一种基于低串扰少模-多芯光纤的量子与经典融合系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于低串扰少模‑多芯光纤的量子与经典融合系统和方法，包括发送端、扇入器件、少模‑多芯光纤、扇出器件以及接收端；所述发送端包括经典信号发送端、量子信号发送器、同步信号发送端；所述接收端包括经典信号接收端、量子信号接收器和同步信号接收器；本发明专利技术通过使用少模‑多芯光纤实现量子信号与经典信号共纤传输，其中少模‑多芯光纤为异质沟槽辅助型的环芯光纤，可以极大地降低不同纤芯、不同模式信号间的串扰，尤其可以降低经典信号对量子信号的干扰，可以将量子信号直接加入现存含有EDFA的经典网络中，改善了以往量子与经典融合网络中，由于量子信号无法经过EDFA而需另外搭设线路绕过的情况，节约了成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于低串扰少模-多芯光纤的量子与经典融合系统和方法
本专利技术涉及量子通信网络领域，具体涉及一种基于低串扰少模-多芯光纤的量子与经典融合系统和方法。
技术介绍
自1984年首次被提出以来，量子密钥分发(QuantumKeyDistribution，QKD)技术在理论和实践上均取得了重大突破。在大数据的信息时代，网络的安全性是一个不容忽视的问题。量子保密通信从理论上来讲是具有无条件安全性的。但若要单独构建QKD网络所需要的成本高昂，这很大程度上限制了QKD网络的实用性。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，以降低线路铺设和运营费用，并提高QKD网络的可扩展性。随着互联网、大数据、5G等业务的发展，人们对于光通信系统的容量需求大大增加。通过应用波分复用、频分复用和偏振复用等技术，现有的常规单模光纤的容量已不再满足不断增长的容量需求，且正接近其香农传输极限。为了进一步增加光纤的通信容量，最直接的方法即为增加纤芯或模式的空间利用率。在传统的量子与经典融合网络中，量子信息与经典信息在同一根光纤中传输，相互之间有干扰，通过多芯光纤可以将量子信息与经典信息分离，并且可以利用多芯光纤的空分复用实现多路复用，提高量子信息效率。目前的空分复用有两种方法，第一种方法是通过使用多芯光纤，将多个独立的纤芯合并到一根光纤中。第二种方法是使用少模光纤或多模光纤，利用光纤中多种不同的模式，使光纤的传输容量随着模式数量的增长而成倍增加。在量子与经典融合网络中，由于量子信号处于单光子级别，极易受到经典信号带来的干扰。因此，如何使用恰当的方法来降低经典信号与量子信号间的串扰，是现在亟需解决的问题。同时，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)将信号功率提升至发射状态，而量子信号无法经过EDFA，最简单的方法是另外搭设一条线路使量子信号绕过EDFA，而这无疑会增加系统的成本与复杂度。“现有技术专利：(CN210839585U)提出了一种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，解决了融合网络的容量瓶颈。但该系统未考虑如何处理量子信息与EDFA之间的关系问题。本专利技术提出的一种基于少模-多芯光纤的量子与经典融合系统和方法可有效解决这一问题。”“现有技术专利：(CN106533565B)提供了一种量子保密通信方法和装置，利用多芯光纤和中继设备实现远距离量子保密通信。但该系统并未着重考虑芯间串扰及模间串扰等共纤同传系统中量子信道的主要噪声干扰。本专利技术所使用的多芯光纤可有效降低芯间串扰及模间串扰。”
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提出了一种基于低串扰少模-多芯光纤的量子与经典融合系统和方法，其中少模一多芯光纤为沟槽辅助型的环芯光纤，可以极大地降低不同纤芯、不同模式信号间的串扰，尤其可以降低经典信号对量子信号的干扰，同时采用芯区泵浦的方法，可以将量子信号直接加入现存含有EDFA的经典网络中。