量子密钥分配系统的全光纤通信系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种量子密钥分配系统的全光纤通信系统，包括发射端和接收端，所述发送收端包括发送端FPGA、量子光激光器Laser1、同步光和经典信号复用激光器Laser2、发送端操作系统、发送端量子信号调制系统、发送端波分复用器DWDM；所述接收端包括接收端FPGA、单光子探测器SPD、同步光探测器、接收端量子信号解调系统、接收端波分复用器DWDM、接收端操作系统。本实用新型采用分时复用的方式将三种信号放在一根光纤中传输，去除了网线连接，并且用同步光激光器分时复用来发送密钥协商信号和同步数据，使QKD摆脱了对经典以太网通信的依赖，极大地提升了QKD系统的安全性。
【专利说明】量子密钥分配系统的全光纤通信系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种量子密钥分配系统QKD设备间的通信系统，尤其涉及一种量子密钥分配系统的全光纤通信系统。
【背景技术】
[0002]随着QKD商业化的进展，QKD系统的安全性和稳定性越来越受到业界的关注。我们知道量子密钥的安全性是基于物理学的三大基本定律:测量塌缩理论、海森堡不确定原理、量子不可克隆定律。因此量子密钥被认为是绝对安全的，量子密钥的核心价值也就在于其绝对安全性。
[0003]然而实际的QKD设备却存在很大的安全隐患。目前的QKD设备内的核心数据的处理和保存都是在内部的操作系统平台上进行的，发送端和接收端传输的密钥协商信号也是通过该平台上的网口进行的。QKD设备间总共有两种通信方式:一种是用单根光纤来同时传输同步光信号和量子密钥信号，另一种是通过网线传输密钥协商信号。在网线通信中双方需要交互对基信息、纠错信息、量子保密放大相关信息以及相互间的同步信息等，双方根据这些信息进行协商，从而得到共同的密钥。很容易看到QKD内的操作系统平台实际上是QKD设备的总指挥，然而我们知道这种基于通用操作系统的设备是很容易受到病毒攻击的，也就是说一旦该系统通过网线连入互联网，那么QKD的安全性也就荡然无存了。一旦攻击操作系统成功，也就意味着攻击者就可以任意地控制QKD设备，当然，系统内保存的量子密钥信息也将暴露无遗。这种安全性漏洞将是致命的，它将导致QKD设备的商业化道路无法铺展。如图1所示，现有QKD设备间通信的信号包括三种:1、发送端同步激光器发出同步光信号到接收端同步光探测器，双方以此作为同步信号。2、发送端量子光激光器发出量子信号到接收端单光子探测器，双方均在量子信号光信道中对量子光进行调制，该调制信号解调后就是所需的量子密钥原始数据。3、发送端和接收端通过各自内部操作系统上的网络接口实现网络连接，双方的握手信号、数据纠错匹配信号、量子密钥保密放大相关信号等密钥协商信号都是通过网线传输。如图1为传统的QKD数据通信方案。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术方案是针对上述现有技术的不足，提供一种量子密钥分配系统的全光纤通信系统。本量子密钥分配系统的全光纤通信系统能够采用单根光纤通过分时复用的方式来实现量子密钥信号、同步光信号以及密钥协商信号的传输，以达到消除经典网络通信带来的QKD安全性漏洞的目的。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为:一种量子密钥分配系统的全光纤通信系统，包括发射端和接收端，其特征在于:
[0006]所述发送端包括发送端FPGA、量子光激光器Laserl、同步光和经典信号复用激光器Laser2、发送端操作系统、发送端量子信号调制系统、发送端波分复用器DWDM ；
[0007]所述接收端包括接收端FPGA、单光子探测器SPD、同步光探测器、接收端量子信号解调系统、接收端波分复用器DWDM、接收端操作系统；
[0008]量子光激光器Laserl和同步光和经典信号复用激光器Laser2传输的光频率不相同；
[0009]所述量子光激光器Laserl、同步光和经典信号复用激光器Laser2和发送端操作系统分别与发送端FPGA电连接；单光子探测器SPD、同步光探测器和接收端操作系统分别与接收端FPGA电连接；
[0010]量子光激光器Laserl用于发送量子密钥信号给发送端量子信号调制系统；发送端量子信号调制系统将量子信号编码后发送给发送端波分复用器DWDM ;所述同步光和经典信号复用激光器Laser2以分时复用的方式发送同步光信号和密钥协商信号给发送端波分复用器DWDM ;所述发送端波分复用器DWDM将发送端量子信号调制系统发送来的量子光和同步光和经典信号复用激光器Laser2发送来的同步光信号和密钥协商信号加载到一根光纤中并发送给接收端波分复用器DWDM ；
