一种基于模分复用的量子-经典共纤传输的系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于模分复用的量子‑经典共纤传输的系统，包括2个经典信号发送器、QKD发送器、第一模式复用器、第二模式复用器、EDFA、模式解复用器、MIMO数字信号处理单元、2个经典信号接收器、QKD接收器和传输链路。传输链路采用少模光纤传输，其中包含有N个掺铒光纤放大器。接收端包括模式解复用器、数字信号处理MIMO、2个经典信号接收器和QKD接收器。本发明专利技术在采用模分复用增大传输容量的基础上，能够根据经典信号和量子信号接收端的误码率自动的调节掺铒光纤放大器中泵浦光的功率，减小MDM系统中MDL损伤。

A system and method of quantum classical fiber transmission based on mode division multiplexing

【技术实现步骤摘要】
一种基于模分复用的量子-经典共纤传输的系统和方法
本专利技术涉及量子保密通信领域，尤其涉及一种基于模分复用的量子-经典共纤传输的系统和方法。
技术介绍
光纤凭借其大容量、抗干扰性强、低损耗等优势，已成为目前网络传输的主要媒介。随着社会信息化进程的不断加快，人们对光纤容量的需求不断增加，各国的研究人员不断地尝试利用光纤的各个自由度，如时间、频率、偏振态、相位等，研究不同的复用技术来扩大光纤的容量，但这些都是利用单模光纤来实现的。然而，随着光纤容量的增长，这些系统内光纤的非线性效应越来越强，已逐渐接近光纤非线性传输的香农极限。量子密码学是利用量子物理基本原理来保证信息传递的安全性的，从理论上来讲是具有无条件安全性的。量子密钥分发(QKD，QuantumKeyDistribution)是发展的最为成熟的量子密码技术。QKD在发送方Alice与接收方Bob之间使用单光子来传输密钥信息，由于单光子容易受到其他信号的影响，目前QKD网络主要采用单根光纤来传输量子信号。为了节省QKD网络铺设的成本，可以将QKD网络与现有的经典通信网络结合在一起，使量子信号与经典信号共纤传输。常用的技术是波分复用(WDM，WavelengthDivisionMultiplexing)，但由于光纤容量的不断增加，采用单模光纤的WDM技术已经到达非线性传输的极限。基于少模光纤(FMF，Few-modeFiber)的模分复用(MDM，ModeDivisionMultiplexing)技术有望解决传输容量的问题。MDM是指利用相互正交的模式分别承载一路信号在同一根光纤中传输，极大地提升了系统的容量。少模光纤凭借其较大的模场面积，相比于单模光纤，有效的降低了非线性效应。在长距离传输过程中，每40-120公里就需要插入掺铒光纤放大器(EDFA，Erbium-dopedfiberamplifier)将信号功率提升至发射状态，但EDFA的模式增益差会引起模式相关损耗(MDL,ModeDependentLoss)，这是最主要的链路损伤之一，为了减小MDL，要使EDFA尽可能的为所有模式提供相同的增益。MDL会破坏传输模式之间的正交性，影响系统的传输容量，并且会随着距离的增加而累积。因此，找出一种减小MDL影响的方法对量子-经典融合系统尤为重要。“现有技术专利：(CN108667530)提供了一种经典光强自调节量子信号与经典信号复用的传输系统，但其使用的是基于单模光纤的波分复用技术，并且其反馈调节的是衰减经典信号的衰减系数，并没有考虑光纤放大器中产生的MDL。”“现有技术专利：(CN109039589)提供了一种量子信号与经典信号复用光纤传输的装置和方法，但其是根据接收方终端的噪声反馈信息自动调整衰减系数来衰减经典信号，并未考虑放大器中产生的MDL，并且使用的是基于单模光纤的波分复用技术，非线性效应较大。”“现有技术专利：(CN108631904)提供了一种基于格基规约的模分复用系统损伤补偿方法，但方法较为复杂，并且没有使用QKD技术，安全性能欠佳。”
技术实现思路
