基于法拉第‑迈克尔逊干涉连续变量量子密钥分发系统的制作方法

本实用新型涉及一种量子密钥分发方案，具体的，涉及一种基于法拉第-迈克尔逊干涉连续变量量子密钥分发系统。

背景技术：

自从利用连续变量量子密钥分发(CVQKD)实现量子通信的思想在1999年提出后，CVQKD引起了诸多学者的关注。相对于现在研究成熟的离散变量量子密钥分发DVQKD。CVQKD摆脱了单光子源和1550nm波段低探测效率的约束，它采用和经典光强度相当的强光通信，并使用传统通信中技术成熟的零差探测器进行测量，使更高密钥生成率和与传统光网络融合成为了可能。

2002年，基于高斯调制的CVQKD协议被提出，随后，在分发密钥渐进极限和有限的情况下，此方案的无条件安全性也相继被证明。基于高斯调制的CVQKD方案逐渐进入实验和实用化进程。

目前，CVQKD已经可以实现密钥生成率1Mbps，在牺牲密钥生成率的前提下，通信距离也实现了100Km的突破。但是，无论国内还是国外的CVQKD方案，都是基于双不等臂臂M-Z方案，此方案中，由于信号光和脉冲光经过马赫-曾得干涉仪的不同臂，所受偏振干扰不可能完全一致，而经历长程量子信道时，会在环境干扰下加剧这种偏振漂移，从而直接影响探测端的干涉稳定性。因此此类密钥分发系统抗干扰能力差，稳定性不能保持，进而使CVQKD的安全性也无法保障。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种基于法拉第-迈克尔逊干涉连续变量量子密钥分发系统，本实用新型系统可克服连续变量量子密钥分发方案中由于偏振漂移导致密钥分发系统不稳定的问题。

为实现上述技术目的，本实用新型采取的技术方案为:基于法拉第-迈克尔逊干涉连续变量量子密钥分发系统，包括发射端、通信信道和接收端；发射端的输出端连接通信信道的输入端，通信信道的输出端连接接收端的输入端；其特征在于：

所述发射端包括光源模块和调制模块，光源模块的输出端连接调制模块的输入端；所述光源模块包括依次连接的连续激光器Laser、振幅调制器AM1和隔离器ISO；连续激光器Laser用于产生所需波长的连续激光，振幅调制器AM1用于对激光器Laser输出光参数进行调控；振幅调制器AM1的输出光接入隔离器ISO的输入端；隔离器ISO的另外一端接入调制模块；所述调制模块为F-M环调制模块；所述F-M环调制模块包括2*2分束器BS1、法拉第旋镜FM1、法拉第旋镜FM2、相位调制器PM1，振幅调制器AM1；2*2分束器BS1有四个分束臂，分别是分束臂B1、分束臂B2、分束臂B3和分束臂B4；分束臂B3和分束臂B4臂长不等；四个分束臂的前端分别对应四个端口，分别为端口BS11、端口BS12、端口BS13、端口BS14；端口BS11连接隔离器ISO，端口BS12连接通信信道；连接光源模块的端口为入射端，连接通信信道的端口为出射端；端口BS13连接法拉第旋镜FM1，端口BS14连接法拉第旋镜FM2；光源模块产生的连续激光经入射端进入2*2分束器BS1，经过2*2分束器BS1分束后形成本振光和信号光，本振光进入端口BS13，信号光进入端口BS14；本振光和信号光分别经法拉第旋镜FM1和法拉第旋镜FM2反射后进入2*2分束器BS1并发生耦合；法拉第旋镜FM1和法拉第旋镜FM2均为90度旋转法拉第反射镜，用于使反射光偏振方向相对于入射光旋转90度；本振光和信号光的反射光经分束器BS1耦合后进入端口BS11和端口BS12；其中进入端口BS11的反射光被光源模块隔离器ISO损耗掉，进入端口BS12的反射光接入通信信道；

