申请/专利权人：浙江九州量子信息技术股份有限公司

申请日：2018-04-02

公开（公告）日：2024-06-21

公开（公告）号：CN110351070B

主分类号：H04L9/08

分类号：H04L9/08;H04B10/70;H04B10/556;H04B10/50

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.21#授权;2021.02.05#实质审查的生效;2019.10.18#公开

摘要：一种基于接收端偏振分束的量子密钥分配系统，发射端的发射端干涉环包括对称型的Y分支波导和保偏分束器，所述Y分支波导入射端连接强度调制器，所述Y分支波导的两路分支输出端分别连接保偏分束器，其中一路加光纤延时，所述Y分支波导的两路分支输出端均设置有电极。与现有技术相比，本发明在系统发送端采用Y波导与保偏分束器构成干涉环，通过在Y波导的两个分支端干涉环两臂分别加入电极形成相位调制器，在发射端干涉环两臂均进行随机两相位调制，相比较独立四相位调制，该干涉环将相位调制速率降低50％，系统若是同等频率的相位调制，则可以成倍的提高系统成码率；另外，该系统不需要独立的相位调制器，降低了系统的冗杂度以及设计成本。

主权项：1.一种基于Y波导的量子密钥分发系统，包括发射端与接收端，所述发射端与接收端通过量子信道连接，所述发射端包括发射端驱动板、信号激光器、同步激光器、强度调制器、发射端干涉环、第一可调衰减器、消偏器、第二可调衰减器以及发射端波分复用器，其特征在于，所述发射端干涉环包括对称型的Y分支波导和保偏分束器，所述Y分支波导入射端连接强度调制器，所述Y分支波导的两路分支输出端分别连接保偏分束器，其中一路加光纤延时，所述保偏分束器连接消偏器，所述Y分支波导的两路分支输出端均设置有电极，所述电极连接发射端驱动板，发射端干涉环为由铌酸锂晶体Y分支波导和保偏分束器组成的不等臂MZ干涉环，Y分支波导将信号光分为两路，分别经过不等臂MZ干涉环长短臂，在不等臂MZ长短臂中，发射端驱动板对电极加电压分别对各臂中的光脉冲进行随机相位调制，其中上路调制相位，下路调制相位，然后再由保偏分束器合入同一光路中，所述信号激光器依次连接强度调制器、发射端干涉环、消偏器、第一可调衰减器以及发射端波分复用器，所述同步激光器依次连接第二可调衰减器以及发射端波分复用器，所述第一可调衰减器与第二可调衰减器连接发射端波分复用器的同一端，发射端驱动板还分别连接信号激光器、强度调制器、同步激光器、第一可调衰减器以及第二可调衰减器；所述接收端包括接收端驱动板、接收端波分复用器、同步探测器、偏振分束器、两路并列的接收端干涉环以及四路单光子探测器，所述接收端干涉环与发射端干涉环结构一致，所述接收端干涉环的两路分支输出端仅有一端设有电极，所述电极连接接收端驱动板，利用Y分支波导和保偏分束器制作与发射端臂长差相等的不等臂MZ干涉环，在Y分支波导其中一路分支上加上电极，中间接地，从而形成相位调制器，两路在进入干涉环之后在长臂随机对脉冲进行调相，相位调制为，短臂不做调制，所述接收端波分复用器通过量子信道连接发射端波分复用器，所述接收端波分复用器的另一端分别连接同步探测器与偏振分束器，所述偏振分束器分别连接两路接收端干涉环，其中每路接收端干涉环的保偏分束器分别连接两路单光子探测器，所述接收端驱动板还分别连接同步探测器以及四路单光子探测器。