为了达到上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：一种基于低串扰少模-多芯光纤的量子与经典融合系统，包括依次连接的发送端、扇入器件、少模-多芯光纤、扇出器件以及接收端；所述发送端包括经典信号发送端、量子信号发送器、同步信号发送端；所述经典信号发送端的输出端与所述扇入器件的输入端连接用于生成经典信号并输出到扇入器件；所述同步信号发送端的输出端与所述扇入器件的输入端连接，用于将同步信号输出到所述扇入器件；所述量子信号发送器与所述扇入器件连接，用于将量子信号发送到所述扇入器件；所述扇入器件用于将多路信号耦合进少模-多芯光纤中；所述扇出器件用于将信号从少模-多芯光纤解复用到接收端的单模光纤中；第一波分复用器、第一泵浦光源、多个第二波分复用器、多个第二泵浦光源、扇入器件、少模-多芯光纤和扇出器件组成多芯掺铒光纤放大器；所述接收端包括经典信号接收端、量子信号接收器和同步信号接收器；所述经典信号接收端包括多个经典信号接收子模块，每个所述经典信号接收子模块的输入端与所述扇出器件的输出端连接，用于接收并检测经典信号；所述同步信号接收器的输入端与所述扇出器件的输出端连接，所述量子信号接收器的输入端与所述扇出器件的输出端连接；每个所述经典信号发送端生成3路处于基模的经典信号，同时将3路处于基模的经典信号转化为三路不同的高阶模式的经典信号并复用在同一根少模光纤上，然后输出到所述扇入器件；所述同步信号发送端和量子信号发送器分别将处于同步信号和量子信号传输到所述扇入器件中；所述扇入器件将多路不同高阶模式的经典信号以及处于基模的量子信号和同步信号耦合进所述少模-多芯光纤中并传输至所述扇出器件，在扇出器件处解复用为多路模分复用的经典信号、1路同步信号与1路量子信号，多路处于3个不同的高阶模式的经典信号被转化为基模的经典信号并解复用至经典信号接收子模块，经典信号接收子模块对解复用后的多路处于基模的经典信号进行接收并检测；同步信号接收器对同步信号进行接收；量子信号接收器对量子信号进行接收和检测，并根据检测结果与发送端进行密钥协商和隐私放大。优选地，所述同步信号发送端包括同步信号发送器、第一波分复用器和第一泵浦光源；所述同步信号发送器的输出端和第一泵浦光源的输出端与所述第一波分复用器的输入端连接；所述第一波分复用器的输出端与所述扇入器件的输入端连接；所述同步信号发生器将生成的处于基模的同步信号输出至第一波分复用器，所述第一泵浦光源将泵浦光输出到所述第一波分复用器中与处于基模的同步信号进行耦合，并输出到扇入器件中。优选地，所述经典信号发送端包括多个与经典信号接收子模块一一对应的经典信号发送子模块、多个模式复用器、多个第二波分复用器和多个第二泵浦光源；每个经典信号发送子模块对应一个模式复用器、一个第二波分复用器和一个第二泵浦光源；每个所述经典信号发送子模块包括3个经典信号发送器；3个所述经典信号发送器的输出端与所述模式复用器的输入端连接，所述模式复用器的输出端和第二泵浦光源的输出端与所述第一波分复用器的输入端连接，所述第二波分复用器的输出端与所述扇入器件的输入端连接；所述第二泵浦光源将泵浦光输出到所述第二波分复用器中，同时3个所述经典信号发送器发出三路处于基模的信号，经过模式复用器后耦合进同一少模光纤中并传输至所述第一波分复用器中与泵浦光耦合，再与处于基模的量子信号与同步信号通过扇入器件耦合经少模-多芯光纤中。优选地，每个所述经典信号接收子模块包括三个经典信号接收器和一个模式解复用器；所述模式解复用器的输入端与所述扇出器件的输出端连接；所述经典信号接收子模块的3个所述经典信号发送器的输入端与所述模式解复用器的输出端连接。优选地，所述模式复用器/模式解复用器为基于波瓣型方向控制器型模式复用器/模式解复用器，可将输入的多路基模/高阶模信号转化为不同的高阶模/基模。优选地，所述少模-多芯光纤为异质沟槽辅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于低串扰少模-多芯光纤的量子与经典融合系统，其特征在于：包括依次连接的发送端、扇入器件、少模-多芯光纤、扇出器件以及接收端；/n所述发送端包括经典信号发送端、量子信号发送器、同步信号发送端；所述经典信号发送端的输出端与所述扇入器件的输入端连接用于生成经典信号并输出到扇入器件；/n所述同步信号发送端的输出端与所述扇入器件的输入端连接，用于将同步信号输出到所述扇入器件；/n所述量子信号发送器与所述扇入器件连接，用于将量子信号发送到所述扇入器件；/n所述扇入器件用于将多路信号耦合进少模-多芯光纤中；/n所述扇出器件用于将信号从少模-多芯光纤解复用到接收端的单模光纤中；/n所述接收端包括经典信号接收端、量子信号接收器和同步信号接收器；所述经典信号接收端包括多个经典信号接收子模块，每个所述经典信号接收子模块的输入端与所述扇出器件的输出端连接，用于接收并检测经典信号；/n所述同