一种量子经典融合传输的噪声处理系统

本实用新型涉及量子信息与光通信技术领域，涉及一种量子与经典融合传输系统及噪声处理方法。

背景技术：

量子密钥分发是利用量子力学特性来保证通信安全性。它能够使通信双方产生并分享一个随机且安全的密钥。量子密钥分发的一个最重要也是最独特的性质是：如果有第三方试图窃听，则通信的双方便会察觉。这种性质基于量子力学的基本原理：任何对量子系统的测量都会对系统产生干扰。第三方试图窃听密码，必须用某种方式测量它，而这些测量就会带来可察觉的异常。通过量子叠加态或量子纠缠态来传输消息，通信系统便可以检测是否存在窃听，当窃听概率低于阈值时，就可以产生理论上无条件安全的密钥。

为了避免经典强光信号对单光子水平的量子信号产生干扰，往往把量子信号和经典信号在不同的光纤中传输。这种方式虽然有效的避免了经典光对量子光的干扰，但铺设光纤链路所需的成本大大增加。所以，在光纤通信中，密集波分复用(dwdm，densewavelengthdivisionmultiplexing)：即能够在同一光纤上传输多个光信号，成为同时传输量子信号和经典数据信号的有吸引力的技术之一。

然而，在基于dwdm的量子与经典融合传输的系统中，由于光与介质等的相互作用及不同频率的光之间的相互作用，会在信道中产生一定的背景噪声，如拉曼散射、四波混频、瑞利散射、布里渊散射等。因为经典信号光较强，产生大的噪声不会对经典信号产生较大的影响，因此对经典信号的来说受到的干扰可以忽略不计。但是量子信号较弱，产生的背景噪声会严重影响到量子信号的质量。尤其是四波混频和拉曼散射。有效的减少甚至消除拉曼散射和四波混频是目前需要解决的问题。

四波混频是光纤中不同频率的光波在非线性材料中交会时，有可能产生新频率光波的一种非线性效应。假设信道中三个光波的频率分别为fi、fj、fk(k≠i，j)，则四波混频产生的新频率为fijk＝fi+fj-fk(1)；

由公式(1)可以看出，对于等频率信道间隔的dwdm系统，四波混频产生的新频率分量将与信号频率重叠，尤其是对于量子信号会引入很大的干扰。严重影响qkd的性能。

中国专利公开号cn111245514a公开了一种量子-经典信号共纤传输型qkd系统发射装置，该专利提到消除共纤传输时四波混频噪声对qkd系统影响的方案，该方案是根据四波混频效应，当两束泵浦光的偏振方向相同，且与信号光的偏振垂直时，由四波混频效应新产生的闲频光的强度最小为零。在同步信号发送端和数据信号发送端分别连接偏振调节器，使同步信号和数据信号光在出射时偏振方向旋转90°。但在实际系统中，同步信号光、经典信号光、量子信号光来自于不同的激光器，他们的偏振方向不一定相同。同步信号光、经典信号光经环形器旋转90°后，与量子信号光之间的夹角也不一定是90°，从而降低了实用性。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种结构简单的量子经典融合传输的噪声处理系统，实现准确抑制由经典信号引起的四波混频噪声，并减少拉曼散射和相邻信道的串扰。该方案易于实现，具有实用性强的优点。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种量子经典融合传输的噪声处理系统，具体技术方案如下：

一种量子经典融合传输的噪声处理系统，包括发送方、接收方、数据信号发送端、同步信号发送端、可变衰减器、第一偏振调制单元、第二偏振调制单元、同步信号接收端、数据信号接收端、第一dwdm、第二dwdm、滤波器；所述发送方、第一dwdm、第二dwdm、滤波器和接收方通过光纤依次连接，用于传输量子信号；