[0011]接收端波分复用器DWDM将接收到的两种波长的光分成两路光，并将一路光发送给接收端量子信号解调系统，解调后再送入单光子探测器，单光子探测器对量子光进行探测后将探测数据发送给接收端FPGA，形成原始量子密钥；同时接收端波分复用器DWDM将另一路光送入同步光探测器，同步光探测器输出同步信号和密钥协商信号给接收端FPGA ;接收端FPGA收到同步信号后，对量子密钥信号做同步。
[0012]作为本发明进一步改进的技术方案，同步光探测器通过控制电路来选择性输出同步信号和密钥协商信号给接收端FPGA。
[0013]作为本发明进一步改进的技术方案，量子光激光器Laserl的传输频率为200MHZ，发射的量子光波长为1550.92nm ;同步光和经典信号复用激光器Laser2发射的光的频率为IMHZ ;接收端FPGA收到同步信号后，将同步信号倍频到200MHZ并用该200MHZ的同步信号来对量子密钥信号做同步。
[0014]下面以QKD传输量子密钥信号的频率为200M为例，来说明本发明的工作过程和原理:
[0015]1、发送端通过1550.12nm的量子光激光器Laserl发送量子密钥信号,其传输频率为200M;另外再用一个1550.92nm用同步光和经典信号复用激光器Laser2以分时复用的方式发送同步光信号和密钥协商信号；然后将两种激光器的光通过波分复用器加载到一根光纤中发送至接收端波分复用器DWDM。尤其重要的是，同步光和经典信号复用激光器Laser2发出的同步光信号并不是和量子光激光器Laserl发出的量子光信号相同频率的，如果依然采用和量子光相同的重复频率，那么就无法实现在同步光脉冲时间间隔内再发送密钥协商信号。本发明将同步光的触发频率设置在1MHZ，也就是说每个同步光脉冲之间的间隔有Ius,在这Ius间隔内完全有充分的时间去传输双方需要的密钥协商信息。
[0016]2、接收端通过接收端波分复用器DWDM将两种波长的光分成两路，一路送入接收端量子信号解调系统，解调后再送入单光子探测器探测，单光子探测器将探测数据发送给接收端FPGA，得到原始量子密钥；另一路则送入同步光探测器，该同步光探测器的输出有两种，一种是同步信号，一种是密钥协商信号；这两种信号是通过控制电路来选择性输出的。对于I MHZ的同步信号而言它是不能直接用于对量子密钥信号进行同步的，接收端的FPGA在收到IMHZ同步信号后需通过内部的PLL模块将IMHZ信号倍频到200MHZ，用该200MHZ信号来对量子密钥信号做同步。密钥协商信号是在QKD每发送完一帧量子信号后才进行一次传输。
[0017]3、发送端和接收端区分同步光信号和密钥协商信号的过程:发送端和接收端只有在确定了双方的通信时序后才有条件来识别和判断当前时刻该发送哪种信号或者接收到的是何种信号，所以QKD在传输密钥之前要先单独发送一帧同步光信号，由于PLL倍频是需要一定时间稳定的，所以该帧同步信号长度必须满足PLL倍频锁定所需的时间。当PLL倍频完成双方就可以通过该同步信号来确定各自的时序关系了。双方必须在事先约定好的传输协议下来确定各自的时序关系和数据传输格式。一旦时序确定，发送端就能以同步光脉冲为参考时间定时地发送密钥协商信号，接收端也同样以同步信号作为参考定时地切换同步探测器电路的输出，即从时间上判断若当前的信号为同步光，那么就同步探测器输出送入同步信号处理电路，若为密钥协商信号，则将同步探测器输出切换到协商数据处理电路。
[0018]本量子密钥分配系统的全光纤通信系统采用分时复用的方式将三种信号放在一根光纤中传输，去除了网线连接，并且用同步光激光器分时复用来发送密钥协商信号和同步数据，使QKD摆脱了对经典以太网通信的依赖，极大地提升了 QKD系统的安全性。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为传统QKD数据通信系统的结构示意图。
[0020]图2为本发明的结构示意图。
[0021]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做进一步说明。
【具体实施方式】
[0022]实施例1
