基于色散管理的長(zhǎng)距離量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)研究

宋紅巖

合肥量芯科技股份有限公司 安徽 合肥 231241

引言

近些年，量子信息技術(shù)憑借其可抵抗超性能計(jì)算的安全性優(yōu)勢(shì)[1]，不斷取得進(jìn)步，逐步由實(shí)驗(yàn)室走上實(shí)用化道路。對(duì)于量子保密通信網(wǎng)，現(xiàn)階段最硬性的需求是更高碼率和更長(zhǎng)距離[2]，而這兩個(gè)參數(shù)都受限于光纖色散的影響：色散引起脈沖展寬導(dǎo)致高速系統(tǒng)恢復(fù)脈沖時(shí)序困難，限制系統(tǒng)速度；色散隨著傳輸距離增長(zhǎng)而增長(zhǎng)限制了系統(tǒng)在長(zhǎng)距離通信下的表現(xiàn)，使得系統(tǒng)碼率下降，甚至難以運(yùn)行。在長(zhǎng)距離保密通信網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)論是經(jīng)典的BB84協(xié)議還是新型協(xié)議（如TF-QKD協(xié)議[3]）中，都需要色散補(bǔ)償。

現(xiàn)階段，比較成熟兩種色散補(bǔ)償方案是基于色散補(bǔ)償光纖（DCF）和基于啁啾光柵（CFBG）色散補(bǔ)償。此外還存在兩種可調(diào)色散補(bǔ)償方案，包括基于G-T標(biāo)準(zhǔn)具的可調(diào)色散補(bǔ)償模塊（TDC）和基于FBG的TDC。

基于表1所示的不同色散補(bǔ)償方案優(yōu)劣勢(shì)分析，本方案提出一種基于窄帶濾波器和G-T標(biāo)準(zhǔn)具可調(diào)色散補(bǔ)償模塊的色散管理系統(tǒng)。通過(guò)光源光譜管理控制系統(tǒng)色散導(dǎo)致的脈沖展寬量，降低色散對(duì)通信距離的影響，同時(shí)在系統(tǒng)內(nèi)預(yù)部署可調(diào)色散補(bǔ)償模塊，可高精度匹配不同通信距離下的色散量。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)實(shí)施最優(yōu)色散補(bǔ)償，支持不同距離的量子保密通信。

表1 不同色散補(bǔ)償方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

1 系統(tǒng)方案及結(jié)果

本方案所提出的色散管理量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)主要包含量子密鑰發(fā)送系統(tǒng)；通信信道和量子密鑰接收系統(tǒng)。量子密鑰發(fā)送系統(tǒng)主要包含光源模塊，編碼模塊，光束管理模塊，可調(diào)色散管理模塊。量子密鑰接收系統(tǒng)包括接收模塊和解碼模塊，接收模塊用以接收信號(hào)，解碼模塊用以對(duì)接收模塊所接收到得被編碼的信息進(jìn)行解碼處理，以獲得密鑰。

光源模塊輸出脈沖激光，作為系統(tǒng)的光源，由外部電信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)DFB激光器獲得，中心波長(zhǎng)1550nm，脈沖重復(fù)頻率1GHz。除了光源模塊放在首位，其他系統(tǒng)內(nèi)模塊在功能允許情況下可置換順序。編碼模塊用以將需要編碼的信息編碼在脈沖光學(xué)參量上，如偏振參量、相位參量或時(shí)間參量等，本工作采用相位調(diào)制器實(shí)現(xiàn)隨機(jī)四個(gè)相位的調(diào)制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相位編碼。

光源管理模塊包括光強(qiáng)管理模塊和光譜管理模塊。

光強(qiáng)管理模塊用來(lái)對(duì)光源輸出的脈沖激光的光束強(qiáng)度進(jìn)行管理：一是實(shí)現(xiàn)將光源強(qiáng)度衰減到單個(gè)光子級(jí)別，本系統(tǒng)通過(guò)級(jí)聯(lián)30dB固定衰減器和40dB可調(diào)衰減器實(shí)現(xiàn)；另一個(gè)功能是通過(guò)強(qiáng)度調(diào)制器實(shí)現(xiàn)基于誘騙態(tài)BB84協(xié)議的系統(tǒng)中真空態(tài)、誘騙態(tài)、信號(hào)態(tài)光強(qiáng)比和占比的調(diào)控；同時(shí)，若以輸出光作為反饋，可實(shí)現(xiàn)量子密鑰發(fā)送系統(tǒng)的輸出光強(qiáng)跟蹤反饋，使其維持穩(wěn)定。

