本发明涉及量子密钥分配系统，具体涉及一种量子信道与经典信道的合纤qkd系统及其传输方法。
背景技术：
量子信道与经典信道的合纤系统，解决了由于铺设专用量子信道光纤造成的高成本，简化了量子密码网络部署，促进了量子密码通信网络建设的步伐。但是由于量子信号与经典信号巨大的光强差异，经典信号产生的非线性噪声将会对qkd设备造成影响，然而qkd中的协商信号也属于经典信号。qkd中需要协商信号对数据进行处理，在波分复用系统中协商信号如何实现才能保证qkd系统的正常运行，又对经典通信系统无影响是目前研究的课题。
现有的qkd系统，主要分为两种模式，一种为双纤系统，量子信道占一根光纤，协商信道占用一根光纤，设备运行需要占用2根光纤；还有一种为时分复用系统，量子信道和协商信道占用一根光纤，采用分时传输的方式进行，一段时间单独传输量子信号，一段时间单独传输协商信号。上述两种方式中，量子信道占用的光纤只能作为qkd设备使用，无法与经典通信设备在一根光纤中并行传输。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种量子信道与经典信道的合纤qkd系统及其传输方法，本量子信道与经典信道的合纤qkd系统及其传输方法直接可以与现有的经典通信设备共用光纤，且量子光信号和经典光信号能在一根光纤中并行传输，极大的减少了光纤资源和节约成本；另本发明兼容网口和光口两种方式，在产品通用性上更好。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种量子信道与经典信道的合纤qkd系统，包括发送端和接收端，还包括第一经典通信设备和第二经典通信设备，所述发送端包括第一核心板、第一fpga主控模块、第一量子光模块、第一同步光模块和第一合波分波器，所述接收端包括第二核心板、第二fpga主控模块、第二量子光模块、第二同步光模块和第二合波分波器，所述第一经典通信设备与第一核心板通过网口phy芯片连接，所述第一核心板与第一fpga主控模块通过网口phy芯片连接，所述第一fpga主控模块分别与第一量子光模块和第一同步光模块电连接，所述第一量子光模块、第一同步光模块和第一经典通信设备均与第一合波分波器通过光纤连接，所述第一合波分波器与第二合波分波器通过光纤连接，所述第二合波分波器分别与第二量子光模块、第二同步光模块和第二经典通信设备通过光纤连接，所述第二量子光模块和第二同步光模块均与第二fpga主控模块电连接，所述第二fpga主控模块与第二核心板通过网口phy芯片连接，所述第二核心板与第二经典通信设备通过网口phy芯片连接,所述第一经典通信设备和第二经典通信设备通过光纤连接。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述发送端还包括第一经典光模块，所述接收端还包括第二经典光模块，所述第一fpga主控模块与第一经典光模块电连接，所述第一经典光模块与第一合波分波器通过光纤连接，所述第二合波分波器与第二经典光模块通过光纤连接，所述第二经典光模块与第二fpga主控模块电连接。
作为本发明进一步改进的技术方案，第一量子光模块包括量子光激光器，第一同步光模块包括同步光激光器，所述第二量子光模块包括单光子探测器，所述第二同步光模块包括同步光探测器。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述第一经典光模块和第二经典光模块均包括经典信号激光器和经典信号探测器。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述第一经典通信设备和第二经典通信设备采用otn光传送网设备、ptn分组传送网设备、sdh光传输设备、光端机或光纤收发器。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述第一核心板和所述第二核心板均包括pcb板、处理器和存储器。
