一种可靠性增强的双向QKD系统及其光纤链路监测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种可靠性增强的双向QKD系统及其光纤链路监测方法，其中允许仅对双向QKD系统的软件控制模块进行改进，在QKD系统正常执行QKD过程之余实现OTDR功能，实时保证QKD过程的可靠性。其中，借助其单光子探测器实现对背向瑞利散射光信号的探测，可以获得更高的时间分辨率和更远的动态范围，从而有效避免探测盲区。与现有技术相比，本发明专利技术无需改变原有光路结构，且易于实现，能够以极低成本和简单的控制过程，实现QKD系统可靠性的提升。实现QKD系统可靠性的提升。实现QKD系统可靠性的提升。

【技术实现步骤摘要】
一种可靠性增强的双向QKD系统及其光纤链路监测方法


[0001]本专利技术涉及量子光学和量子信息领域，特别涉及一种可靠性增强的双向QKD系统及其光纤链路监测方法。

技术介绍

[0002]随着科技的发展和社会的进步，在军事、金融乃至日常的生活中，人们对于信息安全的问题越来越重视，对于保密通信的要求越来越高。QKD具有经典密码学所无法比拟的优势，其安全性基于量子力学的基本原理，能够提供理论上无条件安全的密钥传输。目前量子密钥分发技术的研究正在朝着工程化、实用化的方向发展。实用化的QKD系统对可靠性提出了较高的要求。然而，尽管QKD具有理论上无条件安全性，但是其系统比较脆弱，并不意味着绝对可靠。在QKD实用化工程中，增加针对现实系统攻击提高其可靠性，使其更进一步实现理论上的“无条件安全”，仍然是目前该领域的研究重点之一。另外，QKD系统需要通过长距离的光纤进行传输，光纤在外界传输过程中可能会受到自然灾害、人为或者鸟兽的破坏，使得链路出现故障，导致通信中断，所以在通信过程中进行有效的光纤安全监测，及时地对通信系统进行维修养护也是非常重要的。
[0003]针对光纤断点的实时监测问题，常用光时域反射仪(OTDR)实现对光纤的实时监测。例如，图1示出了一种光缆问题的预告警方法及装置，其中通过将光纤的OTDR曲线与预先存储的同一光纤的参考曲线进行比较来判断光缆是否存在问题。图2示出了一种光缆网络反窃听的装置及方法，其中利用波分复用单元将监测信号与通信信号进行复用，通过比较OTDR光纤线路衰减曲线数据来进行预警。目前传统所使用的接收端探测器多为工作于线性模式下的光电管，诸如PIN管、雪崩光电二极管、光电倍增管(PMT)等，这些传统探测器由于自身的高噪声限制了其所能测量的最大动态范围、最高分辨率等各项性能。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术公开了一种可靠性增强的双向QKD系统及QKD系统光纤链路监测方法。借助本专利技术，允许通过对双向QKD系统中发送方和接收方的软件控制模块的改进，能够基于QKD系统原有的硬件结构，实现对其光纤链路的状态监测，甚至允许以时分的方式在QKD系统正常执行QKD过程之余，实现OTDR功能，实时保证QKD过程的安全性和可靠性。其中，根据本专利技术的双向QKD系统借助其单光子探测器实现对背向瑞利散射光信号的探测，可以获得更高的时间分辨率和更远的动态范围，从而有效避免探测盲区。与现有技术相比，本专利技术无需改变原有光路结构，且易于实现，能够以极低成本和简单的控制过程，实现QKD系统安全性和可靠性的提升。
[0005]具体而言，本专利技术的第一方面涉及一种可靠性增强的双向QKD系统，其包括Alice端、Bob端及连接于两者之间的光纤链路；
[0006]所述Alice端包括第一发送方和第一接收方，所述Bob端包括第二发送方和第二接收方；
[0007]所述第一发送方被设置用于生成并向光纤链路发送第一光脉冲序列，其中，所述第一光脉冲序列包括第一信号光脉冲和第一探测光脉冲；
[0008]所述第二接收方被设置用于接收第一信号光脉冲并对其进行解码；
[0009]所述第一接收方被设置用于接收第一探测光信号在光纤链路上形成的第一背向瑞利散射光信号，借助单光子探测器获取所述第一背向瑞利散射光信号的光子计数N
i
，同时获取所述第一背向瑞利散射光信号在光纤链路上的形成位置信息P
i
，i＝1、...、n，利用所述光子计数N
i
和形成位置信息P
i
计算得到散射关系曲线，并根据所述散射关系曲线监测光纤链路的状态。
[0010]进一步地，所述第二发送方被设置用于生成并向光纤链路发送第二光脉冲序列，其中，所述第二光脉冲序列包括第二信号光脉冲和第二探测光脉冲；
[0011]所述第一接收方被设置用于接收第二信号光脉冲并对其进行解码；
[0012]所述第二接收方被设置用于接收第二探测光信号在光纤链路上形成的第二背向瑞利散射光信号，借助单光子探测器获取所述第二背向瑞利散射光信号的光子计数N
j
，同时获取所述第二背向瑞利散射光信号在光纤链路上的形成位置信息P