为了解决上述技术方案的瓶颈，本专利技术提出了一种基于模分复用的量子-经典共纤同传系统，通过接收端的经典信号接收器和QKD接收器将接收到的误码率信息反馈给EDFA，调整EDFA内泵浦的功率，实现信号模式增益均衡，从而减小MDL对系统的影响。改善了现有的长距离模分复用传输系统中，由于EDFA导致的不同模式之间存在较大的模式增益差，导致系统的传输容量下降的情况。为了达到上述技术效果，本专利技术的技术方案如下：一种基于模分复用的量子-经典共纤传输的系统，包括2个经典信号发送器、QKD发送器、第一模式复用器、第二模式复用器、EDFA、模式解复用器、MIMO数字信号处理单元、2个经典信号接收器、QKD接收器和传输链路；所述2个经典信号发送器分别与所述第一模式复用器连接，所述第一模式复用器与EDFA通过FMF连接；所述QKD发送器与所述第一模式复用器分别连接至所述第二模式复用器的一端；所述第二模式复用器的另一端通过FMF与所述模式解复用器连接；所述模式解复用器与所述MIMO数字信号处理单元一端连接，所述MIMO数字信号处理单元另一端分别与所述2个经典信号接收器和所述QKD接收器连接；所述2个经典信号接收器和所述QKD接收器与EDFA连接；2个经典信号发送器发出的2个经典信号经传输到达第一模式复用器，2个经典信号的LP01模在第一模式复用器处转变为2个不同的经典信号的高阶模，再经过EDFA到达第二模式复用器，与QKD发送器发出的量子信号的LP01模在第二模式复用器中复用，其中2个经典信号的高阶模与量子信号的LP01模均保持不变；再传输到达模式解复用器，模式解复用器将接收到的2个经典信号的高阶模转变回LP01模，量子信号的LP01模保持不变；最后经典信号和量子信号经过MIMO数字信号处理单元补偿信号的损伤后，2个经典信号传输到2个经典信号接收器，量子信号传输到QKD接收器；所述经典信号接收器与所述QKD接收器将误码率信息反馈给所述EDFA，EDFA根据误码率自动调节泵浦的功率，均衡模间增益。具体地，所述传输链路采用少模光纤，包含有N个掺铒光纤放大器。优选地，所述EDFA包括模式复用器、二向色镜、泵浦光源和少模增益光纤。具体的，2种信号模式和泵浦光源发出的泵浦模式经过各自的复用器复用后，通过二向色镜一起注入到少模增益光纤，并在少模增益光纤中，各个信号模式在泵浦光的作用下实现放大输出。具体地，所述QKD发送器是基于诱骗态BB84协议发送的量子密钥信息。具体地，所述经典信号发送器包括激光二极管和强度调制器。具体地，所述QKD发送器包括依次连接的脉冲激光器、强度调制器、2个分束器BS和相位调制ΦA。进一步地，所述QKD接收器包括2个分束器BS、2个探测器和相位调制ΦB，所述2个探测器都与其中一个分束器BS连接。在本专利技术中，所述第一模式复用器用于将2个经典信号复用，第二模式复用器用于将经过EDFA的所述2个经典信号和所述量子信号复用，所述模式解复用器用于将2个经典信号和量子信号解复用。优选的，所述模式复用/解复用器采用一种基于波瓣型方向控制器型模式复用/解复用器。进一步的，所述模式复用/解复用器可以同时实现从单模中基模向少模光纤中高阶模的模式转换和复用/解复用功能，使得输入与输出端节省了模式转换器这一器件。优选的，所述MIMO数字信号处理可以补偿传输链路带给信号的损伤。优选的，所述经典信号接收器与QKD接收器可以将误码率信息反馈给EDFA的泵浦，使得泵浦可以根据需要自行调节功率，均衡模间增益差。进一步的，为了使2个经典信号的高阶模有相似的模式增益，可以将泵浦源的模式设置为LP01模与LP21模，可使得EDFA末端两信号模式增益差值约0.5dB。本专利技术还提供了一种基于模分复用的量子-经典共纤传输方法，包括如下步骤：S1、系统初始化：测试各项设备能否正常工作，测试信噪比是否达到正本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于模分复用的量子-经典共纤传输的系统，其特征在于，包括2个经典信号发送器、QKD发送器、第一模式复用器、第二模式复用器、EDFA、模式解复用器、MIMO数字信号处理单元、2个经典信号接收器、QKD接收器和传输链路；/n所述2个经典信号发送器分别与所述第一模式复用器连接，所述第一模式复用器与EDFA通过FMF连接；所述QKD发送器与所述第一模式复用器分别连接至所述第二模式复用器的一端；所述第二模式复用器的另一端通过FMF与所述模式解复用器连接；所述模式解复用器与所述MIMO数字信号处理单元一端连接，所述MIMO数字信号处理单元另一端分别与所述2个经典信号接收器和所述QKD接收器连接；所述2个经典信号接收器和所述QKD接收器与EDFA连接；/n2个经典信号发送器发出的2个经典信号经传输到达第一模式复用器，2个经典信号的LP