为实现上述技术目的，本发明采取的另一个技术方案为：
一种量子信道与经典信道的合纤qkd系统的传输方法，包括网口传输方法，所述网口传输方法具体包括以下步骤：
（1）第一核心板分别通过网口phy芯片发送控制信号到第一fpga主控模块和第一经典通信设备，第一fpga主控模块分别发送控制信号到第一量子光模块和第一同步光模块；
（2）第一经典通信设备发送波长为λ1的第一经典光到第一合波分波器，第一量子光模块发送波长为λ2的量子光到第一合波分波器，第一同步光模块发送波长为λ3的同步光到第一合波分波器，其中|λ1-λ2|≥δλ，δλ为经典光信号对量子光信号无影响时的波长间隔；同时，第二经典通信设备通过光纤发送波长为λ1的第二经典光到第一经典通信设备；
（3）第一合波分波器将波长为λ1的第一经典光、波长为λ2的量子光和波长为λ3的同步光复用到一根光纤中并传输到第二合波分波器；
（4）第二合波分波器将波长为λ1的第一经典光、波长为λ2的量子光和波长为λ3的同步光分离，并将波长为λ1的第一经典光传输到第二经典通信设备，将波长为λ2的量子光传输到第二量子光模块，将波长为λ3的同步光传输到第二同步光模块；
（5）第一经典通信设备探测波长为λ1的第二经典光并将探测到的经典信号通过网口phy芯片发送到第一核心板，同时，第二经典通信设备探测波长为λ1的第一经典光并将探测到的经典信号通过网口phy芯片发送到第二核心板，第二量子光模块对波长为λ2的量子光进行探测并将探测到的量子密钥信号发送到第二fpga主控模块，第二同步光模块对波长为λ3的同步光进行探测并将探测到的同步信号发送到第二fpga主控模块，第二fpga主控模块对量子密钥信号做同步，并将同步后的量子密钥信号通过网口phy芯片发送到第二核心板；
为实现上述技术目的，本发明采取的第三个技术方案为：
一种量子信道与经典信道的合纤qkd系统的传输方法，包括光口传输方法，所述光口传输方法具体包括以下步骤:
（a）第一核心板通过网口phy芯片发送控制信号到第一fpga主控模块，第一fpga主控模块分别发送控制信号到第一量子光模块、第一同步光模块和第一经典光模块；
（b）第一经典光模块发送波长为λ5的第一经典光到第一合波分波器，第一量子光模块发送波长为λ2的量子光到第一合波分波器，第一同步光模块发送波长为λ3的同步光到第一合波分波器，其中|λ5-λ2|≥δλ，δλ为经典光信号对量子光信号无影响时的波长间隔；同时，第二经典光模块根据第二fpga主控模块的控制指令发送波长为λ4的第二经典光到第二合波分波器，其中|λ4-λ2|≥δλ；
（c）第一合波分波器将波长为λ5的第一经典光、波长为λ2的量子光和波长为λ3的同步光复用到一根光纤中并传输到第二合波分波器；第二合波分波器将波长为λ4的第二经典光通过光纤传输到第一合波分波器；
（d）第二合波分波器将波长为λ5的第一经典光、波长为λ2的量子光和波长为λ3的同步光分离，并将波长为λ5的第一经典光传输到第二经典光模块，将波长为λ2的量子光传输到第二量子光模块，将波长为λ3的同步光传输到第二同步光模块；第一合波分波器将波长为λ4的第二经典光传输到第一经典光模块；
（e）第一经典光模块对波长为λ4的第二经典光进行探测并将探测到的经典信号发送到第一fpga主控模块，第一fpga主控模块将经典信号发送到第一核心板；第二经典光模块对波长为λ5的第一经典光进行探测并将探测到的经典信号发送到第二fpga主控模块，第二量子光模块对波长为λ2的量子光进行探测并将探测到的量子密钥信号发送到第二fpga主控模块，第二同步光模块对波长为λ3的同步光进行探测并将探测到的同步信号发送到第二fpga主控模块，第二fpga主控模块对量子密钥信号做同步，并将经典信号和同步后的量子密钥信号通过网口phy芯片发送到第二核心板。
