[发明专利]一种用于量子信号与经典光信号共纤传输的波长分配方法

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种用于量子信号与经典光信号共纤传输中 消除四波混频影响的用户信道交织的非等间隔波长分配方法。该方法主要用于量子密 钥分配网络与经典光网络通过波分复用技术融合的网络中，是一种能有效避免四波混 频对量子信号影响的方法，尤其涉及光通信技术领域。

背景技术

随着因特网的应用和发展，信息安全已经成为一个日益严重的问题。而计算机计 算能力的不断提高使得传统的对称和非对称加密算法正在经受严峻的考验，传统加密 手段越来越不能满足人们对通信安全性的要求。量子密码学是量子力学和密码学结合 的产物，量子密钥分配(QKD)使得通信双方能够通过不安全的信道共享实时的安全密 钥。密钥信息被单光子携带，根据海森堡不确定性原理，窃听者不能获取光子的全部 信息，他对光子的测量会破坏部分信息，最终会被原本通信的双方发现，以此可以检 测窃听者的存在。同时，结合“一次一密”的加密方式，可以实现无条件安全的信息 传输。在过去的几年里，基于单光子的点对点光纤QKD系统已经取得了巨大的进步。 由于量子信号极其微弱，为了防止其受到经典光信号的干扰，在这种QKD系统中， 量子信号基本上是在专用的光纤链路中传输的。但是，当QKD系统从点对点链路扩 展成网络时，大规模铺设专用光纤线路将非常昂贵，为了使QKD更具可行性，应将 QKD与现存的光网络融合。

未来的量子密钥分配网络将会支持更多的用户，针对多用户共纤传输这种情况， 每个用户一般需要三个信道来传输三种类型的信号，分别是传输量子密钥的量子信号、 用于接收端探测量子信号的同步信号以及传输与协议相关的数据信号。其中同步信号 和数据信号的功率比量子信号大得多，可以视为经典光信号。此外还有一些应用场景 是将数据信号和同步信号复用到一根光纤中，或者将量子信号和数据信号经时分复用 到一个信道上。本方法主要研究每个用户均有三个信道来传输信号的一般场景。

波分复用(WDM)是经典光网络中增加系统容量、节约光纤资源的一项典型技术。 因此，为了实现QKD更大规模的应用，可以通过WDM技术将量子信号与经典光信 号在现存的光网络中进行共纤传输。为试图减少量子信号受到经典光信号的干扰，以 前的工作常常将量子信号放置在1310nm波段，将经典光信号放置在1550nm波段，这 样虽然可以有效降低经典光信号对量子信号的串扰，但是如此大的波长间隔也降低了 频谱利用率，而且在很多情况下，将量子信号和经典光信号都放置在1550nm波段更 具吸引力，这样既可以提高频谱利用率，而且1550nm波段大大降低的光纤损耗也可 以保证QKD更远的安全传输距离。

在使用WDM技术将量子信号与经典光信号进行共纤传输的过程中，由于光纤与 光信号之间的相互作用，再加上量子信号与经典光信号的频率间隔很窄，会导致量子 信号受到串扰以及非线性效应的影响。非线性效应中对量子信号影响比较严重的就是 四波混频(FWM)和拉曼散射。由于反斯托克斯光谱比斯托克斯光谱弱很多，所以可以 采用将量子信号放在短波长(高频)的方法来削弱拉曼散射的影响；同时提高WDM 信道的隔离度，可以进一步降低拉曼散射和串扰的影响。

四波混频是光纤中不同波长的光波相互作用而导致在其它波长上产生所谓混频产 物或边带的新光波的一种非线性效应。假设三个光信道频率分别为f_i,f_j,f_k(k≠i,j)，则 四波混频产生的新频率为

f_ijk＝f_i+f_j-f_k(1)

从公式(1)中可以看出，对于等频率间隔的WDM系统，FWM产生的新频率分量 将与信号频率重叠，尤其对于量子信号将产生极大的干扰，严重影响系统的性能。而 且单纯通过降低经典光信号功率或者增大频率间隔并不能有效地减少四波混频的影 响。

发明内容

本发明提供了一种用于量子信号与经典光信号共纤传输的用户信道交织的非等间 隔波长分配方法，旨在消除量子信号与经典光信号共纤传输时四波混频对量子信号的 影响，并对拉曼散射和串扰有一定程度的抑制。

本发明提供了一种用于量子信号与经典光信号共纤传输的用户信道交织的非等间 隔波长分配方法，其主要思想是利用拉曼散射和四波混频的产生都与信道的频率分布 有关这一特性，将不同的信号放置于不同的波长。