一种基于MDM-SDM的量子与经典融合通信系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于MDM‑SDM的量子与经典融合通信系统，包括Alice发送端、Bob接收端和MDM‑SDM复用单元，所述Alice发送端通过MDM‑SDM复用单元与Bob接收端连接。本实用新型专利技术采用异质沟槽辅助渐变折射率型FM‑MCF特种光纤，实现MDM‑SDM二维复用的量子与经典融合传输系统，解决融合网络的容量瓶颈。通过选取合适的纤芯数和模式数，能够降低信号处理的要求，其信号间的模式正交性以及空间隔离性进一步降低了经典信号对量子信号的干扰，易在融合通信时获得更好的量子密钥分发性能。为以后的超大容量融合通信网络建设，提供了一种高安全性、低损耗和低成本的可行方案。

A quantum classical fusion communication system based on mdm-sdm

【技术实现步骤摘要】
一种基于MDM-SDM的量子与经典融合通信系统
本技术涉及量子信息领域，尤其涉及一种基于MDM-SDM的量子与经典融合通信系统。
技术介绍
量子保密通信提供了在量子力学保证情况下安全密钥分发的潜力，证实了无条件安全的可能性，是量子通信中发展最迅速、最接近实用和规模化的技术。在过去30多年里，自由空间和基于光纤的QKD(QuantumKeyDistribution，量子密钥分发)实验通过利用不同物理原理都证明了量子保密通信的可行性。但QKD系统一般采用专用的光纤和设备，在网络规模和实用性方面存在限制。为了降低成本并提高光纤传输效率，可在现有的光纤基础设施中集成QKD和经典通信系统，以此降低敷设和运营费用，并提高QKD网络的可扩展性。1997年，Townsend首次提出针对QKD和经典信号同时传输的方案。使用CWDM(CoarseWavelengthDivisionMultiplexing，粗波分复用技术)，将1300nmQKD信道与传统的1550nm经典信道进行多路复用，在光纤中实现超过25km的传输。但是考虑到光纤的非线性效应和高速传输光信噪比的要求，基于SMF(SingleModeFiber，单模光纤)的WDM技术已经接近容量极限，且在链路上需要额外的设备，会引入格外的串扰和损耗而可能损害最终的安全性，亟需采用新的复用技术来提高光传输容量，增加频谱效率，满足日益增长的容量需求。基于FMF(FewModeFiber，少模光纤)的MDM(ModeDivisionMultiplexing，模分复用)共纤同传方案、基于MCF(MultiCoreFiber，多芯光纤)的SDM(SpaceDivisionMultiplexing，空分复用)共纤同传方案有望解决上述问题。2013年，JoelCarpenter等人完成了经典信号和量子信号在一根6个模式FMF中模分复用传输的实验，其中基模传输量子信号，高阶模传输经典信号，经典信道和量子信道的隔离度达35dB。其优势在于利用FMF不同模式的正交性，能有效降低经典信号对量子信号的噪声干扰。但是其在传输过程中不可避免地会出现模式色散，且随着传输模式的增加，传输模式的复用和解复用将变得非常复杂。2016年，J.F.Dynes等人首次在53km的七芯MCF中以空分复用方式实现量子与经典融合传输。其优势在于MCF的各纤芯之间是基于物理结构隔离的，量子信号受到经典信号的干扰较小，易于在大容量的经典信号同传时获得更好的QKD性能。2019年，TobiasA.Eriksson等人通过实验研究了在19核MCF中CV-QKD信号和WDM复用的24.5Gbaud16QAM(QuadratureAmplitudeModulation，正交幅度调制)进行空分复用的可行性，其将CV-QKD信号放置在经典信号波段的保护带中的波长处，进一步抑制了信号间串扰，但因其采用的多芯光纤包层空间有限，从而使纤芯的数量受到限制，不利于进一步提升传输容量。