j
，j＝1、...、m，利用所述光子计数N
j
和形成位置信息P
j
计算得到散射关系曲线，并根据所述散射关系曲线监测光纤链路的状态。
[0013]进一步地，所述发送方包括激光光源、编码器和衰减模块，所述激光光源被设置用于生成激光脉冲，所述编码器被设置用于对激光脉冲进行编码和调节脉宽，所述衰减模块被设置用于对激光脉冲提供不同的衰减；并且，
[0014]所述接收方包括时间数字转换器和单光子探测器，其中，所述时间数字转换器被设置用于记录单光子探测器的探测结果，以允许所述接收方根据探测光脉冲及相应的背向瑞利散射光信号之间的时间差，计算得到形成位置信息。
[0015]进一步地，第一发送方和第一接收方通过第一环形器连接光纤链路，且第二发送方和第二接收方通过第二环形器连接光纤链路。
[0016]进一步地，所述信号光脉冲和探测光脉冲具有不同的光强和脉宽。
[0017]进一步地，所述衰减模块被设置成，使到达单光子探测器的背向瑞利散射光信号的功率小于或等于单光子探测器的典型值P
eff
；以及/或者，所述衰减模块包括可调光衰减器；以及/或者，所述激光光源具有1550nm的波长。
[0018]进一步地，所述接收方被设置成，如果所述散射关系曲线上存在尖峰，则判断光纤链路上存在断点或连接变差区域，和/或如果所述散射关系曲线上存在斜率变化区域，则判断光纤链路被窃听攻击；以及/或者，在所述散射关系曲线中，横坐标为形成位置信息P
i
，纵坐标为N
i
/N0，N0为单光子探测器的本底噪声。
[0019]本专利技术的第二方面涉及一种QKD系统光纤链路监测方法，其包括以下步骤：
[0020]由Alice端和/或Bob端向光纤链路输入探测光脉冲；
[0021]利用单光子探测器获取探测光信号在光纤链路上形成的背向瑞利散射光信号的光子计数N
i
，同时获取所述背向瑞利散射光信号在光纤链路上的形成位置信息P
i
，i＝1、...、n；
[0022]利用所述光子计数N
i
与形成位置信息P
i
得到散射关系曲线，并根据所述散射关系曲线监测光纤链路的状态；
[0023]其中，所述探测光脉冲的功率被选择成使其形成的背向瑞利散射光信号在到达单光子探测器时的功率小于或等于单光子探测器的典型值P
eff
。
[0024]进一步地，可以利用Alice端和/或Bob端中的编码器调节探测光脉冲的脉宽，并且利用Alice端和/或Bob端中的可调光衰减器为探测光脉冲提供衰减。
[0025]优选地，本专利技术的监测方法可以借助上述双向QKD系统来实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可靠性增强的双向QKD系统，其包括Alice端、Bob端及连接于两者之间的光纤链路；所述Alice端包括第一发送方和第一接收方，所述Bob端包括第二发送方和第二接收方；所述第一发送方被设置用于生成并向光纤链路发送第一光脉冲序列，其中，所述第一光脉冲序列包括第一信号光脉冲和第一探测光脉冲；所述第二接收方被设置用于接收第一信号光脉冲并对其进行解码；所述第一接收方被设置用于接收第一探测光信号在光纤链路上形成的第一背向瑞利散射光信号，借助单光子探测器获取所述第一背向瑞利散射光信号的光子计数N
i
，同时获取所述第一背向瑞利散射光信号在光纤链路上的形成位置信息P
i
，i＝1、...、n，利用所述光子计数N
i
和形成位置信息P
i
计算得到散射关系曲线，并根据所述散射关系曲线监测光纤链路的状态。2.如权利要求1所述的双向QKD系统，其中，所述第二发送方被设置用于生成并向光纤链路发送第二光脉冲序列，其中，所述第二光脉冲序列包括第二信号光脉冲和第二探测光脉冲；所述第一接收方被设置用于接收第二信号光脉冲并对其进行解码；所述第二接收方被设置用于接收第二探测光信号在光纤链路上形成的第二背向瑞利散射光信号，借助单光子探测器获取所述第二背向瑞利散射光信号的光子计数N
j
，同时获取所述第二背向瑞利散射光信号在光纤链路上的形成位置信息P
j
，j＝1、...、m，利用所述光子计数N
j
和形成位置信息P
j
计算得到散射关系曲线，并根据所述散射关系曲线监测光纤链路的状态。3.如权利要求1或2所述的双向QKD系统，其中，所述发送方包括激光光源、编码器和衰减模块，所述激光光源被设置用于生成激光脉冲，所述编码器被设置用于对激光脉冲进行编码和调节脉宽，所述衰减模块被设置用于对激光脉冲提供不同的衰减；并且，所述接收方包括时间数字转换器和单光子探测器，其中，所述时间数字转换器被设置用于记录单光子探测器的探测结果，以允许所述接收方根据探测光脉冲及相应的背向瑞利散射光...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洋，贺培鑫，陈腾云，
申请(专利权)人：济南量子技术研究院，
类型：发明
国别省市：