本发明的技术效果为：本发明的协商信号兼容网口方式和光口方式，在产品通用性上更好，功能更多。网口方式：协商信号的传输利用现有的第一经典通信设备和第二经典通信设备来实现，在方案上更简单方便，量子设备（发送端和接收端）与第一经典通信设备和第二经典通信设备共用一根光纤传输，各自可以独立传输而互不影响，不需要准备单独的光纤供量子信道单独使用，直接可以与现有的经典通信设备共用光纤，并行传输，极大的减少了光纤资源和节约成本。光口方式：利用发送端本身的第一经典光模块，将电信号直接转换为光信号与量子、同步信号合纤，在一根光纤中传输。极大的减少了光纤资源和节约成本。协商信号的上述两种实现方法，可以通过改变经典光的波长的方法来实现量子光和经典光较远的波长间隔来减小经典信号产生的非线性噪声，实现并行传输，从而既能保证qkd设备协商信号的正常使用，又能保证经典通信的正常运行。本发明采用2种传输方法，均能实现并行传输，产品通用性上好，功能多。
附图说明
图1为本发明的发送端、接收端、第一经典通信设备和第二经典通信设备连接示意图。
图2为本发明的发送端内部结构连接示意图。
图3为本发明的接收端内部结构连接示意图。
具体实施方式
下面根据图1至图3对本发明的具体实施方式作出进一步说明：
量子信道与经典信道的合纤qkd系统，指量子设备与经典通信设备共用一根光纤传输，各自可以独立传输而互不影响。这样qkd系统实际运用时就不需要准备单独的光纤供量子信道单独使用，直接可以与现有的经典通信设备共用光纤。极大的减少了光纤资源和节约成本。
参见图1,一种量子信道与经典信道的合纤qkd系统，包括发送端和接收端，还包括第一经典通信设备和第二经典通信设备，发送端与第一经典通信设备分别通过网口和光口连接，发送端和接收端通过光口连接，接收端和第二经典通信设备分别通过网口和光口连接，具体地，参见图2，所述发送端包括第一核心板、第一fpga主控模块、第一量子光模块、第一同步光模块和第一合波分波器，参见图3，所述接收端包括第二核心板、第二fpga主控模块、第二量子光模块、第二同步光模块和第二合波分波器，所述第一经典通信设备与第一核心板通过网口phy芯片连接，所述第一核心板与第一fpga主控模块通过网口phy芯片连接，所述第一fpga主控模块分别与第一量子光模块和第一同步光模块电连接，所述第一量子光模块、第一同步光模块和第一经典通信设备均与第一合波分波器通过光纤（光口）连接，所述第一合波分波器与第二合波分波器通过光纤（光口）连接，所述第二合波分波器分别与第二量子光模块、第二同步光模块和第二经典通信设备通过光纤连接，所述第二量子光模块和第二同步光模块均与第二fpga主控模块电连接，所述第二fpga主控模块与第二核心板通过网口phy芯片连接，所述第二核心板与第二经典通信设备通过网口phy芯片连接,所述第一经典通信设备和第二经典通信设备通过光纤连接。第一经典通信设备和第二经典通信设备之间使用的是两根光纤，双路信号，其中一路光纤连接第一合波分波器和第二合波分波器，节约了由于铺设专用量子信道光纤造成的高成本。
参见图2，进一步地，所述发送端还包括第一经典光模块，所述接收端还包括第二经典光模块，所述第一fpga主控模块与第一经典光模块电连接，所述第一经典光模块与第一合波分波器通过光纤连接，所述第二合波分波器与第二经典光模块通过光纤连接，所述第二经典光模块与第二fpga主控模块电连接。
进一步地，第一量子光模块包括量子光激光器，第一同步光模块包括同步光激光器，所述第二量子光模块包括单光子探测器，所述第二同步光模块包括同步光探测器。所述第一经典光模块和第二经典光模块均包括经典信号激光器和经典信号探测器，实现经典信号的双向传输。
进一步地，所述第一经典通信设备和第二经典通信设备采用otn光传送网设备、ptn分组传送网设备、sdh光传输设备、光端机或光纤收发器。所述第一核心板和所述第二核心板均包括pcb板、处理器和存储器。