光譜管理是為了對(duì)脈沖光譜進(jìn)行窄化操作，將光譜限制在系統(tǒng)所有器件工作帶寬范圍內(nèi)，并盡量窄化，一般采用窄帶光柵濾波器等窄帶濾波器件。由于脈沖經(jīng)受色散導(dǎo)致脈寬展寬量與光譜寬度正相關(guān)，所以光譜窄化，可降低色散量對(duì)系統(tǒng)調(diào)制速度的影響。在同樣調(diào)制速度條件下，窄化光譜可提升系統(tǒng)最大通信距離，增長(zhǎng)系統(tǒng)免補(bǔ)償通信距離。本實(shí)驗(yàn)中，光源模塊輸出光脈寬約0.8nm，經(jīng)濾波后光譜寬度為0.1nm，所以脈沖經(jīng)受色散展寬量降低至約1/8。在進(jìn)行光譜濾波時(shí)，需要考慮脈沖的啁啾特性，保證在光譜濾波同時(shí)，時(shí)域不會(huì)顯著展寬，否則會(huì)影響高速系統(tǒng)的性能。同時(shí)，在基于光的干涉結(jié)構(gòu)進(jìn)行編、解碼量子通信方案中，本方案所帶來(lái)的另一優(yōu)勢(shì)是：光譜寬度降低，光的相干長(zhǎng)度增長(zhǎng)，編、解碼干涉環(huán)制作精度要求下降。

傳統(tǒng)通信根據(jù)色散補(bǔ)償在線路中的位置，一般可以實(shí)行預(yù)補(bǔ)償（傳輸模塊之前），線路補(bǔ)償（傳輸模塊中），后補(bǔ)償（傳輸模塊后）三種。而量子通信中，由于安全性的限制，需要發(fā)送端輸出單光子，所以系統(tǒng)優(yōu)先采用圖1所示的預(yù)補(bǔ)償方案，將可調(diào)色散補(bǔ)償模塊置于量子密鑰發(fā)送端。

圖1 系統(tǒng)實(shí)施方案圖

系統(tǒng)所用可調(diào)色散補(bǔ)償模塊基于G-T標(biāo)準(zhǔn)具，可實(shí)現(xiàn)±80km范圍內(nèi)通信光纖色散補(bǔ)償。在系統(tǒng)運(yùn)行或者通信光纖長(zhǎng)度更換時(shí)，可調(diào)色散管理模塊動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)補(bǔ)償色散補(bǔ)償量，使補(bǔ)償色散量和通信信道光纖引入的色散量相當(dāng)，并適度精細(xì)調(diào)整?；诖朔桨?，色散管理模塊可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)色散精細(xì)補(bǔ)償，也可自適應(yīng)不同的通信距離。色散管理模塊色散量調(diào)整過(guò)程可以描述為：

第一，根據(jù)系統(tǒng)通信信道距離和通信信道色散參數(shù)估測(cè)系統(tǒng)的色散補(bǔ)償量。

第二，將可調(diào)色散補(bǔ)償模塊色散值設(shè)置為估測(cè)值。

第三，觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行情況，若可以正常運(yùn)行，則記錄誤碼率。若無(wú)法運(yùn)行，則記錄無(wú)法運(yùn)行。

第四，在估測(cè)值左右合適范圍內(nèi)，以合適步進(jìn)調(diào)整色散補(bǔ)償?shù)闹怠?/p>

第五，獲得系統(tǒng)可運(yùn)行時(shí)誤碼率與色散補(bǔ)償量關(guān)聯(lián)曲線，獲得誤碼率曲線極小值點(diǎn)。

第六，確定誤碼率極小值時(shí)色散補(bǔ)償量的值。

第七，將此色散補(bǔ)償量設(shè)置入系統(tǒng)。

當(dāng)通信信道較長(zhǎng)導(dǎo)致信道引入色散量超出單個(gè)可調(diào)色散補(bǔ)償模塊補(bǔ)償范圍時(shí)，可以采用固定色散補(bǔ)償模塊與可調(diào)色散補(bǔ)償模塊級(jí)聯(lián)的方式，提升系統(tǒng)支持最大傳輸距離。也可以采用級(jí)聯(lián)多個(gè)可調(diào)色散補(bǔ)償模塊的方式，提升系統(tǒng)支持最大傳輸距離。

表2 兩種補(bǔ)償方案系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果對(duì)比

本系統(tǒng)通信信道是標(biāo)準(zhǔn)G.652通信光纖，在100km傳輸距離下，實(shí)驗(yàn)對(duì)比了基于G-T標(biāo)準(zhǔn)具可調(diào)色散補(bǔ)償模塊和基于色散補(bǔ)償光纖DCF固定補(bǔ)償方案的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果。首先，由于長(zhǎng)距離補(bǔ)償?shù)腄CF衰減高到達(dá)8dB，系統(tǒng)碼率顯著下降，探測(cè)器暗計(jì)數(shù)影響增大，同時(shí)由長(zhǎng)光纖帶來(lái)的時(shí)間抖動(dòng)增大，系統(tǒng)誤碼提升。同時(shí)基于DCF的模塊無(wú)法實(shí)現(xiàn)傳輸距離自適應(yīng)，補(bǔ)償精度降低，且體積巨大，無(wú)法集成在設(shè)備內(nèi)。對(duì)比而言，使用色散管理的系統(tǒng)參數(shù)明顯提升，實(shí)驗(yàn)平均誤碼率2.6%，同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)免補(bǔ)償通信距離大于50km，可見(jiàn)本方案所提出的可調(diào)且高精度色散補(bǔ)償模塊具有可以提升現(xiàn)有系統(tǒng)的系統(tǒng)性能，支持更低誤碼率更長(zhǎng)傳輸距離的通信，同時(shí)增強(qiáng)了系統(tǒng)的集成性，具有實(shí)用性。