[0023]参见图2，本量子密钥分配系统的全光纤通信系统，包括发射端和接收端，所述发送端包括发送端FPGA、量子光激光器Laserl、同步光和经典信号复用激光器Laser2、发送端操作系统、发送端量子信号调制系统、发送端波分复用器DWDM ;所述接收端包括接收端FPGA、单光子探测器SPD、同步光探测器、接收端量子信号解调系统、接收端波分复用器DWDM、接收端操作系统；量子光激光器Laserl和同步光和经典信号复用激光器Laser2传输的光频率不相同；所述量子光激光器Laser 1、同步光和经典信号复用激光器Laser2和发送端操作系统分别与发送端FPGA电连接；单光子探测器SPD、同步光探测器和接收端操作系统分别与接收端FPGA电连接；量子光激光器Laserl用于发送量子密钥信号给发送端量子信号调制系统；发送端将量子信号编码后发送给发送端波分复用器DWDM ;所述同步光和经典信号复用激光器Laser2以分时复用的方式发送同步光信号和密钥协商信号给发送端波分复用器DWDM ;所述发送端波分复用器DWDM将发送端量子信号调制系统发送来的量子光和同步光和经典信号复用激光器Laser2发送来的同步光信号和密钥协商信号加载到一根光纤中并发送给接收端波分复用器DWDM ;接收端波分复用器DWDM将接收到的两种波长的光分成两路光，并将一路光发送给接收端量子信号解调系统，解调后再送入单光子探测器，单光子探测器对量子光进行探测后将探测数据发送给接收端FPGA，形成原始量子密钥；同时接收端波分复用器DWDM将另一路光送入同步光探测器，同步光探测器输出同步信号和密钥协商信号给接收端FPGA ;接收端FPGA收到同步信号后，对量子密钥信号做同步。同步光探测器通过控制电路来选择性输出同步信号和密钥协商信号给接收端FPGA。量子光激光器Laserl的传输频率为200MHZ，发射的量子光波长为1550.92nm ;同步光和经典信号复用激光器Laser2发射的光的频率为IMHZ ;接收端FPGA收到同步信号后，将同步信号倍频到200MHZ并用该200MHZ的同步信号来对量子密钥信号做同步。量子光和同步光频率不同，在高频量子密钥传输过程中依然采用低频同步光信号，并在接收端利用时钟恢复功能获得高速同步信号，200MHZ是举例说明系统过程。
【权利要求】
1.一种量子密钥分配系统的全光纤通信系统，包括发射端和接收端，其特征在于: 所述发送端包括发送端FPGA、量子光激光器Laserl、同步光和经典信号复用激光器Laser2、发送端操作系统、发送端量子信号调制系统、发送端波分复用器DWDM ； 所述接收端包括接收端FPGA、单光子探测器SPD、同步光探测器、接收端量子信号解调系统、接收端波分复用器DWDM、接收端操作系统； 量子光激光器Laserl和同步光和经典信号复用激光器Laser2传输的光频率不相同；所述量子光激光器Laserl、同步光和经典信号复用激光器Laser2和发送端操作系统分别与发送端FPGA电连接；单光子探测器SPD、同步光探测器和接收端操作系统分别与接收端FPGA电连接； 量子光激光器Laserl用于发送量子密钥信号给发送端量子信号调制系统；发送端量子信号调制系统将量子信号编码后发送给发送端波分复用器DWDM ;所述同步光和经典信号复用激光器Laser2以分时复用的方式发送同步光信号和密钥协商信号给发送端波分复用器DWDM ;所述发送端波分复用器DWDM将发送端量子信号调制系统发送来的量子光和同步光和经典信号复用激光器Laser2发送来的同步光信号和密钥协商信号加载到一根光纤中并发送给接收端波分复用器DWDM ； 接收端波分复用器DWDM将接收到的两种波长的光分成两路光，并将一路光发送给接收端量子信号解调系统，解调后再送入单光子探测器，单光子探测器对量子光进行探测后将探测数据发送给接收端FPGA，形成原始量子密钥；同时接收端波分复用器DWDM将另一路光送入同步光探测器，同步光探测器输出同步信号和密钥协商信号给接收端FPGA ;接收端FPGA收到同步信号后，对量子密钥信号做同步。
2.根据权利要求1所述的量子密钥分配系统的全光纤通信系统，其特征在于:同步光探测器通过控制电路来选择性输出同步信号和密钥协商信号给接收端FPGA。
3.根据权利要求2所述的量子密钥分配系统的全光纤通信系统，其特征在于:量子光激光器Laserl的传输频率为200MHZ，发射的量子光波长为1550.92nm ;同步光和经典信号复用激光器Laser2发射的光的频率为IMHZ ;接收端FPGA收到同步信号后，将同步信号倍频到200MHZ并用该200MHZ的同步信号来对量子密钥信号做同步。
【文档编号】H04J14/02GK203813797SQ201420073229
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年2月20日 优先权日:2014年2月20日
【发明者】郭俊福, 蒋金凤, 韩正甫, 赵义博 申请人:安徽问天量子科技股份有限公司