【技术特征摘要】
1.一种基于模分复用的量子-经典共纤传输的系统，其特征在于，包括2个经典信号发送器、QKD发送器、第一模式复用器、第二模式复用器、EDFA、模式解复用器、MIMO数字信号处理单元、2个经典信号接收器、QKD接收器和传输链路；
所述2个经典信号发送器分别与所述第一模式复用器连接，所述第一模式复用器与EDFA通过FMF连接；所述QKD发送器与所述第一模式复用器分别连接至所述第二模式复用器的一端；所述第二模式复用器的另一端通过FMF与所述模式解复用器连接；所述模式解复用器与所述MIMO数字信号处理单元一端连接，所述MIMO数字信号处理单元另一端分别与所述2个经典信号接收器和所述QKD接收器连接；所述2个经典信号接收器和所述QKD接收器与EDFA连接；
2个经典信号发送器发出的2个经典信号经传输到达第一模式复用器，2个经典信号的LP01模在第一模式复用器处转变为2个不同的经典信号的高阶模，再经过EDFA到达第二模式复用器，与QKD发送器发出的量子信号的LP01模在第二模式复用器中复用，其中2个经典信号的高阶模与量子信号的LP01模均保持不变；再传输到达模式解复用器，模式解复用器将接收到的2个经典信号的高阶模转变回LP01模，量子信号的LP01模保持不变；最后经典信号和量子信号经过MIMO数字信号处理单元补偿信号的损伤后，2个经典信号传输到2个经典信号接收器，量子信号传输到QKD接收器；所述经典信号接收器与所述QKD接收器将误码率信息反馈给所述EDFA，EDFA根据误码率自动调节泵浦的功率，均衡模间增益。


2.根据权利要求1所述的一种基于模分复用的量子-经典共纤传输的系统，其特征在于，所述QKD发送器是基于诱骗态BB84协议发送的量子密钥信息。


3.根据权利要求1所述的一种基于模分复用的量子-经典共纤传输的系统，其特征在于，所述EDFA包括模式复用器、二向色镜、泵浦光源和少模增益光纤。


4.根据权利要求3所述的一种基于模分复用的量子-经典共纤传输的系统，其特征在于，所述泵浦光源的模式设置为LP01模与LP21模。


5.根据权利要求1所述的一种基于模分复用的量子-经典共纤传输的系统，其特征在于，所述第一模式复用器用于将2个经典信号复用，第二模式复用器用于将经过EDFA的所述2个经典信号和所述量子信号复用，所述模式解复...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭邦红，陈璁，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