基于反谐振空芯光纤的数据传输且同时分发量子密钥方法技术

本发明专利技术公开了一种基于反谐振空芯光纤的数据传输且同时分发量子密钥的方法，方法包括以下步骤：提供至少有两个通光窗口的反谐振空芯光纤，传输数据的第一信道基于所述反谐振空芯光纤一个通光窗口输送，传输加密所述数据的量子密钥的第二信道同时通过所述反谐振空芯光纤的另一个通光窗口输送。

【技术实现步骤摘要】
基于反谐振空芯光纤的数据传输且同时分发量子密钥方法
本专利技术属于光纤通信
，特别是一种基于反谐振空芯光纤的数据传输且同时分发量子密钥方法。
技术介绍
5G通信网络要求数据传输具有如下四个特点：流量大、延时小、功耗低、安全性好。为了满足这些要求，作为通信网络骨干的光纤的性能需要进一步提高。过去四十年，传统光纤通信系统主要使用的是单芯单模的石英玻璃光纤。石英玻璃固有的非线性效应(克尔效应、非弹性散射等)、瑞利散射损耗、和传播速度小于光速1.46倍等物理缺陷逐渐显露出来。这些本征的物理缺陷限制了人们利用更高阶的相干调制技术进一步提高传输容量，阻断了继续降低光纤传输损耗、节省功耗的可能性，对信息的传输时延设定了上限。针对5G通信应用对数据安全的特殊要求，在数据传输网络之外额外铺设一条密钥协商信道的做法非常不经济。如图6所示的现有技术中传统的量子加密光纤通信系统示意图，传统的量子加密光纤通信系统需要一条量子信道和一条经典信道配合完成量子密钥的分发，然后使用量子密钥对传输数据进行加密。量子信道负责弱光的传输，经典信道负责强光的传输。两者同时工作会对量子信道末端的单光子检测造成极大的噪声，因为经典信道中的强光可以通过与光纤玻璃的非线性作用改变频率，转到量子信道使用的波长上，在量子信道的接收端产生无法去除的随机噪声。为了解决这一问题，可以采用分时操作或者另外如前所述的铺设光纤链路的办法，但是会增加系统的成本和复杂性，无法实现内生式的安全光通信。另外，普通石英玻璃光纤在350-900nm波段损耗很大，无法用作量子信道。而综合性能最佳的硅基单光子探测器的工作波段在350-900nm。这一对矛盾受限于物理机理，是无法解决的。在
技术介绍
部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本专利技术背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提出一种基于反谐振空芯光纤的数据传输且同时分发量子密钥的方法，在低损耗多通带的反谐振空芯光纤中同时进行低延时/大容量经典数据传输和高成码率量子密钥分发，并利用量子密钥对传输数据进行加密。本专利技术的空芯光纤是一种物理上全新的传输链路，光场与玻璃重叠程度极小，小3-4个数量级，光场主要与空气重叠。因此，空芯光纤中的非线性效应非常弱，允许两个信道之间不发生串扰，同时运行。空芯光纤在这个波段达到比石英玻璃光纤更低的传输损耗本专利技术的目的是通过以下技术方案予以实现，一种基于反谐振空芯光纤的数据传输且同时分发量子密钥的方法包括以下步骤：提供至少有两个通光窗口的反谐振空芯光纤；传输数据的第一信道基于所述反谐振空芯光纤一个通光窗口输送；传输加密所述数据的量子密钥的第二信道同时通过所述反谐振空芯光纤的另一个通光窗口输送。与石英玻璃光纤相比，空芯光纤的纤芯中填充的是空气，因此空芯光纤具有极低的三阶非线性系数(比同等横截面积的石英光纤小3个数量级)和接近光速的传播速度(0.997倍光速)。空气的瑞利散射系数比石英玻璃小2-3个数量级，经过技术改进后的空芯光纤损耗有望降到比石英光纤更低的程度。反谐振空芯光纤可以在多个波段同时实现超低损耗、带宽足够大的光传输，给光纤通信系统的容量扩充提供了极大的空间。对经典信道而言，宽通带意味着更大的频率资源，低非线性意味着可用高阶相干调制技术提高频带利用率，两者都对扩大传输容量有很大好处。对量子信道而言，反谐振空芯光纤在可见光波段的损耗持续下降和硅基单光子探测器在这一波段的性能优势结合起来，可以得到更高的量子密钥成码率。反谐振空芯光纤的双折射率很低，偏振相关损耗很低，这两个物理量受外界环境的影响(弹光系数)很小，有利于利用光波的偏振态进行量子密钥分发操作。另外，由于空芯光纤的拉曼散射系数很低，经典数据信道中的强激光不会影响量子密钥信道，两者可以无串扰的共同布置在同一根光纤中。系统自身产生的量子密钥可以对传输数据进行加密和签名。这种内生式的安全光通信可以大幅降低保密通信网络的建设成本和运行复杂性。所述的方法中，所述通光窗口的位置可以通过调整结构尺寸匹配光通信使用的850nm、1310nm、1550nm或2μm波段，和硅基单光子探测器使用的350-900nm波段。