本实施例中的qkd系统的协商信号兼容网口和光口两种方式；在产品通用性上更好；协商信号利用经典通信设备来实现，在方案上更简单方便，见发明图1；协商信号的实现方式存在2种，一种是直接从第一核心板至网口phy芯片连接出去到第一经典通信设备，利用外界的经典通信设备业务端口，将网口的电信号转换为光信号在光纤中传输；一种是利用qkd设备本身的第一经典光模块，将电信号直接转换为光信号与量子、同步信号合纤，在一根光纤中传输。qkd自带的经典光模块含有上行和下行部分，发送端的第一经典光模块发出的信号为上行信号，接收端的第二经典光模块发出的信号为下行信号。图2和图3分别标明了光的传输方向。第一经典通信设备和第二经典通信设备之间的传输方向可以为正向传输，也可以为反向传输。
参见图1，协商信道使用第一经典通信设备和第二经典通信设备的网口，即qkd系统的发送端与第一经典通信设备使用网口对接，接收端与第二经典通信设备使用网口对接，发送端和接收端与现有的经典通信设备在一根光纤中并行传输，利用经典通信来实现协商信号的传输；此种方式为最简便的方式。此时，只需采用经典光的波长与量子光波长间隔远的方式，来减少经典信号产生的非线性噪声。
参见图2，协商信道使用qkd本身自带的经典体系，即在qkd中增加第一经典光模块和第二经典光模块，选择上行和下行波长；协商信号由qkd设备本身的第一经典光模块完成。
本实施例中的上行和下行的波长选择有两种方式。第一种方式：采用量子信号波长与协商信号波长间隔远的方式实现。即qkd的发送端含有第一量子光模块、第一经典光模块，qkd的接收端含有第二经典光模块，每个模块内部都集成了激光器模块，通过改变激光器的波长的方法来实现较远的波长间隔。通过改变光模块的波长来实现此种实现方案的好处是，协商信号可以完全由经典通信的方式进行，不用作任何改变；此处的波长较远和波长较近的定义为：qkd本身设备无改变，协商信号使用现有的第一经典光模块，当波长间隔为δλ时，协商信号对量子信号完全无影响；较远的波长间隔则为λ6≥δλ，较近的波长间隔为λ6＜δλ，λ6为量子光的波长减去经典光的波长的绝对值。当qkd设备的量子光选择波长1550nm时，则此时改变qkd的第一经典光模块中的经典信号激光器波长的方式进行合纤测试，当第一经典光模块发出的经典光的波长为λ5时，此时无噪声存在，对qkd设备正常运行无影响。则较远的波长间隔δλ定义为大于等于|1550-λ5|。
第二种方式：当量子光信号的波长和协商信号（经典光信号）的波长间隔较短，还利用通过降低协商信号的发射机光强和增加接收机的灵敏度来实现。具体实现方式：（1）qkd的发送端降低第一经典光模块中的经典信号激光器的出射光功率，提高第一经典光模块中的经典信号探测器的接收灵敏度；qkd的接收端降低第二经典光模块中的经典信号激光器的出射光功率，提高第二经典光模块中的经典信号探测器的接收灵敏度。或者（2）降低第一经典通信设备和第二经典通信设备的出射光功率和增加第一经典通信设备和第二经典通信设备的接收灵敏度。
综上所述，量子信号与经典信号合纤传输，经典信号造成的非线性噪声与波长间隔有关，当量子信号的波长越靠近经典信号的波长时，非线性噪声越大；当量子信号的波长越远时，非线性噪声越小。非线性噪声大小与经典信号的发射端光强有关，当光强越大时，非线性噪声越大；当光强越小时，非线性噪声越小。
本实施例还公开一种量子信道与经典信道的合纤qkd系统的传输方法，包括网口传输方法，网口传输方法具体包括以下步骤：
（1）第一核心板分别通过网口phy芯片发送控制信号到第一fpga主控模块和第一经典通信设备，第一fpga主控模块分别发送控制信号到第一量子光模块和第一同步光模块；
（2）第一经典通信设备发送波长为λ1的第一经典光到第一合波分波器，第一量子光模块发送波长为λ2的量子光到第一合波分波器，第一同步光模块发送波长为λ3的同步光到第一合波分波器，其中|λ1-λ2|≥δλ，δλ为经典光信号对量子光信号无影响时的波长间隔，波长间隔越大，非线性噪声越小；同时，第二经典通信设备通过另一根光纤发送波长为λ1的第二经典光到第一经典通信设备；
（3）第一合波分波器将波长为λ1的第一经典光、波长为λ2的量子光和波长为λ3的同步光复用到一根光纤中并传输到第二合波分波器；其中第一经典光、量子光和同步光在并行传输的时候，要保证λ1、λ2和λ3的值均不相同；