全文数据：一种基于Y波导的量子密钥分发系统及方法技术领域本发明涉及光传输安全通信技术领域，特别涉及一种基于Y波导的量子密钥分发系统及方法。背景技术随着互联网的大范围普及，人类之间的信息传递达到了前所未有的数量和频率，各种隐私信息越来越多地暴露在互联网上，因此，人类对保密通信的需求也到了前所未有的高度。现在的互联网信息安全的加密方式称为“公开密钥”密码体系，其原理是通过加密算法，生成网络上传播的公开密钥，以及留在计算机内部的私人密钥，两个密钥必须配合使用才能实现完整的加密和解密过程。现代互联网使用的加密标准是20世纪70年代诞生的RSA算法，即利用大数的质因子分解难以计算来保证密钥的安全性。量子密钥分配是1984年物理学家Bennett和密码学家Brassard提出了基于量子力学测量原理的BB84协议，量子密钥分配可以从根本上保证了密钥的安全性。现有技术中量子密钥大都通过单独的相位调制器对光信号进行四相位调制，需要通过高速的电压调制来实现，高速的电压调制对系统驱动板要求较高，且成本较高昂；另外，独立的相位调制器不仅增加了系统的冗杂度，也在一定的程度上提升了系统设计成本。发明内容本发明目的在于提供一种基于Y波导的量子密钥分发系统及方法，以解决现有技术中高速的电压调制对系统驱动板要求较高，且成本较高昂；以及独立的相位调制器不仅增加了系统的冗杂度，也在一定的程度上提升了系统设计成本的技术性缺陷。本发明的技术方案是这样实现的：一种基于Y波导的量子密钥分发系统，包括发射端与接收端，所述发射端与接收端通过量子信道连接，所述发射端包括发射端驱动板、信号激光器、同步激光器、强度调制器、发射端干涉环、第一可调衰减器、消偏器、第二可调衰减器以及发射端波分复用器，所述发射端干涉环包括对称型的Y分支波导和保偏分束器，所述Y分支波导入射端连接强度调制器，所述Y分支波导的两路分支输出端分别连接保偏分束器，其中一路加光纤延时，所述保偏分束器连接消偏器，所述Y分支波导的两路分支输出端均设置有电极，所述电极连接发射端驱动板，所述信号激光器依次连接强度调制器、发射端干涉环、消偏器、第一可调衰减器以及发射端波分复用器，所述同步激光器依次连接第二可调衰减器以及发射端波分复用器，所述第一可调衰减器与第二可调衰减器连接发射端波分复用器的同一端，发射端驱动板还分别连接信号激光器、强度调制器、同步激光器、第一可调衰减器以及第二可调衰减器；所述接收端包括接收端驱动板、接收端波分复用器、同步探测器、偏振分束器、两路并列的接收端干涉环以及四路单光子探测器，所述接收端干涉环与发射端干涉环结构一致，所述接收端干涉环的两路分支输出端仅有一端设有电极，所述电极连接接收端驱动板，所述接收端波分复用器通过量子信道连接发射端波分复用器，所述接收端波分复用器的另一端分别连接同步探测器与偏振分束器，所述偏振分束器分别连接两路接收端干涉环，其中每路接收端干涉环的保偏分束器分别连接两路单光子探测器，所述接收端驱动板还分别连接同步探测器以及四路单光子探测器。优选地，所述量子信道为单模光纤。优选地，所述发射端还包括有第三衰减器，所述第三衰减器设置在消偏器以及第一可调衰减器之间。本发明还提供了一种基于Y波导的量子密钥分发方法，该方法包括以下步骤：1激光器触发：发射端利用同一个时钟信号分别触发信号激光器和同步激光器发射出信号光与同步光，其中信号光作为调制光，同步光作为同步信号传输到接收端由同步探测器响应进行时钟同步；2诱骗态调制：信号激光器发射的信号光通过强度调制器进行随机强度调制，成为信号态、诱骗态或者真空态中的一种；3发射端干涉：发射端干涉环为由铌酸锂晶体Y分支波导和保偏分束器组成的不等臂MZ干涉环，Y分支波导将信号光分为两路，分别经过干涉环长短臂，在干涉环长短臂中，发射端驱动板对电极加电压分别对各臂中的光脉冲进行随机相位调制，其中上路调制相位{0，π2}，下路调制相位{0，π}，然后再由保偏分束器合入同一光路中；4消偏器消偏：两路脉冲分别经过消偏器之后，偏振状态随机变化，偏振度0；5电控可调衰减器对信号光进行衰减：消偏后的信号光经过第一可调衰减器将光脉冲衰减至单光子量级，同步光经过第二可调衰减器将同步光调节至接收端可响应的强度范围；6信号光与同步光通过量子信道传输：将波长不同的信号光和同步光在发射端经过发射端波分复用器合入同一信道传输，并在接收端通过接收端波分复用器重新分解；7偏振分束器分束：将不同偏振的光经过偏振分束器分解为水平偏振方向和垂直偏振方向；8接收端干涉：利用Y分支波导和保偏分束器制作与发射端臂长差相等的不等臂MZ干涉环，在Y分支波导其中一路分支上加上电极，中间接地，从而形成相位调制器，两路在进入干涉环之后在长臂随机对脉冲进行调相，相位调制为{0，π2}，短臂不做调制；9单光子探测器探测：单光子探测器探测出光信号，用于后续处理产生安全密钥。与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明的基于Y波导的量子密钥分发系统，在系统发送端采用Y波导与保偏分束器构成干涉环，通过在Y波导的两个分支端干涉环两臂分别加入电极形成相位调制器，在发射端干涉环两臂均进行随机两相位调制，相比较独立四相位调制，该干涉环将相位调制速率降低50％，系统若是同等频率的相位调制，则可以成倍的提高系统成码率；另外，该系统不需要独立的相位调制器，降低了系统的冗杂度以及设计成本。