所述发送方配置为发送量子信号，该量子信号通过第一dwdm发送至第二dwdm，并经过所述滤波器进行滤波后，发送至接收方；其中，所述滤波器用于减少相邻信道的串扰；

所述数据信号发送端通过可变衰减器、第一偏振调制单元与第一dwdm形成连接，所述经典信号接收端与第二dwdm连接；其中，所述第一偏振调制单元包括相位调制器、偏振分束器和环形器；所述数据信号发送端配置为发送数据信号，该数据信号经过可变衰减器降低发送功率后，经所述偏振调制单元调节数据信号的相位后，由所述第一dwdm将该调节后的数据信号发送至第二dwdm，并由对应连接的数据信号接收端接收。

以上的，所述第一偏振调制单元的环形器具有三个端口，分别为第一端口、第二端口和第三端口；其中，第一端口与可变衰减器连接，第二端口与偏振分束器连接，第三端口与第一dwdn连接；所述偏振分束器与相位调制器连接。

所述同步信号发送端通过第二偏振调制单元与第一dwdm形成连接，所述同步信号接收端与第二dwdm连接；其中，所述第二偏振调制单元包括相位调制器、偏振分束器和环形器；同步信号发送端配置为发送同步信号至第一dwdm后，由第一dwdm将接收到的同步信号发送至第二dwdm，并由对应连接的同步信号接收端接收。

以上的，在所述第二偏振调制单元中，其环形器、偏振分束器与相位调制器的连接结构与第一偏振调制单元相同。

以上的，第一偏振调制单元的环形器与第二偏振调制单元的环形器结构相同。

以上的，所述第二偏振调制单元中的环形器具有三个端口，其第一端口与同步信号发送端连接。

优选的，所述发送方采用非等臂干涉仪mzi结构。

更优选的，发送方包括依次连接的脉冲激光器、强度调制器和两个分束器，其中，两个分束器之间还设置有相位调制器pma。

优选的，所述第一dwdm和第二dwdm的信道间隔采用100g或者200g。

另一优选的，所述接收方采用非等臂干涉仪mzi结构。

优选的，接收方包括两个分束器、相位调制器pmb和两个探测器；其中，所述的两个探测器分别与同一个分束器连接，所述相位调制器设置在两个分束器之间。

优选的，量子信号、数据信号和同步信号在信道中的位置依次为较低波段、较高波段和高波段。

具体的，上述较低波段是指波段范围为1530nm～1540nm、较高波段指波段范围1543nm～1553nm、高波段是指波段范围为1555nm～1565nm。

以上的，数据信号、同步信号经过第二dwdm后分别由数据信号接收端和同步信号接收端接收。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

(1)根据四波混频效应，当两束泵浦光的偏振方向相同，且与信号光的偏振垂直时，由四波混频效应新产生的闲频光的强度最小为零。在本技术方案中，同步信号光和经典信号光(即数据信号)对应泵浦光，量子信号光对应信号光，分别经过相位调制器实时调制。使得同步光、经典数据光的偏振相同，且两者与量子光的偏振垂直；基于此，当三束光经过第一dwdm复用进一根光纤时，四波混频效应

(2)在等间隔分配的信道中传输时，数据信号，同步信号、量子信号分别置于较低波段、中波段、较高波段。可减少相邻信道的串扰，降低拉曼散射噪声对量子信号的影响。

(3)该系统采用双mzi结构。自动补偿量子信号传输过程中的相位波动。

(4)数据信号发送端连接可变衰减器，可降低数据信号的发射功率，减少数据信号对量子信号的干扰及相邻信道的串扰。

(5)量子信号经第二dwdm输出后连接有滤波器，且滤波器为三级滤波。可有效减少相邻信道的串扰。

附图说明

图1为本实用新型提供的量子经典融合传输的噪声处理系统的整体结构框图；

图2为本实用新型提供的量子经典融合传输的噪声处理系统的发送方结构示意；

图3为本实用新型提供的量子经典融合传输的噪声处理系统的接收方结构示意图；

图4为本实用新型提供的量子经典融合传输的噪声处理系统的具体结构示意图；

图5为本实用新型提供的量子经典融合传输的噪声处理系统的信道等间隔分配方法中量子信道、同步信道、数据信道的分配图；

图6为本实用新型提供的量子经典融合传输的噪声处理系统的偏振调制单元图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实施例以基于相位编码的诱骗态+bb84协议为例，描述本实用新型的具体实施方案；图4为本实施例中，信息传递的具体过程。

