用于量子密钥分发设备的自适应色散补偿装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于量子密钥分发设备的自适应色散补偿装置及方法，其中基于单光子探测器计数评估光纤链路中的色散量，以克服现有技术因采用量子密钥生成率或者错误率评估色散导致误差较大、适用场景有限及反应时间过长等问题，同时通过对色散补偿量可调装置的优化设计，选择接入不同的色散补偿单元共同提供色散补偿，可以允许设置具有更大带宽的色散补偿单元，实现更好的环境适应性，甚至无需负温度补偿封装或者温度控制，降低了技术难度且提高了可靠性。高了可靠性。高了可靠性。

【技术实现步骤摘要】
用于量子密钥分发设备的自适应色散补偿装置及方法


[0001]本专利技术涉及量子保密通信
，尤其涉及一种用于量子密钥分发设备的自适应色散补偿装置及方法。

技术介绍

[0002]量子密钥分发(QKD)基于量子力学原理，由于量子不可克隆和测不准原理，是理论可证明无条件安全的密钥分发体系。量子密钥分发设备发送端发射单光子级别的信号，经光纤链路或者自由空间传输，到达接收方后采用单光子探测器进行探测。目前很大部分量子密钥分发均使用光纤链路，而光纤链路存在色散效应，简单来说是光脉冲经光纤传输后会产生时域展宽。对于经典光通信而言，由于系统重复频率一般高达数十吉赫兹(GHz)甚至上百吉赫兹，因此色散引起的光脉冲时域展宽往往会导致前后光脉冲交叠，眼图劣化，引起误码。对于量子密钥分发而言，由于目前较高的系统重复频率也仅有吉赫兹左右，两个相邻光脉冲经光纤传输时仍能保持距离，即使色散一般也不会引起明显的误码。尤其是在采用门控型单光子探测器进行探测时，由于其有效门宽仅有数百皮秒，色散引起的光脉冲时域展宽部分不在单光子探测器的有效探测时间范围内，因此将不会被探测到，更不会引起误码。然而，色散引起的光脉冲时域展宽，会导致部分光子落在单光子探测器的有效探测时间范围外，导致有效探测效率降低，直接影响量子密钥分发设备的成码率。
[0003]由于色散展宽量与光脉冲的光谱宽度和在普通光纤上传输的距离均成正相关关系。因此，为抑制这种色散效果，现有技术存在两种基本的解决思路，一是优化光脉冲光谱宽度或者增加窄带滤波器产生窄的光谱，二是对光脉冲提供色散补偿，例如在光路中设置色散补偿光纤或者啁啾光栅等进行预补偿。
[0004]例如，图1示出了现有技术中的一种用于经典光通信的光网络可调色散补偿装置，其借助光网络管理和控制系统获得残余色散最大值和最小值，并通过控制色散补偿单元阵列为光脉冲提供相应的色散补偿。在图1所示的补偿装置中，所提供的色散补偿是由色散补偿单元阵列中的某个色散补偿单元单独实现的，因此，为了能够为光脉冲提供不同的色散补偿，该色散补偿单元阵列中的各个色散补偿单元往往被设计成具有不同的色散补偿量，即同时需要具有较小的色散补偿量和较大的色散补偿量。然而，啁啾光栅的带宽与其色散补偿量成负相关关系，当其设计的色散补偿量增大时将导致其带宽降低，而在带宽较低时，其中心波长及通带容易受到环境温度的影响，需要进行负温度补偿封装，不仅工艺复杂、成本高，还会影响产品的可靠性。
[0005]图2示出了现有技术中的一种用于量子密钥分发的色散补偿解决方案，其中提出获取量子密钥生成率(即，单位时间内产生的量子密钥比特数)并判断其是否小于预设值，当量子密钥生成率小于预设值时，则进一步判断量子密钥生成率小于预设值是否是由光纤链路引入的色散引起，若是则进行光纤色散补偿。
[0006]图3示出了现有技术中的另一种用于量子密钥分发的色散补偿解决方案，其提出在量子密钥发送和/或接收系统内设置可调色散管理模块，用于在系统运行或者通信光纤
长度变化时动态调节用于光脉冲的色散补偿量，使所提供的色散补偿量能够与通信信道光纤引入的色散量相当。其中还特别针对因系统光纤长度未知导致可调色散补偿模块的初始值不易设置的问题，提出了一种基于扫描算法实现的自适应色散补偿方案：在可调色散补偿模块的工作范围内，从小到大按照合适步进递增色散补偿量；观测色散补偿量改变时系统运行情况，若可以正常运行，则记录误码率，若无法运行，则记录无法运行；获得误码率与色散补偿量的关联曲线，从该关联曲线的极小值点中确定误码率极小值时的色散补偿量，并据此对系统进行配置。
[0007]由此可见，量子密钥分发和经典光通信虽然都需要解决色散问题，但二者的实现方式和应用场景差异巨大，面临的具体瓶颈也不相同，具体解决方法也有所差异，例如，在光纤链路的色散评估及色散补偿方式上均存在不同。
[0008]在图2
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3所示的用于量子密钥分发的色散补偿方案，仅提出利用成码率或误码率评估光纤链路的色散量，再利用色散管理模块或色散可调装置提供相应的色散补偿，未有详细介绍用于实现色散补偿的色散管理模块或色散可调装置。
[0009]实际上，申请人经研究发现，现有色散补偿方案所重点描述的色散量评估方法也存在问题。
[0010]例如，图2所示方案提出基于量子密钥生成率作为色散自适应补偿的判断依据。而在实际运行中，量子密钥生成率受到多种因素的影响，例如错误率、信号态与诱骗态的比例以及链路引起的偏振或者相位随机波动等因素。为此，若色散自适应补偿的判断依据是量子密钥生成率，这样容易产生判断误差甚至错误。再者，量子密钥生成率的获得需要先生成量子密钥，这又需要一定的统计时间，从而大大限制链路色散评估的实时性。
[0011]图3所示的方案提出基于错误率评估系统所需要的色散补偿量。实际上，对于重复频率为1GHz左右的量子密钥分发系统，其典型的应用光纤距离仅有100km左右甚至更短，对于一般的G.652光纤，在这个传输距离下，只要对光谱进行适当管控，其引起的光纤链路色散量并不大，几乎不会引起误码。一般来说，只有当光谱管控效果十分差时，误码率和色散量才会有较明显关系。为此，用误码率实时评估光纤链路的色散，往往要建立在光谱管控差的系统中，适用范围具有较大的限制性。与此同时，不同于经典光通信可以使用光的强度进行编码，量子密钥分发系统一般不能使用强度进行编码，往往使用相位或者偏振等维度进行编码，因此其错误率容易受到链路引起的偏振或者相位随机变化的影响。如此，使用量子密钥分发系统的错误率进行链路色散量评估容易受到其他因素的干扰，结果产生误差甚至错误。另外，量子密钥错误率也是一种统计，往往需要进行基矢比对，这也需要一定的统计时间，同样会大大限制链路色散评估的实时性。

