基于Sagnac环的QKD城域网系统及其密钥分发法技术方案

本发明专利技术提供一种基于Sagnac环的QKD城域网系统及其密钥分发法，系统包括Alice控制端、Sagnac传输骨干环、光交叉互联器OXC作为骨干节点、包含n个Bob用户端的接入网NETmn。Alice控制端包括多波长脉冲激光产生装置、波长选择开关、环形器、单光子探测器组、耦合器、相位调制器PMA；接入网Bob用户端包含可调光衰减器、脉冲时延装置、相位调制器PMB、反射镜；OXC作为Sagnac环的骨干节点，即使某一节点故障，不影响全网营运；密钥分发方法采用诱骗态协议，提高了密钥生成率、增加了更远的传输距离。

【技术实现步骤摘要】
基于Sagnac环的QKD城域网系统及其密钥分发法
本专利技术涉及量子信息技术以及量子经典光纤通信融合领域，更具体地，涉及一种基于Sagnac环的QKD城域网系统及其密钥分发法。
技术介绍
量子信息是量子力学与经典信息理论的紧密结合而形成的新兴交叉学科，是当前物理学领域的研究热点，而量子通信又是量子信息领域研究热点。量子通信是指利用量子力学的基本原理或特性进行通信，其信息的载体是微观粒子，量子测不准定理和不可克隆定理等保证了量子保密通信理论上的无条件安全。在量子通信技术中，点对点的两方量子密钥分发技术已经趋于成熟，随着信息化的发展，越来越多的复杂光纤网络被建立并投入运行。城域网(MAN)是在一个城市范围内所建立的计算机通信网，MAN采用具有有源交换器件的局域网技术，网中具有传输时延较小的优点。MAN的一个重要用途是用作骨干网，通过MAN将位于同一城市内不同地点的主机、数据库、以及局域网等相互连接起来。QKD未来面临的一个重要的实际问题是实现量子网络化应用，需要基于一对一的通信方式发展成一对N，N对一，甚至N对N的量子密钥分发网络，以实现量子城域网的覆盖、量子广域网的建立。量子密钥分发(QKD)网络拓扑结构主要采用两种技术：一种是基于光学节点的QKD网络，光学节点可以是分光器，光开关、波分复用器或者其他光学无源器件；另一种是基于可信中继的QKD网络，其难点在于保持中继的可靠性；而基于光学节点的QKD网络无需必须保证光学节点的绝对可靠性。基于光学节点的QKD网络拓扑结构主要有4种方式：无源星形网络、基于sagnac干涉仪的光环网络、波长路由网络、波分复用总线网络。无源星形网络利用分光器实现量子密钥分发网络实施起来简单容易且安全性好，但也存在一个明显的缺陷，就是网络的可扩展性差，随着网络用户数的增加密钥生成率和传输距离会严重降低(覆盖范围小)。借鉴于经典光通信技术，早期的采用波分复用技术的量子密钥分发网络中，用户通过波长寻址来进行QKD。这种方案同一时刻激光器产生的脉冲仍然为单一波长脉冲，只能服务于单一用户，这造成了多用户不能同时工作的困境，实质上还是一对一。前面所述两种方案都很大程度上限制了用户数增加，用户扩展又导致产生密钥生成率降低等问题。后来虽然增加了网络用户数，但只是局部的，没能形成一定的区域覆盖，同时由于Bob用户端到骨干节点的专用光纤过长导致通信成本增加，这不利于网络的拓展；因此解决区域覆盖小、传输距离小和提高用户密钥生成率等问题是本专利技术的主要特点。
技术实现思路
本专利技术提供一种结构简单、使用方便、密钥生成率高、传输稳定且能实现网络重构的基于Sagnac环的QKD城域网系统。本专利技术的又一目的在于提供一种基于Sagnac环的QKD城域网系统的密钥分发方法。