如图1-5所示，本实施例提供了一种量子经典融合传输的噪声处理系统，其包括发送方、接收方、数据信号发送端、同步信号发送端、可变衰减器、第一偏振调制单元、第二偏振调制单元、同步信号接收端、数据信号接收端、第一dwdm、第二dwdm、滤波器；所述发送方、第一dwdm、第二dwdm、滤波器和接收方通过光纤依次连接，用于传输量子信号；

在本实施例中，所述第一偏振调制单元包括相位调制器pm1、偏振分束器pbs和环形器cir；第二偏振调制单元包括相位调制器pm2、偏振分束器pbs和环形器cir；其中，环形器的作用为：光只能沿图中箭头所示的方向传输，偏振分束器的作用是将输入光子分成水平和垂直两部分。

以数据信号调制为例：数据信号经环形器的第一端口1进入第一偏振调制单元。

调制前：|in>＝α|h>+β|v>(2)

公式(2)表示进入第一偏振调制单元的任意光束。|h>和|v>分别表示水平分量和垂直分量。α、β分别表示水平和垂直分量的比例系数，且|α|²+|β|²＝1。当这一偏振态进入偏振调制单元，水平偏振分量被反射，逆时针传播。经相位调制器pm1时不加载相位，接着被pbs透射出来。而垂直偏振分量经pbs透射，顺时针传播，相位调制器经pm1相位调制然后被pbs反射出来与之前的透射光合束。

经偏振调制单元调制后，调制后的信号光从环形器的第三端口3输出，进入第一dwdm。

调制后：

公式(3)中表示相位调制器pm1的相位。和分别为第一偏振调制单元中对顺时针和逆时针传播的偏振分量引入的相位。因为两个分量分别在极短的时间走完第一偏振调制单元，和的差别是小到可以忽略不记的。用表示第一偏振调制单元中的全局相位，不影响偏振态的输出。因此调制后的输出为：

同步信号调制前：|in>＝α|h>+β|v>(5)

调制后：

这里θ2表示相位调制器pm2的相位，θpath表示第二偏振调制单元中的全局相位，不影响偏振态的输出。

其中θ2均可任意调节；通过实时调节θ2的值，可实现对任意偏振态的调制。从而满足四波混频效应中，同步信号光和数据信号光的偏振始终相同，且与量子信号光的偏振垂直，达到使四波混频效应新产生的闲频光的强度最小为零的目的。

所述发送方配置为发送量子信号，该量子信号通过第一dwdm发送至第二dwdm，并经过所述滤波器进行滤波后，发送至接收方；其中，所述滤波器用于减少相邻信道的串扰；

所述数据信号发送端通过可变衰减器、相位调制器、偏振分束器、环形器与第一dwdm形成连接，所述经典信号接收端与第二dwdm连接；所述数据信号发送端配置为发送数据信号，该数据信号经过可变衰减器降低发送功率后，经所述偏振调制单元调节数据信号的相位后，由所述第一dwdm将该调节后的数据信号发送至第二dwdm，并由对应连接的数据信号接收端接收。

其中，可变衰减器用于降低数据信号发送端的发送功率，进而减少数据信号功率过高引起的功率泄露和相邻信道的串扰。

所述同步信号发送端通过第二偏振调制单元与第一dwdm形成连接，所述同步信号接收端与第二dwdm连接；其中，所述第二偏振调制单元包括相位调制器、偏振分束器和环形器；同步信号发送端配置为发送同步信号至第一dwdm后，由第一dwdm将接收到的同步信号发送至第二dwdm，并由对应连接的同步信号接收端接收。

根据四波混频效应，当两束泵浦光的偏振相同，且与信号光的偏振垂直时，由四波混频效应新产生的闲频光的强度最小为零。同步信号和数据信号发送端的相位调制器、环形器和偏振分束器组成的偏振调制单元可以调节同步信号和数据信号的偏振，使得二者的偏振一致且与量子信号的偏振垂直。这里，同步信号光和数据信号光对应两束泵浦光，量子信号光对应信号光，基于此效应，当三束光经过第一dwdm复用进一根光纤时，四波混频效应会被自动抑制，其产生的闲频光的强度最小为零。可消除四波混频对量子信号的干扰。