所述的方法中，所述反谐振空芯光纤的通光窗口的带宽可以通过优化包层中玻璃壁的厚度和均匀性来获得提高。所述的方法中，所述数据传输可以采用高阶正交振幅调制，提高每个符号包含的信息量，扩大信道传输容量。所述的方法中，所述分发量子密钥可以使用基于雪崩硅光电二极管的单光子探测器，提高探测效率，降低暗计数率，在室温下工作且价格便宜。所述的方法中，所述两个通光窗口可近似单模。所述的方法中，所述量子密钥的第二信道可低双折射和低偏振依赖损耗。所述的方法中，反谐振空芯光纤的包层中空气孔的等效直径与纤芯直径的比例大致为0.68。所述的方法中，数据传输的第一信道和量子密钥分发的第二信道处于不同阶的反谐振通光窗口中：其中t代表玻璃壁厚度，n石英玻璃折射率，λ波长，m为反谐振阶数，负责量子密钥分发的第二信道设在相应通光窗口中心。所述的方法中，传输数据的第一信道连通数据发射和接收模块，其包括激光器、信号调制器、光放大器、复用器和探测器，传输加密所述数据的量子密钥的第二信道连通量子密钥分发系统，其包括脉冲激光器、可变光衰减器、起偏器、分束器、偏振分束器、二分之一波片、四分之一波片和硅基单光子探测器。所述的方法中，所述数据发射和接收模块以及所述量子密钥分发系统经由波分复用/解复用器合并以连接到空芯光纤两端。和现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术所述的方法在低损耗多通带的反谐振空芯光纤中同时进行低延时/大容量经典数据传输和高成码率量子密钥分发，并利用量子密钥对传输数据进行加密。对经典信道而言，宽通带意味着更大的频率资源，低非线性意味着可用高阶相干调制技术提高频带利用率，两者都对扩大传输容量有很大好处。对量子信道而言，反谐振空芯光纤在可见光波段的损耗持续下降和硅基单光子探测器在这一波段的性能优势结合起来，可以得到更高的量子密钥成码率。反谐振空芯光纤的双折射率很低，偏振相关损耗很低，这两个物理量受外界环境的影响(弹光系数)很小，有利于利用光波的偏振态进行量子密钥分发操作。另外，由于空芯光纤的拉曼散射系数很低，经典数据信道中的强激光不会影响量子密钥信道，两者可以无串扰的共同布置在同一根光纤中。系统自身产生的量子密钥可以对传输数据进行加密和签名。这种内生式的安全光通信可以大幅降低保密通信网络的建设成本和运行复杂性。附图说明通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本专利技术各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于反谐振空芯光纤的数据传输且同时分发量子密钥的方法，所述方法包括以下步骤：/n提供至少有两个通光窗口的反谐振空芯光纤；/n传输数据的第一信道基于所述反谐振空芯光纤一个通光窗口输送；/n传输加密所述数据的量子密钥的第二信道同时通过所述反谐振空芯光纤的另一个通光窗口输送。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于反谐振空芯光纤的数据传输且同时分发量子密钥的方法，所述方法包括以下步骤：
提供至少有两个通光窗口的反谐振空芯光纤；
传输数据的第一信道基于所述反谐振空芯光纤一个通光窗口输送；
传输加密所述数据的量子密钥的第二信道同时通过所述反谐振空芯光纤的另一个通光窗口输送。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，优选的，所述通光窗口的位置可以通过调整结构尺寸匹配光通信使用的850nm、1310nm、1550nm或2μm波段，和硅基单光子探测器使用的350-900nm波段。


3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述反谐振空芯光纤的通光窗口的带宽可以通过优化包层中玻璃壁的厚度和均匀性来获得提高。


4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述数据传输可以采用高阶正交振幅调制，提高每个符号包含的信息量，扩大信道传输容量。


5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述分发量子密钥可以使用基于雪崩硅光电二极管的单光子探测器，提高探测效率...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁伟，汪滢莹，张利剑，
申请(专利权)人：暨南大学，南京大学，
类型：发明
国别省市：广东;44