通信信道为光传播通道，用于将发射端调制的信号光和未调制的本振光传输到接收端；

所述接收端包括解调模块和零差探测模块；解调模块为解调F-M环模块，解调F-M环模块包含环形器CIR2、2*2不等臂分束器BS3、法拉第旋镜FM3、法拉第旋镜FM4和相位调制器PM2；环形器CIR2的C21端口通信信道相连，C22端口与BS3相连，C23端口连接零差探测组件；分束器BS3分束比为50:50；分束器BS3为2*2分束器，有四个分束臂，分别是分束臂B5、分束臂B6、分束臂B7和分束臂B8；四个分束臂的前端分别对应分别四个端口，分别为端口BS31、端口BS32、端口BS33、端口BS34；端口BS31连接通信信道，端口BS32连接光电探测器PIN4，端口BS33连接法拉第旋镜FM3，端口BS34连接法拉第旋镜FM4；分束臂B7和分束臂B8的臂长差与分束臂B3和分束臂B4臂长差相等，即|l_B7-l_B8|＝|l_B3-l_B4|；端口BS31连接环形器CIR2的端口C22，将法拉第旋镜FM3和法拉第旋镜FM4的反射光输入环形器CIR2的端口C22，然后经环形器CIR2的端口C23输入到光电探测器PIN3；所述零差探测模块包含光电探测器PIN3和光电探测器PIN4以及处理电路；零差探测模块用于对光电探测器PIN3和光电探测器PIN4的结果做差处理，以获得调制信号信息数据。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，定义脉冲强度较高者为本振光，脉冲强度较低为信号光，且保证信号光所在分束臂B4为分束臂B3、分束臂B4中较短臂；所述脉冲为经过2*2分束器BS1分束、法拉第旋镜反射并在2*2分束器BS1处合束的脉冲。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，调制模块的相位调制器PM1置于标定为信号光所在的分束臂B4上或者置于合束后的分束臂B2上的，所述相位调制器PM1用于对信号光进行相位调制；对本振光不做任何调制，直接经端口BS12接入通信信道。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，在分束臂B2上连接有振幅调制器AM2，振幅调制器AM2用于对信号光的振幅进行调制。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，振幅调制器AM2和相位调制器PM1的调制数值由信号光的正则分量X、P计算所得，振幅调制值相位调制值X和P服从高斯分布。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，调制模块还包括放置在分束臂B3或者分束臂B4上的可调延时线DL1，可调延时线DL1用于调节信号光和本振光的相对时间延迟。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，发射端的信号光所在的分束臂B4上放置一个分束器BS2和一个可调衰减器VOA组合，用于实现对信号光功率的检测和控制。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，发射端还包含一环形器CIR1，环形器CIR1的端口C12连接通信信道，端口C11连接端口BS12，端口C13连接光电探测器，用于检测病毒攻击。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，通信信道是光波导介质、自由空间、分离光学元件、光纤光学元件或者是它们中任意两个及以上组合；

作为本实用新型进一步改进的技术方案，接收端法拉第反射镜FM3、FM4和发射端法拉第反射镜FM1、FM2特征相同。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述环形器CIR2和发射端环形器CIR1特征相同，从C21端口输入光，从C22端口输出，从C22端口输入光，从C23端口输出；从C11端口输入光，从C12端口输出，从C12端口输入光，从C13端口输出。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，接收端的解调模块还包含一可调延迟线DL2，所述DL2可设置在分束臂B7、B8任一上，与可调延迟线DL1协同工作，用于调节使得BS3分束臂B7、B8的臂长差与BS1分束臂B3、B4臂长差相等，进而使在发射、接收端分别走长臂、短臂的本振光和分别走短臂、长臂的信号光同时到达合束器BS3，实现干涉。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，接收端的相位调制器PM2置于分束臂B7、B8中相对较短臂上，且只对本振光做相位调制。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述接收端相位调制器PM2根据二进制随机数，随机调制为0°或90°，实现测量选基作用。

本基于法拉第-迈克尔逊干涉连续变量量子密钥分发系统工作流程：

1、选择波长符合的窄线宽激光器后，经过振幅调制器AM1对输出光的重复频率、脉宽、振幅进行调制，所得脉冲光经隔离器ISO单向连入2*2分束器。

2、光源输出光经分束器BS1后分成两束，分别称之为本振光和信号光，分别进入分束器端口BS13、端口BS14。一般地，选择让强度较高的本振光(约10^8光子/脉冲)通过分束臂B3、分束臂B4中较长的臂，强度较弱的信号光通过分束臂B3、分束臂B4中较短的臂。