（4）第二合波分波器将波长为λ1的第一经典光、波长为λ2的量子光和波长为λ3的同步光分离，并将波长为λ1的第一经典光传输到第二经典通信设备，将波长为λ2的量子光传输到第二量子光模块，将波长为λ3的同步光传输到第二同步光模块；
（5）第一经典通信设备探测波长为λ1的第二经典光并将探测到的经典信号通过网口phy芯片发送到第一核心板，同时，第二经典通信设备探测波长为λ1的第一经典光并将探测到的经典信号通过网口phy芯片发送到第二核心板，实现经典信息的交互，第二量子光模块对波长为λ2的量子光进行探测并将探测到的量子密钥信号发送到第二fpga主控模块，第二同步光模块对波长为λ3的同步光进行探测并将探测到的同步信号发送到第二fpga主控模块，第二fpga主控模块对量子密钥信号做同步，并将同步后的量子密钥信号通过网口phy芯片发送到第二核心板。
本实施例还公开另一种量子信道与经典信道的合纤qkd系统的传输方法，包括光口传输方法，具体包括以下步骤:
（a）第一核心板通过网口phy芯片发送控制信号到第一fpga主控模块，第一fpga主控模块分别发送控制信号到第一量子光模块、第一同步光模块和第一经典光模块；
（b）第一经典光模块发送波长为λ5的第一经典光到第一合波分波器，第一量子光模块发送波长为λ2的量子光到第一合波分波器，第一同步光模块发送波长为λ3的同步光到第一合波分波器，其中|λ5-λ2|≥δλ，δλ为经典光信号对量子光信号无影响时的波长间隔；同时，第二经典光模块根据第二fpga主控模块的控制指令发送波长为λ4的第二经典光到第二合波分波器，其中|λ4-λ2|≥δλ；
（c）第一合波分波器将波长为λ5的第一经典光、波长为λ2的量子光和波长为λ3的同步光复用到一根光纤中并传输到第二合波分波器；其中第一经典光、量子光和同步光在并行传输的时候，要保证λ5、λ2和λ3的值均不相同；第二合波分波器将波长为λ4的第二经典光通过光纤传输到第一合波分波器；由于第一经典光和第二经典光的波长不一样，所以可以从同一根光纤中反向传输。
（d）第二合波分波器将波长为λ5的第一经典光、波长为λ2的量子光和波长为λ3的同步光分离，并将波长为λ5的第一经典光传输到第二经典光模块，将波长为λ2的量子光传输到第二量子光模块，将波长为λ3的同步光传输到第二同步光模块；第一合波分波器将波长为λ4的第二经典光传输到第一经典光模块；
（e）第一经典光模块对波长为λ4的第二经典光进行探测并将探测到的经典信号发送到第一fpga主控模块，第一fpga主控模块将经典信号发送到第一核心板；第二经典光模块对波长为λ5的第一经典光进行探测并将探测到的经典信号发送到第二fpga主控模块，第二量子光模块对波长为λ2的量子光进行探测并将探测到的量子密钥信号发送到第二fpga主控模块，第二同步光模块对波长为λ3的同步光进行探测并将探测到的同步信号发送到第二fpga主控模块，第二fpga主控模块对量子密钥信号做同步，并将经典信号和同步后的量子密钥信号通过网口phy芯片发送到第二核心板。
本实施例中的qkd系统的协商信号兼容网口方式；在产品通用性上更好；协商信号的传输利用第一经典通信设备和第二经典通信设备来实现，在方案上更简单方便，量子设备与经典通信设备共用一根光纤传输，各自可以独立传输而互不影响。不需要准备单独的光纤供量子信道单独使用，直接可以与现有的经典通信设备共用光纤，并行传输。极大的减少了光纤资源和节约成本。本实施例中的qkd系统的协商信号兼容光口方式；利用qkd设备本身的第一经典光模块，将电信号直接转换为光信号与量子、同步信号合纤，在一根光纤中传输。极大的减少了光纤资源和节约成本。协商信号的上述两种实现方法，可以通过改变经典光的波长的方法来实现量子光和经典光较远的波长间隔来减小经典信号产生的非线性噪声，实现并行传输，从而既能保证qkd设备协商信号的正常使用，又能保证经典通信的正常运行。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。