为了达到上述技术效果，本专利技术的技术方案如下：一种基于Sagnac环的QKD城域网系统，包括Alice控制端、Sagnac环、作为骨干节点的光交叉互联器OXC、包含n个Bob用户端的接入网，其中：Alice控制端包括多波长脉冲激光产生装置、波长选择开关、环形器、单光子探测器组、耦合器、相位调制器PMA；多波长脉冲产生装置输出的脉冲组经过波长选择开关、环形器后，通过耦合器注入到Sagnac环中，单光子探测器组通过环形器接耦合器的输入端；所述Sagnac环由m个骨干节点串联组成环状结构；所述光交叉互联器OXC作为骨干节点，在大型网络中以一种自动的方式提供光学通道，而不是手动连接；光交叉互联器OXC从传输光路中有选择地分下/插入本地接收和发送的某些波长信道，同时不影响其他波长信道的传输；所述包含n个Bob用户端的接入网包括一个波分复用器WDM和n个Bob用户端，其中Bob用户端依次包括可调光衰减器、脉冲延时装置、相位调制器PMB以及反射装置。进一步地，所述多波长脉冲产生装置包括相互连接的单光源多波长脉冲激光器和波长选择开关。进一步地，多波长脉冲产生装置产生多波长脉冲，所述多波长脉冲经过所述耦合器以50:50的比例分成两束光，分别进入到所述Sagnac环脉冲传输线路的顺时针I1链路和逆时针I2链路，均从所述耦合器干涉并输出，输出的光脉冲经所述耦合器传输到所述单光子探测器组。进一步地，所述单光子探测器组包括第一多波长单光子探测器组和第二多波长单光子探测器组，所述第一多波长单光子探测器组通过第一解复用器连接环形器与所述耦合器上输入端连接，所述第二多波长单光子探测器组通过第二解复用器与所述耦合器下输入端相连。进一步地，所述光交叉互联器OXC安装在Sagnac环上的任意位置，可动态地安插、取下，同时最大限度地利用公共光纤，减少专用光纤，从而扩大通信范围，减小通信成本。进一步地，所述包含n个Bob用户端的接入网数量与骨干节点数量相同，接入网向上通过OXC接入骨干环，向下通过波分复用器WDM将n个Bob用户端接入网络，实现城域覆盖。一种基于Sagnac环的QKD城域网系统的密钥分发法，包括以下步骤：S1：建立光通道：多波长脉冲产生装置输出的多波长脉冲组经过波长选择开关、环形器后，通过耦合器注入到Sagnac环中，然后特定的波长段λ1…λn，经过与之对应的光交叉互联器OXC经过第M个接入网中的波分复用器再到Bob用户端Bob1…Bobn，以此建立连接；S2：系统初始化及噪声测试：检查Alice控制端和各Bob用户设施，查看设备是否能正常运转，设定初始条件；在Alice控制端不发射激光脉冲串的情况下，测试系统噪声；S3：测量光纤长度及设置Bob用户端脉冲时延：由所述多波长激光器发射光脉冲，各Bob用户测量脉冲到达时刻，确定链路中光纤长度，根据顺时针光脉冲I1和逆时针光脉冲I2需要同时到达耦合器处发生干涉，设置各Bob用户延时；S4：密钥分发：由所述多波长激光器以帧为单位向Bob用户发送脉冲串，在每一个脉冲发送周期，Alice随机地发送不同强度的激光脉冲给Bob；每次发送一定数目的帧，帧频率为帧之间的时间间隔；脉冲串经过环形器后发送到耦合器，耦合器以50:50的比例分成两束光，分别进入到所述Sagnac环脉冲传输线路的顺时针I1链路和逆时针I2链路，所述I1链路中的脉冲串从耦合器输出后依次经过公共光纤、相位调制器PMA且被调制产生相位φA、光交叉互联器OXC、专用光纤、接入网中的波分复用器、可调光衰减器、脉冲时延装置、相位调制器PMB、反射镜，然后光脉冲在反射镜处被反射回来再顺次经过相位调制器PMB、脉冲时延装置、可调光衰减器、波分复用器、OXC，然后按顺时针方向沿着Sagnac环回到所述耦合器；所述I2链路中的脉冲串从耦合器输出后依次经过公共光纤、光交叉互联器OXC、专用光纤、接入网中的波分复用器、可调光衰减器、脉冲时延装置、相位调制器PMB且被调制产生相位φB、反射镜，然后光脉冲在反射镜处被反射回来再顺次经过相位调制器PMB、脉冲时延装置、可调光衰减器、波分复用器、OXC，然后按逆时针方向沿着sagnac环回到所述耦合器；最后同时回到耦合器的顺时针I1链路和逆时针I2链路在此发生干涉；S5：密钥筛选与成码：Alice记录第一单光子探测器组的探测响应事件和第二单光子探测器组的探测响应事件，Bob声明收到了哪些周期的信号态并且Alice通过公开信道告诉Bob哪些是信