3、经过法拉第旋镜FM1和法拉第旋镜FM2反射，两束光偏振均发生90°偏转，往返过程偏振影响自补偿。

4、经分束器BS1的端口BS13的法拉第旋镜FM1反射的本振光不做调制，直接经分束器BS1的端口BS12耦合进入通信信道。

5、发射端根据制备调制随机数，通过端口BS4的相位调制器PM 1和端口BS12的振幅调制器AM 1对信号光光场的光场的正则位置X或者正则动量P进行调制。

6、依靠分束臂B3、分束臂B4不等臂长和可调延时线DL 1，使本振光和信号光在传输时域上有相对延迟。

7、本振光和信号光通过时分复用技术经端口BS12进入通信信道。

8、信号光和本振光到达接收端，经过3dB分束器BS3进行分束，进入和发射端对称的不等臂F-M环，发射端的F-M环调制模块和接收端的不等臂F-M环的臂长差相等。

9、经不等臂F-M环上的法拉第旋镜FM3和法拉第旋镜FM4反射后，部分信号光和本振光的时间延迟得到补偿。在发射和接收端分别走长臂和短臂本振光和发射、接收端分别走短臂、长臂的信号光将同时到达分束器BS3，发生干涉。

10、接收端本振光所在臂上安装有相位调制器PM2，通过随机二进制数选择调相0或者90°，进而实现测量基X分量或者P分量选择测量。

11、信号光和本振光在3dB分束器(即分束器BS3)处干涉，进入零差探测模块。经零差探测，接收端获得一串和发射端关联的符号值，二者经过量化处理，将符号创转化为二进制码，进而进行数据后处理，最后获得安全二进制密钥。

本实用新型主要包括位于发射端的光源模块、调制F-M环模块、通信信道、位于接收端的解调F-M环模块、零差探测模块；本实用新型依靠法拉第镜的旋光特性，使得光在入射和反射光路中受到的偏振扰动自动补偿，实现稳定量子密钥分发。目前关于CVQKD的研究方向集中为提高探测器探测效率和算法的升级，本实用新型从密钥分发装置提出了创新，本实用新型可结合上述探测和数据后处理技术使用，使CVQKD系统稳定、安全的传输量子密钥。本实用新型引入了两个不等臂法拉第-迈克尔逊干涉环，借助法拉第偏振旋转镜，使脉冲往返过程中偏振扰动得到自补偿，有利于提高系统的稳定性，不易受偏振干扰；可结合现有的探测技术和后处理算法，实现长距离稳定量子密钥分发。总之，本实用新型提出了一种新型连续变量量子密钥分配方案，有利于提高系统的稳定性，不易受偏振干扰；可结合现有的探测技术和后处理算法，实现长距离稳定量子密钥分发。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构示意图；

图2为本实用新型的CVQKD实现方案原理示意图。

具体实施方式

实施例1

参见图1和图2，本基于法拉第-迈克尔逊干涉连续变量量子密钥分发系统，包括发射端、通信信道和接收端；发射端的输出端连接通信信道的输入端，通信信道的输出端连接接收端的输入端。

发射端包括光源模块和调制模块，光源模块的输出端连接调制模块的输入端；光源模块包括依次连接的连续激光器Laser、振幅调制器AM1和隔离器ISO；连续激光器Laser用于产生所需波长的连续激光，振幅调制器AM1用于对激光器Laser输出光参数进行调控；振幅调制器AM1的输出光接入隔离器ISO的输入端；隔离器ISO的另外一端接入调制模块；

调制模块为F-M环调制模块；F-M环调制模块包括2*2分束器BS1、法拉第旋镜FM1、法拉第旋镜FM2和相位调制器PM1；2*2分束器BS1有四个分束臂，分别是分束臂B1、分束臂B2、分束臂B3和分束臂B4；分束臂B3和分束臂B4臂长不等；四个分束臂的前端分别对应四个端口，分别为端口BS11、端口BS12、端口BS13、端口BS14；端口BS11连接隔离器ISO，端口BS12连接通信信道；连接光源模块的端口为入射端，连接通信信道的端口为出射端；端口BS13连接法拉第旋镜FM1，端口BS14连接法拉第旋镜FM2；光源模块产生的连续激光经入射端进入2*2分束器BS1，经过2*2分束器BS1分束后形成本振光和信号光，本振光进入端口BS13，信号光进入端口BS14；本振光和信号光分别经法拉第旋镜FM1和法拉第旋镜FM2反射后进入2*2分束器BS1并发生耦合；法拉第旋镜FM1和法拉第旋镜FM2均为90度法拉第反射镜，用于使反射光偏振方向相对于入射光旋转90度；本振光和本振光的反射光经分束器BS1耦合后进入端口BS11和端口BS12；其中进入端口BS11的反射光被光源模块隔离器损耗掉，进入端口BS12的反射光接入通信信道；

