一种量子密钥分配与波分复用光接入网融合方法与流程

本专利涉及量子通信领域，尤其涉及与经典光接入网融合的量子密钥分配方案。

背景技术：

最早报道的量子密钥分配网络实验是1997年英国采用分光器实现了发送端和3个接收端的密钥分配。随后不少国家的科研机构都展开了量子密钥分配实验网络研究。但是以弱光脉冲为载体的QKD系统的安全传输距离是有限的，对于长距离广域网来说需要可信任中继或量子中继实现实际网络的搭建，而量子中继技术还不够成熟，可信任中继安全性又不能得到绝对的保障，因此实际的量子密钥分配实验网络通常都优先考虑在接入网上实现。现有的量子接入网大致分为专用的量子接入网结构以及与经典网络融合的量子接入网方案，以下以两种典型方案为例作具体阐述。

在专用的量子接入网结构中为量子密钥分配搭建专用的网络，而未考虑与量子密钥分配协议相关的经典信号。实现量子密钥分配接入网中大量用户点对多点的连接通常使用无源元件如光分路器来实现，由于量子密钥的发送端与接收端可以分别放置于用户端和网络节点端，因此这种单向的量子密钥分配接入网结构通常可分为下行结构与上行结构。在下行的接入网结构中，发送端在网络节点，接收端在用户所在地，中间节点由无源光耦合器实现。由于经过耦合器的光子随机到达接收端，因此每个用户的密钥生成率仅为发送端的1/N。除此之外，这种方案中需要为每个用户配置单光子探测器，极大提高了成本。上行的接入网方案中用户端作为密钥发送端，网络节点作为量子密钥接收端，各发送端采用时分复用的方式分配量子密钥。与下行方案相比，上行方案节省了探测器的成本并且提高了系统的工作效率。除了基于分束器的量子接入网架构外，还有的方案将中间的分束器节点替换为WDM节点，采用波长路由的方式来寻址不同的用户，这种方案的网络用户容量理论上仅受光纤中的低损耗窗口的波长信道数目限制，因此容纳的用户数有所提高，并且扩容和升级方便，但是存在成本较高、器件插入损耗较大等问题。

尽管量子密钥分配网络具有极大的应用潜力，但是为量子密钥重新建网显然是不现实的，因此如何在经典光网络上支持多用户量子密钥分配成为量子通信走向网络化的重要挑战，近年来有不少与经典网络融合的量子接入网方案被提出，并进行了小规模的实验，为量子密钥分配与经典网络融合奠定了基础。将量子密钥分配融合进无源光网络中主要面临的问题为量子信号与经典信号共纤传输时的串扰问题。以单光子为载体的量子信号与经典信号相比功率极低，在与经典信号共纤传输时，经典信号的串扰及光纤非线性效应产生的噪声会极大地影响量子密钥分配系统的性能。针对这一问题，很多研究团队给出了不同的解决方案。东芝研究院提出的方案中采取了时域和频域滤波的方式，即使用门宽很窄(约为100ps)的单光子探测器在时间上滤除随机到达的噪声，并且使用25GHz的窄带滤波器在频域上滤除噪声，通过采用以上的措施实现了每秒超过100个128bit密钥的分发。以上方案中使用的窄带滤波器与时域滤波器对器件性能有极高的要求，导致其成本较高，不利于实际应用。而且量子信号在与经典信号共纤传输时受到的主要干扰噪声源为拉曼散射噪声及四波混频噪声，这两种光纤非线性效应产生的噪声均有极大可能恰好落在量子信道上，因此利用频域滤波器无法将此噪声滤除，仍然会对量子密钥分配系统带来较大的干扰。量子密钥分配在与经典网络融合时的干扰问题成为了量子密钥分配走向网络化、实用化的最大障碍之一，急需尽快得到解决。

技术实现要素：

本专利设计了一种量子密钥分配与经典波分复用光接入网融合方案，该方案在尽可能少的改动经典WDM-PON网络架构的基础上，降低了量子密钥分配系统受到的非线性噪声干扰。其特征在于,在时域采取了时分复用的工作方式，在频域上提出了简化的非等间隔波长分配方案。除此之外为了提高网络波长分配的灵活性，使用WSS(波长选择开关)作为中间节点。提出的方案成本较低、实施简单，极大地提高了量子密钥分配与经典接入网融合的可行性。

针对所述的第一个技术要点，即在时域上采取了时分复用的工作方式，具体说明如下：

通过研究可知在与经典光网络融合的量子密钥分配系统中，对量子信号影响最大的噪声源为反向拉曼散射噪声，针对这一问题，本专利提出了时分复用方案，具体工作方式如下：

为了降低搭建量子密钥分配系统的成本，通常将量子信号安排为上行方向，即量子密钥发送端在ONU(光网络单元)侧与用户连接，昂贵的量子密钥接收端在OLT(光线路终端)侧，则与量子信号传输方向相反的下行经典数据信号在传输过程中会产生反向拉曼散射噪声。为了避免反向拉曼散射噪声干扰量子密钥分配，将量子信号与下行经典信号在时域上错开，即将整个工作时段分为两个时隙，其中一个时隙传输量子信号与上行的经典信号，另一个时隙传输下行的数据信号。反向拉曼散射到达量子接收端的时间存在一定的时延，因此两个时隙中间需要插入一定的保护间隔，保护间隔大小与光纤长度及光纤色散系数有关。