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于Sagnac环的QKD城域网系统，其特征在于，包括Alice控制端、Sagnac环、作为骨干节点的光交叉互联器OXC、包含n个Bob用户端的接入网，其中：Alice控制端包括多波长脉冲激光产生装置、波长选择开关、环形器、单光子探测器组、耦合器、相位调制器PMA；多波长脉冲产生装置输出的脉冲组经过波长选择开关、环形器后，通过耦合器注入到Sagnac环中，单光子探测器组通过环形器接耦合器的输入端；所述Sagnac环由m个骨干节点串联组成环状结构；所述光交叉互联器OXC作为骨干节点，在大型网络中以一种自动的方式提供光学通道，而不是手动连接；光交叉互联器OXC从传输光路中有选择地分下/插入本地接收和发送的某些波长信道，同时不影响其他波长信道的传输；所述包含n个Bob用户端的接入网包括一个波分复用器WDM和n个Bob用户端，其中Bob用户端依次包括可调光衰减器、脉冲延时装置、相位调制器PMB以及反射装置。

【技术特征摘要】
1.一种基于Sagnac环的QKD城域网系统，其特征在于，包括Alice控制端、Sagnac环、作为骨干节点的光交叉互联器OXC、包含n个Bob用户端的接入网，其中：Alice控制端包括多波长脉冲激光产生装置、波长选择开关、环形器、单光子探测器组、耦合器、相位调制器PMA；多波长脉冲产生装置输出的脉冲组经过波长选择开关、环形器后，通过耦合器注入到Sagnac环中，单光子探测器组通过环形器接耦合器的输入端；所述Sagnac环由m个骨干节点串联组成环状结构；所述光交叉互联器OXC作为骨干节点，在大型网络中以一种自动的方式提供光学通道，而不是手动连接；光交叉互联器OXC从传输光路中有选择地分下/插入本地接收和发送的某些波长信道，同时不影响其他波长信道的传输；所述包含n个Bob用户端的接入网包括一个波分复用器WDM和n个Bob用户端，其中Bob用户端依次包括可调光衰减器、脉冲延时装置、相位调制器PMB以及反射装置。2.根据权利要求1所述的基于Sagnac环的QKD城域网络系统，其特征在于，所述多波长脉冲产生装置包括相互连接的单光源多波长脉冲激光器和波长选择开关。3.根据权利要求2所述的基于Sagnac环的QKD城域网系统，其特征在于，多波长脉冲产生装置产生多波长脉冲，所述多波长脉冲经过所述耦合器以50:50的比例分成两束光，分别进入到所述Sagnac环脉冲传输线路的顺时针I1链路和逆时针I2链路，均从所述耦合器干涉并输出，输出的光脉冲经所述耦合器传输到所述单光子探测器组。4.根据权利要求3所述的基于Sagnac环的QKD城域网系统，其特征在于，所述单光子探测器组包括第一多波长单光子探测器组和第二多波长单光子探测器组，所述第一多波长单光子探测器组通过第一解复用器连接环形器与所述耦合器上输入端连接，所述第二多波长单光子探测器组通过第二解复用器与所述耦合器下输入端相连。5.根据权利要求4所述的基于Sagnac环的QKD城域网系统，其特征在于，所述光交叉互联器OXC安装在Sagnac环上的任意位置，可动态地安插、取下，同时最大限度地利用公共光纤，减少专用光纤，从而扩大通信范围，减小通信成本。6.根据权利要求5所述的基于Sagnac环的QKD城域网系统，其特征在于，所述包含n个Bob用户端的接入网数量与骨干节点数量相同，接入网向上通过OXC接入骨干环，向下通过波分复用器WDM将n个Bob用户端接入网络，实现城域覆盖。7.一种如权利要求6所述的基于Sagnac环的QKD城域网系统的密钥分发法，其特征在于，包括以下步骤：S1：建立光通道：...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭邦红，冉攀，胡敏，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东,44