经过BS1分束、FM反射并在BS1处合束的脉冲，定义强度较高者为本振光，强度较低为信号光，且保证信号光所在分束臂B4为B3、B4中较短臂。

调制模块的相位调制器PM1置于标定为信号光所在的分束臂B4上或者置于合束后的分束臂B2上的，所述相位调制器PM1用于对信号光进行相位调制；对本振光不做任何调制，直接经端口BS12接入通信信道。

在分束臂B2上连接有振幅调制器AM2，振幅调制器AM2用于对信号光的振幅进行调制。

振幅调制器AM2和相位调制器PM1的调制数值由信号光的正则分量X、P计算所得，振幅调制值相位调制值一般地，X和P服从高斯分布。

调制模块还包括放置在分束臂B3或者分束臂B4上的可调延时线DL1，可调延时线DL1用于调节信号光和本振光的相对时间延迟。

发射端的信号光所在的分束臂B4上放置一个分束器BS2和一个可调衰减器VOA组合，用于实现对信号光功率的检测和控制。

发射端系统还包含一环形器CIR1，环形器CIR1的端口C12连接通信信道，端口C11连接端口BS12，端口C13连接光电探测器，用于检测特洛伊木马等攻击。

所述通信信道为光传播通道，用于将发射端调制的信号光和未调制的本振光传输到接收端，可以是光波导介质、自由空间、分离光学元件、光纤光学元件或者是它们中任意两个及以上组合；

接收端包括解调模块和零差探测模块；解调模块为解调F-M环模块，解调F-M环模块包含环形器CIR2，2*2不等臂分束器BS,法拉第旋镜FM3、法拉第旋镜FM4、和相位调制器PM2；环形器CIR2的C21端口通信信道相连，C22端口与BS3相连，C23端口连接零差探测组件。不等臂F-M环使用分束比为50:50的分束器BS3；分束器BS3为2*2分束器，有四个分束臂，分别是分束臂B5、分束臂B6、分束臂B7和分束臂B8；四个分束臂的前端分别对应分别四个端口，分别为端口BS31、端口BS32、端口BS33、端口BS34；端口BS31连接通信信道，端口BS32连接光电探测器PIN4，端口BS33连接法拉第旋镜FM3，端口BS34连接法拉第旋镜FM4；分束臂B7和分束臂B8的臂长差与分束臂B3和分束臂B4臂长差相等，即|l_B7-l_B8|＝|l_B3-l_B4|；端口BS31连接环形器CIR2的端口C22，将法拉第旋镜FM3和法拉第旋镜FM4的反射光输入环形器CIR2的端口C22，然后经环形器CIR2的端口C23输入到光电探测器PIN3；所述零差探测模块包含光电探测器PIN3和光电探测器PIN4以及处理电路；零差探测模块用于对光电探测器PIN3和光电探测器PIN4的结果做差处理，以获得调制信号信息数据。

接收端法拉第反射镜FM3和FM4和发射端FM1、FM2特征相同。环形器CIR2和发射端环形器CIR1特征相同，从C21(C11)端口输入光，从C22(C12)端口输出，从C22(C12)端口输入光，从C23(C13)端口输出。

接收端的解调模块还包含一可调延迟线DL2，所述DL2可设置在分束臂B7、B8任一上，与DL1协同工作，用于调节使得BS3分束臂B7、B8的臂长差与BS1分束臂B3、B4臂长差相等，进而使在发射、接收端分别走长臂、短臂的本振光和分别走短臂、长臂的信号光同时到达合束器BS3，实现干涉。

接收端的相位调制器PM2应置于B7、B8中相对较短臂上，且只对本振光做相位调制。相位调制器PM2根据二进制随机数，随机调制为0°或90°，实现测量选基作用。

通过零差探测，接收端将获得一串和发射端关联的符号值，二者经过量化处理，将符号创转化为二进制码，进而进行数据后处理，最后获得安全二进制密钥。