“现有技术专利：(CN110247705A)提供了一种基于多芯光纤的量子接入网架构及方法，可支持大量量子用户接入，但其采用的七芯光纤包层有限，难以进一步提高通信容量，本专利技术更优的提出采用FM-MCF特种光纤实现融合传输，利用空间维度和模式维度相结合的二维复用方式，解决了通信容量瓶颈问题。”“现有技术专利：(CN110048776A)利用不同模式之间的正交性，提出了一种基于少模光纤实现多路QKD复用的方案。但其要采用单独的设备实现量子密钥分发，成本较高，本专利技术更优地提出量子与经典融合传输方案，让量子信号与经典信号共用光纤基础设施，节约了成本，提高了QKD的实用性。”“现有技术专利：(CN109600221A)提出了一种基于多芯光纤实现量子与经典模分复用传输的方案，提高了信号间的隔离度。但其采用的DV-QKD协议对光源和探测器的要求比较高，本专利技术进一步提出使用CV-QKD协议实现融合传输，其成本低、实用性强，与传统光通信网络融合性更好。”
技术实现思路
为了解决上述技术方案的瓶颈，本技术提出了MDM和SDM相结合的二维复用传输方式，即在一个光纤包层内放置多根纤芯，每根纤芯可以同时传输多个模式的FM-MCF(FewMode-MultiCoreFiber，少模-多芯光纤)实现融合传输。本技术提供了一种实现超大容量传输和提升安全性的基于MDM-SDM的量子与经典融合通信系统及传输方法。采用异质沟槽辅助渐变折射率型FM-MCF特种光纤，实现MDM-SDM二维复用的量子与经典融合传输系统，解决融合网络的容量瓶颈。选取合适的纤芯数和模式数，能够降低信号处理的要求，易在量子和经典传输时获得更好的量子密钥分发性能。其异质结构使得芯间串扰对弯曲程度不敏感并且由于异质纤芯间比同质纤芯间具有更大的有效折射率差，串扰得以有效降低。其沟槽辅助型结构可以通过抑制两个相邻纤芯电场分布的交叠，能有效减少模间串扰，较大的模场面积在降低非线性损伤的同时又能保持低色散性能。本技术采用基于RR(ReverseReconciliation，反向协调)GG02协议的QKD技术(高斯调制相干态CV-QKD)。在GG02协议中，发送方Alice选取服从均值为零的高斯分布的随机序列，并根据其制备相干态发送给Bob。接收方Bob随机选择零差测量的测量基并公布基矢选择，Alice仅保留与Bob所测正则分量相同的数据。Alice和Bob进行数据后处理，最终得到相同的安全密钥。与DV-QKD协议相比，CV-QKD只需普通的相干激光器，平衡零差检测器，成本低、实用性强，且在同等条件下其输出的密钥率远高于DV-QKD技术，且因为其相干检测原理与经典相干通信之间的相似性，使其与传统光通信网络融合性更好。所以本技术更优地选择了CV-QKD技术。为了进一步提高密钥传输距离，本技术进一步引入反向协调纠错协议，即Alice利用Bob发送来的校验信息将手中的数据修正的与Bob的数据相一致。为了达到上述技术效果，本技术的技术方案如下：一种基于MDM-SDM的量子与经典融合通信系统，包括Alice发送端、Bob接收端和MDM-SDM复用单元，所述Alice发送端通过MDM-SDM复用单元与Bob接收端连接；所述MDM-SDM复用单元包括MDM-SDM复用器和MDM-SDM解复用器，所述MDM-SDM复用器和MDM-SDM解复用器通过FM-MCF特种光纤连接，所述FM-MCF特种光纤为异质沟槽辅助渐变折射率型三模七芯光纤；所述FM-MCF特种光纤的纤芯的折射率分布为渐变型，同一根纤芯中可以传输三种模式的信号；所述Alice发送端包括N个LD(LaserDiode，半导体激光器)、N个BS(BeamSplitter，分束器)、N个AM(AmplitudeModulator，幅度调制器)、N个PM(PhaseModulator，相位调制器)、N个PBSa(PolarizationBeamSplitter，偏振分束器)和1个经典信号发送器；所述N个LD依次通