步信号接收器的输入端与所述扇出器件的输出端连接，所述量子信号接收器的输入端与所述扇出器件的输出端连接；/n每个所述经典信号发送端生成3路处于基模的经典信号，同时将3路处于基模的经典信号转化为三路不同的高阶模式的经典信号并复用在同一根少模光纤上，然后输出到所述扇入器件；所述同步信号发送端和量子信号发送器分别将处于同步信号和量子信号传输到所述扇入器件中；所述扇入器件将多路不同高阶模式的经典信号以及处于基模的量子信号和同步信号耦合进所述少模-多芯光纤中并传输至所述扇出器件，在扇出器件处解复用为多路模分复用的经典信号、1路同步信号与1路量子信号，多路处于3个不同的高阶模式的经典信号被转化为基模的经典信号并解复用至经典信号接收子模块，经典信号接收子模块对解复用后的多路处于基模的经典信号进行接收并检测；同步信号接收器对同步信号进行接收；量子信号接收器对量子信号进行接收和检测，并根据检测结果与发送端进行密钥协商和隐私放大。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于低串扰少模-多芯光纤的量子与经典融合系统，其特征在于：包括依次连接的发送端、扇入器件、少模-多芯光纤、扇出器件以及接收端；
所述发送端包括经典信号发送端、量子信号发送器、同步信号发送端；所述经典信号发送端的输出端与所述扇入器件的输入端连接用于生成经典信号并输出到扇入器件；
所述同步信号发送端的输出端与所述扇入器件的输入端连接，用于将同步信号输出到所述扇入器件；
所述量子信号发送器与所述扇入器件连接，用于将量子信号发送到所述扇入器件；
所述扇入器件用于将多路信号耦合进少模-多芯光纤中；
所述扇出器件用于将信号从少模-多芯光纤解复用到接收端的单模光纤中；
所述接收端包括经典信号接收端、量子信号接收器和同步信号接收器；所述经典信号接收端包括多个经典信号接收子模块，每个所述经典信号接收子模块的输入端与所述扇出器件的输出端连接，用于接收并检测经典信号；
所述同步信号接收器的输入端与所述扇出器件的输出端连接，所述量子信号接收器的输入端与所述扇出器件的输出端连接；
每个所述经典信号发送端生成3路处于基模的经典信号，同时将3路处于基模的经典信号转化为三路不同的高阶模式的经典信号并复用在同一根少模光纤上，然后输出到所述扇入器件；所述同步信号发送端和量子信号发送器分别将处于同步信号和量子信号传输到所述扇入器件中；所述扇入器件将多路不同高阶模式的经典信号以及处于基模的量子信号和同步信号耦合进所述少模-多芯光纤中并传输至所述扇出器件，在扇出器件处解复用为多路模分复用的经典信号、1路同步信号与1路量子信号，多路处于3个不同的高阶模式的经典信号被转化为基模的经典信号并解复用至经典信号接收子模块，经典信号接收子模块对解复用后的多路处于基模的经典信号进行接收并检测；同步信号接收器对同步信号进行接收；量子信号接收器对量子信号进行接收和检测，并根据检测结果与发送端进行密钥协商和隐私放大。


2.根据权利要求1所述的一种基于低串扰少模-多芯光纤的量子与经典融合系统，其特征在于：所述同步信号发送端包括同步信号发送器、第一波分复用器和第一泵浦光源；所述同步信号发送器的输出端和第一泵浦光源的输出端与所述第一波分复用器的输入端连接；所述第一波分复用器的输出端与所述扇入器件的输入端连接；所述同步信号发生器将生成的处于基模的同步信号输出至第一波分复用器，所述第一泵浦光源将泵浦光输出到所述第一波分复用器中与处于基模的同步信号进行耦合，并输出到扇入器件中。


3.根据权利要求2所述的一种基于低串扰少模-多芯光纤的量子与经典融合系统，其特征在于：所述经典信号发送端包括多个与经典信号接收子模块一一对应的经典信号发送子模块、多个模式复用器、多个第二波分复用器和多个第二泵浦光源；每个经典信号发送子模块对应一个模式复用器、一个第二波分复用器和一个第二泵浦光源；每个所述经典信号发送子模块包括3个经典信号发送器；3个所述经典信号发送器的输出端与所述模式复用器的输入端连接，所述模式复用器的输出端和第二泵浦光源的输出端与所述第一波分复用器的输入端连接，所述第二波分复用器的输出端与所述扇入器件的输入端连接；所述第二泵浦光源将泵浦光输出到所述第二波分复用器中，同时3个所述经典信号发送器发出三路处于基模的信号，经过模式复用器后耦合进同一少模光纤中并传输至所述第一波分复用器中与泵浦光耦合，再与处于基模的量子信号与...

【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