附图说明图1为本发明基于Y波导的量子密钥分发系统的原理框图；图2为本发明基于Y波导的量子密钥分发系统及方法的流程图。图中：发射端100，发射端驱动板101，信号激光器102，同步激光器103，强度调制器104，发射端干涉环105，Y分支波导1051，保偏分束器1052，第一可调衰减器106，消偏器107，第二可调衰减器108，发射端波分复用器109，第三衰减器110，接收端200，接收端驱动板201，接收端波分复用器202，同步探测器203，偏振分束器204，接收端干涉环205，单光子探测器206，量子信道300。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。如图1所示，一种基于Y波导的量子密钥分发系统，包括发射端100与接收端200，所述发射端100与接收端200通过量子信道300连接，所述发射端100包括发射端驱动板101、信号激光器102、同步激光器103、强度调制器104、发射端干涉环105、第一可调衰减器106、消偏器107、第二可调衰减器108以及发射端波分复用器109，所述发射端干涉环105包括对称型的Y分支波导1051和保偏分束器1052，所述Y分支波导1051入射端连接强度调制器104，所述Y分支波导1051的两路分支输出端分别连接保偏分束器1052，其中一路加光纤延时，所述保偏分束器1052连接消偏器107，所述Y分支波导1051的两路分支输出端均设置有电极，两路分支输出端的中间设置有接地电极，所述电极连接发射端驱动板101，发射端驱动板101可用数字信号作为调相电压对两路分支输出端中的信号光进行相位调制，所述信号激光器102依次连接强度调制器104、发射端干涉环105、消偏器107、第一可调衰减器106以及发射端波分复用器109，所述同步激光器103依次连接第二可调衰减器108以及发射端波分复用器109，所述第一可调衰减器106与第二可调衰减器108连接发射端波分复用器109的同一端，发射端驱动板101还分别连接信号激光器102、强度调制器104、同步激光器103、第一可调衰减器106以及第二可调衰减器108；所述接收端200包括接收端驱动板201、接收端波分复用器202、同步探测器203、偏振分束器204、两路并列的接收端干涉环205以及四路单光子探测器206，所述接收端干涉环205与发射端干涉环105结构一致，所述接收端干涉环205的两路分支输出端仅有一端设有电极，所述电极连接接收端驱动板201，所述接收端波分复用器202通过量子信道300连接发射端波分复用器109，所述接收端波分复用器201的另一端分别连接同步探测器203与偏振分束器204，所述偏振分束器204分别连接两路接收端干涉环205，其中每路接收端干涉环205的保偏分束器分别连接两路单光子探测器206，所述接收端驱动板201还分别连接同步探测器203以及四路单光子探测器206。所述量子信道300为单模光纤。所述发射端100还包括有第三衰减器110，所述第三衰减器110设置在消偏器107以及第一可调衰减器106之间，所述第三衰减器110对光信号进行粗调，第一可调衰减器106对粗调后的光信号进行微调。本发明还提供了一种基于Y波导的量子密钥分发方法，该方法包括以下步骤：1激光器触发：发射端利用同一个时钟信号分别触发信号激光器和同步激光器发射出信号光与同步光，其中信号光作为调制光，同步光作为同步信号传输到接收端由同步探测器响应进行时钟同步；2诱骗态调制：信号激光器发射的信号光通过强度调制器进行随机强度调制，成为信号态、诱骗态或者真空态中的一种；3发射端干涉：发射端干涉环为由铌酸锂晶体Y分支波导和保偏分束器组成的不等臂MZ干涉环，Y分支波导将信号光分为两路，分别经过干涉环长短臂，其中，在Y波导中两路分支输出端分别加有电极，中间的电极接地，可以形成两个相位调制器，在干涉环长短臂中，发射端驱动板对电极加电压分别对各臂中的光脉冲进行随机相位调制，其中上路调制相位{0，π2}，下路调制相位{0，π}，然后再由保偏分束器合入同一光路中；4消偏器消偏：两路脉冲分别经过消偏器之后，偏振状态随机变化，偏振度0；5电控可调衰减器对信号光进行衰减：消偏后的信号光经过第一可调衰减器将光脉冲衰减至单光子量级，同步光经过第二可调衰减器将同步光调节至接收端可响应的强度范围；6信号光与同步光通过量子信道传输：将波长不同的信号光和同步光在发射端经过发射端波分复用器合入同一信道传输，并在接收端通过接收端波分复用器重新分解；7偏振分束器分束：将不同偏振的光经过偏振分束器分解为水平偏振方向和垂直偏振方向；8接收端干涉：利用Y分支波导和保偏分束器制作与发射端臂长差相等的不等臂MZ干涉环，在Y分支波导其中一路分支上加上电极，中间接地，从而形成相位调制器，两路在进入干涉环之后在长臂随机对脉冲进行调相，相位调制为{0，π2}，短臂不做调制；9单光子探测器探测：单光子探测器探测出光信号，用于后续处理产生安全密钥。综合本发明的结构与原理可知，本发明的基于Y波导的量子密钥分发系统，在系统发送端采用Y波导与保偏分束器构成干涉环，通过在Y波导的两个分支端干涉环两臂分别加入电极形成相位调制器，在发射端干涉环两臂均进行随机两相位调制，相比较独立四相位调制，该干涉环将相位调制速率降低50％，系统若是同等频率的相位调制，则可以成倍的提高系统成码率；另外，该系统不需要独立的相位调制器，降低了系统的冗杂度以及设计成本。