针对所述的第二个技术要点，即在频域上采取了简化的非等间隔波长分配方案，具体说明如下：

通过研究可知，在量子信号与经典信号共纤传输系统中，四波混频噪声会对系统造成较大影响且不易去除。四波混频效应产生的噪声频率通常为泵浦光的和频与差频，因此可以通过合理的分配经典信号的波长来避免产生的四波混频噪声落在量子信道上。在此基础上本专利提出了简化的非等间隔波长分配方案，具体实施方式如图1所示。

首先为了降低拉曼散射噪声，需要将量子信号放置于高于上行信号的频段上，其次为了避免上行信号产生的四波混频噪声落在量子信道采用非等间隔的波长分配方案。与所有信道间隔均相等的等间隔波长分配方案不同，本专利提出的非等间隔波长分配方案中，将量子信道与上行信道的频率间隔错开50GHz，例如上行信道的频率间隔为100GHz，则第N路上行信道与第一路上行信号的频率差可以表示为：(N-1)*100GHz，相邻的量子信道与上行信道间的频率间隔为150GHz，即第M路量子信道与最后一路上行信号的频率差为(M*100+50)GHz，这样上行信号产生的四波混频噪声均不会落在有50GHz频率差的量子信道上。传统的非等间隔波长分配方案通常要求所有的信道间隔均不相等，以此来保证所有的四波混频噪声均不落在有用信道上，但是这样的方案需要复杂的算法来寻找合适的频率间隔，大大提高了复杂度。而本方案提出的简化的非等间隔波长分配方案，避免了复杂算法的设计，提高了方案的可行性。虽然仍然残留部分由量子信号参与产生的四波混频噪声落在量子信道，但是由于量子信号功率极低，因此由其产生的四波混频噪声也可以忽略不计。

由于提出的方案中，量子信号的波长分配采用了简化的非等间隔方案，因此需要网络的中间节点在不同的时隙能够实现不同频率间隔的切换，即在下行信号传输时隙，中间节点的频率间隔为100GHz的等间隔配置，而在量子信号与上行信号共纤传输的时隙，第M路量子信号与相邻的上行信号的频率间隔为(M*100+50)GHz，显然，这一功能无法通过传统的DWDM器件实现。基于这一需求，本专利提出的方案中，将中间节点更换为WSS器件，能够在不同的时隙配置通道间隔，实现灵活的信道波长分配。

本专利所述方案可以用于与经典WDM-PON融合的量子密钥分配接入网架构中，可以有效的降低光纤非线性效应如拉曼散射和四波混频噪声对量子信号的干扰，本方案实施简单、成本较低且对经典接入网架构改动较小，有利于促进量子密钥分配在经典光接入网中的实际应用。

附图说明

图1为简化的非等间隔波长分配方案示意图。

图2为与经典WDM-PON融合的量子密钥分配网络架构实施例示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本专利提出的方案可以用于与经典WDM-PON融合的量子密钥分配接入网架构中，如附图2所示。WDM-PON中的中间节点为波分复用器件，采用波长路由的方式，将下行信号根据波长不同分配给指定的ONU，同时把上行信号复用到一根光纤，传输到OLT端。一般地，WDM-PON中上行信号的频率范围为191.2THz-193.6THz，下行信号的频率范围为193.7THz-196.1THz，信道间隔均为100GHz，此网络架构的基础上实现量子密钥分配方案的具体步骤如下：

首先在WDM-PON网络中部署量子密钥收发节点。量子信号采取上行方向，量子密钥发送端在ONU侧，量子密钥接收端在OLT侧。为每一用户分配一个固定波长的量子信道，在OLT端使用N个单光子探测器进行密钥接收(N为网络用户数)。

其次在时域上设计量子信号与上行及下行信号的工作方式。将整个工作时段分为两个时隙，其中一个时隙用于传输下行信号，另一个时隙用于传输上行信号和量子信号，两个时隙间需要插入一定的保护时隙，可以避免反向拉曼散射噪声的影响。

在频域上为量子信号分配信道。由于量子信号与上行信号和量子信号采用波分复用的方式传输，因此需要为量子信号分配与上行信号不同频率的信道。在本应用场景中，量子信道与下行信号分时传输，因此量子信道可以占用下行信道的频段，根据本专利提出的简化非等间隔波长分配方案，可以将量子信道分配为193.75THz-196.15THz，避免了上行信号产生的四波混频噪声落在量子信道。

最后需要根据方案需要对网络节点进行升级改造。在经典WDM-PON中用户上行信号与下行信号的频率间隔均为100GHz，因此中间节点通常为DWDM器件或阵列波导光栅器件(AWG)，在本方案中由于量子信号与上行信号间隔为150GHz，而且需要在不同时隙支持不同的通道间隔，因此将网络中间节点更换为WSS(波长选择开关)，WSS支持灵活的通道配置，可以实现任意波长到任意端口的输出。除此之外，利用本专利提出的方案虽然可以避免反向拉曼散射噪声和四波混频噪声的影响，但是还存在前向拉曼散射噪声，因此仍然需要在量子密钥接收端前端使用滤波器降低噪声干扰。

通过以上应用场景可以看出，在与经典WDM-PON融合的量子密钥分配接入网的搭建过程中，利用本专利提出的方案可以极大地降低光纤非线性效应对量子信号的干扰，提高量子密钥分配系统的性能。而且该方案不需要对WDM-PON进行大量改造，大大的提高了该方案的可行性。