技术实现思路

[0012]针对现有技术存在的上述问题，本专利技术公开了一种用于量子密钥分发设备的自适应色散补偿装置及方法，其中提出基于单光子探测器的计数来评估光纤链路中的色散量，可以克服现有技术因采用量子密钥生成率或者错误率评估色散或者色散补偿效果导致误差较大、适用场景有限及反应时间过长等问题，同时通过对色散补偿量可调装置的优化设计，可以借助选择接入不同的色散补偿单元共同提供色散补偿，而无需如现有技术那样为每种色散补偿量设置单独的色散补偿单元，从而允许设置具有更大带宽的色散补偿单元，
实现更好的环境适应性，甚至无需负温度补偿封装或者温度控制，降低了技术难度且提高了可靠性。
[0013]具体而言，本专利技术的第一方面涉及一种用于量子密钥分发设备的自适应色散补偿装置，其包括单光子探测器、色散补偿量可调装置以及处理和控制单元，其中：
[0014]所述色散补偿量可调装置用于为光脉冲提供不同的色散补偿量；
[0015]所述单光子探测器用于对所述光脉冲进行探测以生成计数；
[0016]所述处理和控制单元用于利用所述单光子探测器的计数评估光纤链路中的色散量，以及根据评估的色散量控制所述色散补偿量可调装置为所述光脉冲提供色散补偿。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于量子密钥分发设备的自适应色散补偿装置，其包括单光子探测器、色散补偿量可调装置以及处理和控制单元，其中：所述色散补偿量可调装置用于为光脉冲提供不同的色散补偿量；所述单光子探测器用于对所述光脉冲进行探测以生成计数；所述处理和控制单元用于利用所述单光子探测器的计数评估光纤链路中的色散量，以及根据评估的色散量控制所述色散补偿量可调装置为所述光脉冲提供色散补偿。2.如权利要求1所述的自适应色散补偿装置，其中，所述处理和控制单元被设置成：获取所述单光子探测器对于所述光脉冲在预设时间段内的计数，并根据所述计数评估所述光纤链路中的色散量。3.如权利要求1所述的自适应色散补偿装置，其中，所述处理和控制单元被设置成：根据所述单光子探测器对于所述光脉冲的计数，生成计数时域分布曲线，并根据所述计数时域分布曲线的半高宽评估所述光纤链路中的色散量。4.如权利要求1所述的自适应色散补偿装置，其中，所述色散补偿量可调装置包括n个第一光开关、一个第二光开关和n个色散补偿单元；所述第一光开关为具有一个输入端及第一和第二输出端的1*2光开关，所述第二光开关为具有(n+1)个输入端和一个输出端的(n+1)*1光开关；并且，所述第一光开关中的第一个的输入端用于接收所述光脉冲，第一输出端连接所述第二光开关的第一输入端；所述第一光开关中的第i个的输入端通过所述色散补偿单元中的第i
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1个连接所述第一光开关中的第i
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1个的第二输出端，第一输出端连接所述第二光开关的第i个输入端；所述第一光开关中的第n个的第二输出端通过所述色散补偿单元中的第n个连接所述第二光开关的第n+1个输入端；其中，n为正整数，i为大于1且不大于n的整数。5.如权利要求4所述的自适应色散补偿装置，其中：所述第一光开关中的第一个的输入端连接有色散补偿单元；以及/或者，所述第一光开关的第一输出端与所述第二光开关的输入端之间未设置色散补偿单元。6.如权利要求1所述的自适应色散补偿装置，其中，所述色散补偿量可调装置包括1*2光开关和2*2光分束器；所述1*2光开关的输入端连接有色散补偿单元；所述1*2光开关的两个输出端分别连接所述2*2光分束器的两个输入端，以形成第一和第二路径；并且，所述第一和第二路径中的至少一个上设置有色散补偿单元。7.如权利要求1
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6中任一项所述的自适...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘仁德，汤艳琳，唐世彪，
申请(专利权)人：科大国盾量子技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：