所述环形器103的作用是保证多波长脉冲信号单一方向流向耦合器104，而不会流向所述单光子探测器组。脉冲进入所述耦合器104后，被以50:50的比例分成所述Sagnac环状光纤传输链路的顺时针I1链路和逆时针方向的I2链路中。I1链路中的脉冲和I2链路中的脉冲沿相反方向传播，经过相同的路径长度后，在所述耦合器104处合并发生干涉。
I1链路：所述I1链路中的脉冲依次经过所述109-Alice端相位调制器后被调制产生相位φA，然后经过公共光纤-110、111，再进入202-可重配置的光分插复用器，此时可重配置的光分插复用器分下与对应接入网的波长段，然后进入302-专用光纤，通过接入网中304-阵列波导光栅后进入401-Bob端的501-可变光衰减器的作用下衰减到每脉冲光子数为μ＝0.1，接着通过502-脉冲延时装置，然后顺序通过503-Bob端相位调制器、504-反光镜，光脉冲在反光镜处被反射后，然后反方向依次经过503-Bob端相位调制器，502-脉冲延时装置，501-可变光衰减器，302-专用光纤，202-可重配置的光分插复用器，接着脉冲顺时针沿着112-公共光纤，112、113公共光纤回到104-耦合器处。
I2链路：光脉冲通过104-耦合器后进入逆时针I2链路，接着逆时针经过113、112公共光纤后进入202-可重配置的光分插复用器，此时可重配置的光分插复用器分下与之对应接入网的波长段，然后进入302-专用光纤，通过接入网中304-阵列波导光栅，再经过Bob端中501可变光衰减器的作用下衰减到每脉冲光子数为μ＝0.1，接着通过502-脉冲延时装置，然后通过503-Bob端相位调制器被调制产生相位φB，接着通过504-反光镜，光脉冲在反光镜处被反射后，然后反方向依次经过503-Bob端相位调制器，502-脉冲延时装置，501-可变光衰减器，302-专用光纤，202-可重配置的光分插复用器，接着脉冲逆时针沿着111、110-公共光纤，109-Alice相位调制器后回到104-耦合器处。
进一步说明所述Alice端相位调制器只在顺时针I1方向来的脉冲期间工作，而各个Bob用户端的相位调制器只调制逆时针I2来的脉冲。
所述第一多波长单光子探测器组(105、106)和第二多波长单光子探测器组(107、108)用于记录光子探测事件。根据Alice控制端和各Bob用户加载的相位信息的不同，会出现不同的干涉事件。令Δφ＝φA—φB，当两束光脉冲有π相位差即Δφ＝π时，所述107、108-单光子探测器会响应，并记录光子探测事件；当两束光相位差为零时，所述105、106-单光子探测器响应，并记录光子探测事件。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。