[发明专利]基于连续变量量子密钥分发的水下通信系统及其实现方法

权利要求书

1.一种基于连续变量量子密钥分发的水下通信系统，其特征在于，包括用于制备高斯调制相干态量子信号的发送端（1）和用于接收和检测量子信号的接收端（2）；所述发送端（1）包括：

第一激光器（3），用于产生相干光；

信号源（5），用于生成调制信号的模拟电信号，并控制第一电光强度调制器（4）、第二电光强度调制器（7）和第一电光相位调制器（8）的调制；

第一电光强度调制器（4），用于接收信号源（5）输出的调制信号的模拟电信号，并对第一激光器（3）产生的相关光进行脉冲调制，同时输出额定频率的脉冲相干光信号；

第一光束分束器（6），用于将第一电光强度调制器（4）输出的脉冲相干光信号进行分离；

第二电光强度调制器（7），用于接收信号源（5）输出的调制信号的模拟电信号，并对第一光束分束器（6）输出的相干激光进行振幅调制，调制后的光信号满足瑞利分布；

第一电光相位调制器（8），用于接收信号源（5）输出的调制信号的模拟电信号，对第二电光强度调制器（7）输出的光信号进行相位调制，调制后的光信号满足均匀分布；经过第二电光强度调制器（7）和第一电光相位调制器（8）的调制后，信号光呈高斯相干态；

可调谐激光衰减器（9），用于将第一电光相位调制器（8）输出的光信号进一步衰减；

所述接收端（2）包括：

第二激光器（10），用于生成波长、频率与第一激光器光信号相同的本地本振光信号；

第二电光相位调制器（11），用于对本振光信号进行0或π/2随机相位调制，其随机性由随机数生成器（12）控制；

随机数生成器（12），用于原始密钥串生成，同时也用于控制本地本振光信号的随机相位调制信号输入；

第二光束分束器（13），用于将接收到的光信号与第二电光相位调制器（11）输出的本地本振光信号进行干涉；

第一光电探测器（14）和第二光电探测器（15），用于检测光信号与本振光信号干涉后的信号光强度；

差分放大器（16），用于将第一光电探测器（14）和第二光电探测器（15）的输出信号进行差分放大。

2.根据权利要求1所述的一种基于连续变量量子密钥分发的水下通信系统，其特征在于，所述第一激光器（3）输出相干光波长为520 nm。

3.根据权利要求1所述的一种基于连续变量量子密钥分发的水下通信系统，其特征在于，所述信号源（5）支持4信道，采样率最高为50GS/s，生成的脉冲信号频率为10MHz，脉冲幅度为 5V，生成均匀分布信号电压范围为[0 V, 5 V]，生成瑞利分布的电压范围为[0 V, 5V]，方差为4。

4.根据权利要求1所述的一种基于连续变量量子密钥分发的水下通信系统，其特征在于，所述第一光束分束器（6）、第二光束分束器（13）进行干涉的波长范围均为400 nm- 700nm，所述第一光束分束器（6）分光比为1：99，所述第二光束分束器（13）的分光比为50：50。

5.根据权利要求1所述的一种基于连续变量量子密钥分发的水下通信系统，其特征在于，所述第一电光强度调制器（4）、第二电光强度调制器（7）均支持C段和L段的光波长范围的调制，最高带宽均为12.5Gb/s，消光比均大于20 dB。

6.根据权利要求1所述的一种基于连续变量量子密钥分发的水下通信系统，其特征在于，所述第一电光相位调制器（8）、第二电光相位调制器（11）的最高带宽均为10GHz，消光比均大于20dB，损耗均小于2.5dB。

7.根据权利要求1所述的一种基于连续变量量子密钥分发的水下通信系统，其特征在于，所述可调谐激光衰减器（9）衰减信号光的波长范围为450nm-600nm，衰减范围为2.5db到30dB。

8.根据权利要求1所述的一种基于连续变量量子密钥分发的水下通信系统，其特征在于，所述第一电光探测器（14）和第二电光探测器（15）探测的光信号波长范围均为400nm-900nm，共模抑制比均大于20dB，带宽最高均为350MHz。

9.如权利要求1所述的基于连续变量量子密钥分发的水下通信系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）：发送端（1）的第一激光器（3）生成波长为520 nm的相干光，光信号被第一电光强度调制器（4）调制成10Mhz的脉冲相干光信号，模拟电信号由信号源（5）提供，电压幅度为[0 V, 5 V]，电脉冲频率为10 MHz，调制成的脉冲相干光信号频率为10MHz；脉冲相干光信号经过透过率为1%的第一光束分束器（6），能量为原光脉冲的1%；

步骤2）：信号源（5）生成调制信号的模拟电信号；第一电光强度调制器（4）接收信号源（5）输出的调制信号的模拟电信号，对第一激光器（3）产生的相关光进行脉冲调制；第二电光强度调制器（7）接收信号源（5）输出的调制信号的模拟电信号，对第一光束分束器（6）输出的相干激光进行振幅调制；第一电光相位调制器（8）接收信号源（5）输出的调制信号的模拟电信号，对第二电光强度调制器（7）输出的光信号进行相位调制；经过第二电光强度调制器（7）和第一电光相位调制器（8）调制后的光信号呈高斯相干态|X+jP，即信号光光场正交分量X和正交分量P服从高斯分布，其中，X=Acosθ，P=Asin(θ)，A和θ分别表示信号的振幅和相位；电信号的电压范围均为[0 V, 5 V]；

步骤3）：可调谐激光衰减器（9）对光信号进行进一步的衰减，将每个脉冲的光子衰减到10⁸个光子；衰减后的光信号传输过水介质到达接收端（2）；

步骤4）：第二激光器（10）生成本地本振光，其频率及波长与第一激光器（3）保持一致；第二电光相位调制器（11）对本振光进行随机0或π/2的相位偏移；所述第二电光相位调制器（11）的相位调制随机性由随机数生成器（12）控制；经过相位偏移后的本振光与接收到的光信号在第二光束分束器（13）中进行干涉，所述第二光束分束器（13）的信号输出分别被第一光电探测器（14）和第二光电探测器（15）检测；第一光电探测器（14）和第二光电探测器（15）的信号输出均输入到差分放大器（16）进行查分放大得到检测结果；经过后续的反向协商和私密放大过程，发送端（1）和接收端（2）获得一组相同的密钥。