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于MDM-SDM的量子与经典融合通信系统，其特征在于，包括Alice发送端、Bob接收端和MDM-SDM复用单元，所述Alice发送端通过MDM-SDM复用单元与Bob接收端连接；/n所述MDM-SDM复用单元包括MDM-SDM复用器和MDM-SDM解复用器，所述MDM-SDM复用器和MDM-SDM解复用器通过FM-MCF特种光纤连接；/n所述Alice发送端包括N个LD、N个BS、N个AM、N个PM、N个PBSa和1个经典信号发送器；任意一个LD依次通过BS、AM、PM与PBSa连接，所述N个PBSa与MDM-SDM复用器连接，所述经典信号发送器与MDM-SDM复用器连接；/n所述Bob接收端包括N个CV-QKD接收器、N个放大器、N个90°光学混合器、N个PBSb、N个PC、一个LO、N个相干接收器、N个色散补偿单元、一个MIMO单元、N个DSP单元和N个信号判决单元；所述MDM-SDM解复用器通过N个PC与PBSb连接，N个PBSb分别通过90°光学混合器、放大器与CV-QKD接收器连接；所述MDM-SDM解复用器分别通过N个相干接收器与色散补偿单元连接，N个色散补偿单元通过MIMO单元、DSP单元分别与信号判决单元连接；所述1个LO与N个相干接收器连接；/n所述经典信号发送器发送2N个QPSK信号，经过模式转换从基模转换成高阶模LP...

【技术特征摘要】
1.一种基于MDM-SDM的量子与经典融合通信系统，其特征在于，包括Alice发送端、Bob接收端和MDM-SDM复用单元，所述Alice发送端通过MDM-SDM复用单元与Bob接收端连接；
所述MDM-SDM复用单元包括MDM-SDM复用器和MDM-SDM解复用器，所述MDM-SDM复用器和MDM-SDM解复用器通过FM-MCF特种光纤连接；
所述Alice发送端包括N个LD、N个BS、N个AM、N个PM、N个PBSa和1个经典信号发送器；任意一个LD依次通过BS、AM、PM与PBSa连接，所述N个PBSa与MDM-SDM复用器连接，所述经典信号发送器与MDM-SDM复用器连接；
所述Bob接收端包括N个CV-QKD接收器、N个放大器、N个90°光学混合器、N个PBSb、N个PC、一个LO、N个相干接收器、N个色散补偿单元、一个MIMO单元、N个DSP单元和N个信号判决单元；所述MDM-SDM解复用器通过N个PC与PBSb连接，N个PBSb分别通过90°光学混合器、放大器与CV-QKD接收器连接；所述MDM-SDM解复用器分别通过N个相干接收器与色散补偿单元连接，N个色散补偿单元通过MIMO单元、DSP单元分别与信号判决单元连接；所述1个LO与N个相干接收器连接；
所述经典信号发送器发送2N个QPSK信号，经过模式转换从基模转换成高阶模LP11a、LP11b；所述Alice发送端的N个LD发射一个脉冲，通过90/10的BS将脉冲分成上路的量子信号和下路的LO信号，量子信号经AM和PM调制后与LO信号通过PBSa耦合到一起；所述经典信号发送器转换后的信号和耦合后的量子信号一同进入MDM-SDM复用器，转换成适合FM-MCF传输的模式，并通过FM-MCF发送到MDM-SDM解复用器分解成独立的2N个经典信号和N个量子信号；分解后的各个经典信号分别进行模式转换从高阶模转换成基模的形式，并连同LO信号进入相干接收器进行相干检测，通过色散补偿单元进行色散补偿，通过MIMO单元进行均衡处理，通过DSP单元进行数字信号处理，最后进行信号判决；分解后的N个量子信号，依次通过PC单元进行偏振校正，通过PBSb单元分成上路的量子信号和下路的LO信号，两束信号通过90°光学混合器执行4个90°的相位干涉，从中提取出量子信号的相位和振幅，通过放大器进行信号放大，最后到达CV-Q...

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