在本实施例中，第一、第二dwdm的信道间隔采用等间隔分配。由拉曼光谱图可知，量子信号光在较低波段受到的拉曼散射噪声较小。数据信号的发送功率较同步信号来说较大，为了减少数据信号对量子信号的干扰，将量子信号、同步信号和数据信号分别置于较低波段，中波段、较高波段，如图5所示。量子信号分配于较低波段，减少量子信号受到的拉曼噪声。同步信号置于量子信号和数据信号的中间，使量子信号远离发送功率较大的数据信号。减少数据信号对量子信号的干扰。在信道中总信道数远远大于可用信道数的情况下，可使量子信号进一步远离同步信号，进一步降低量子信号受到的干扰噪声以及相邻信道的串扰。

在本实施例中，发送方采用非等臂干涉仪mzi结构；具体的，发送方包括依次连接的脉冲激光器、强度调制器和两个分束器，分别为bs1和bs2；其中，所述两个分束器bs1和bs2之间还设置有相位调制器pma。

其中，强度调制器用在基于相位编码的诱骗态协议中，通过发送强度不同的信号态和诱骗态到探测方，由于窃听者不能区分信号态和诱骗态，从而提高系统的安全性。分束器bs采用分束比为1：999。

在本实施例中，第一dwdm和第二dwdm的信道间隔采用100g或者200g，采用哪种信道间隔，视具体情况而定。

在本实施例中，发送方采用非等臂干涉仪mzi结构。具体的，接收方包括两个分束器bs1、bs2，相位调制器pmb和两个探测器d0、d1；其中，两个探测器分别与同一个分束器bs2连接，相位调制器pmb设置在两个分束器之间。

在本实施例中，在图1中，同步信号接收端和数据信号接收端分别接收同步信号和数据信号。

如图4所示，本实施例还提供了一种应用于上述量子经典融合传输的噪声处理系统的噪声处理方法，包括以下步骤：

步骤一：量子信号经强度调制器2调制后，进入相位调制器3进行相位调制，同步信号和数据信号从环形器7或12的第一端口1进入环形器，经由第二端口2进入相位调制器9或14调制，从环形器的第三端口3输出；确保同步信号和数据信号偏振相同且与量子信号的偏振垂直。根据四波混频效应，当两束泵浦光的偏振方向相同，且与信号光的偏振垂直时，由四波混频效应新产生的闲频光的强度最小为零。这里，同步信号光和数据信号表示两束泵浦光，量子信号光表示信号光。利用该效应，便可以消除四波混频的影响。

在步骤一中，数据信号传输进入第一dwdm15之前，先经过可变衰减器11减少强数据信号的发送功率，避免因功率过大导致功率的泄露和相邻信道的串扰，同时，减少由强数据信号引起的自发拉曼噪声。

步骤二：在等间隔分配的信道中，量子信号分配在较低波段、同步信号分配在中波段、数据信号分配在较高波段，这种分配方式可以减少强数据信号对量子信号产生的干扰。同时量子信号分配在较低波段可以减少拉曼噪声的影响。

步骤三：经由第二dwdm解复用后的量子信号，首先经过滤波器进行滤波，滤除相邻信道的干扰，再次经过非等臂干涉仪调节量子信号的相位，避免相位波动，最后由探测器d0或d1探测，提高量子信号的密钥率。

步骤四：经由第二dwdm解复用后的数据信号和同步信号，分别由数据信号接收端和同步信号接收端接收。

具体的，在第二dwdm18与接收方之间还设置有滤波器17。滤波器17可进一步减少相邻信道的串扰，减少系统的误码率。本系统中，采用三级滤波器，滤波器之间的连接方式为级联。相比一级滤波器而言，采用三级滤波可极大的提高滤波效率，提高量子信号光的信噪比。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围。