权利要求：1.一种基于Y波导的量子密钥分发系统，包括发射端与接收端，所述发射端与接收端通过量子信道连接，所述发射端包括发射端驱动板、信号激光器、同步激光器、强度调制器、发射端干涉环、第一可调衰减器、消偏器、第二可调衰减器以及发射端波分复用器，其特征在于，所述发射端干涉环包括对称型的Y分支波导和保偏分束器，所述Y分支波导入射端连接强度调制器，所述Y分支波导的两路分支输出端分别连接保偏分束器，其中一路加光纤延时，所述保偏分束器连接消偏器，所述Y分支波导的两路分支输出端均设置有电极，所述电极连接发射端驱动板，所述信号激光器依次连接强度调制器、发射端干涉环、消偏器、第一可调衰减器以及发射端波分复用器，所述同步激光器依次连接第二可调衰减器以及发射端波分复用器，所述第一可调衰减器与第二可调衰减器连接发射端波分复用器的同一端，发射端驱动板还分别连接信号激光器、强度调制器、同步激光器、第一可调衰减器以及第二可调衰减器；所述接收端包括接收端驱动板、接收端波分复用器、同步探测器、偏振分束器、两路并列的接收端干涉环以及四路单光子探测器，所述接收端干涉环与发射端干涉环结构一致，所述接收端干涉环的两路分支输出端仅有一端设有电极，所述电极连接接收端驱动板，所述接收端波分复用器通过量子信道连接发射端波分复用器，所述接收端波分复用器的另一端分别连接同步探测器与偏振分束器，所述偏振分束器分别连接两路接收端干涉环，其中每路接收端干涉环的保偏分束器分别连接两路单光子探测器，所述接收端驱动板还分别连接同步探测器以及四路单光子探测器。2.如权利要求1所述的基于Y波导的量子密钥分发系统，其特征在于，所述量子信道为单模光纤。3.如权利要求1所述的基于Y波导的量子密钥分发系统，其特征在于，所述发射端还包括有第三衰减器，所述第三衰减器设置在消偏器以及第一可调衰减器之间。4.一种基于权利要求1的基于Y波导的量子密钥分发方法，其特征在于，包括以下步骤：1激光器触发：发射端利用同一个时钟信号分别触发信号激光器和同步激光器发射出信号光与同步光，其中信号光作为调制光，同步光作为同步信号传输到接收端由同步探测器响应进行时钟同步；2诱骗态调制：信号激光器发射的信号光通过强度调制器进行随机强度调制，成为信号态、诱骗态或者真空态中的一种；3发射端干涉：发射端干涉环为由铌酸锂晶体Y分支波导和保偏分束器组成的不等臂MZ干涉环，Y分支波导将信号光分为两路，分别经过干涉环长短臂，在干涉环长短臂中，发射端驱动板对电极加电压分别对各臂中的光脉冲进行随机相位调制，其中上路调制相位{0，π2}，下路调制相位{0，π}，然后再由保偏分束器合入同一光路中；4消偏器消偏：两路脉冲分别经过消偏器之后，偏振状态随机变化，偏振度0；5电控可调衰减器对信号光进行衰减：消偏后的信号光经过第一可调衰减器将光脉冲衰减至单光子量级，同步光经过第二可调衰减器将同步光调节至接收端可响应的强度范围；6信号光与同步光通过量子信道传输：将波长不同的信号光和同步光在发射端经过发射端波分复用器合入同一信道传输，并在接收端通过接收端波分复用器重新分解；7偏振分束器分束：将不同偏振的光经过偏振分束器分解为水平偏振方向和垂直偏振方向；8接收端干涉：利用Y分支波导和保偏分束器制作与发射端臂长差相等的不等臂MZ干涉环，在Y分支波导其中一路分支上加上电极，中间接地，从而形成相位调制器，两路在进入干涉环之后在长臂随机对脉冲进行调相，相位调制为{0，π2}，短臂不做调制；9单光子探测器探测：单光子探测器探测出光信号，用于后续处理产生安全密钥。

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