[发明专利]一种光与量子系统中基于信道移位的纤芯-波长分配方法

权利要求书

1.一种光与量子系统中基于信道移位的纤芯-波长分配方法，目的在于同时提升经典光通信和量子密钥分发系统的性能，其特征在于，主要分为两部分：

A、提出一种基于移位组合的经典与量子系统性能协同优化的波长分配方法，在固定波段通过移位的方式得到三种可选波长分配方案，任意选择其中两种分别用于传输前、后向经典信号，对于量子信号，结合独立芯与共芯传输场景，可同时使用三种波长分配方法，经典信道主要避免芯间串扰噪声，独立芯中的量子信道主要避免芯间串扰噪声和芯间四波混频噪声，共芯传输时的量子信道通过遍历噪声方式选择；

B、提出一种基于波长方法与信号组合的经典与量子系统性能协同优化的纤芯分配方法，其适用于任意芯数的正多边形多芯光纤，以经典芯与量子芯周期性交替原则分配纤芯资源且经典前向信号和经典后向信号分配在不同纤芯，经典前后向信号分别搭配固定的移位波长方案，目的在于完全规避经典信道上的芯间串扰噪声。

2.如权利要求1所述方法，提出一种基于移位组合的经典与量子系统性能协同优化的波长分配方法，其特征在于在给定波段内，采取向高频平移的方式得到不同可选波长分配方案，分别为①、②和③；并且每个波长分配方案中存在两种可用信道，分别为通用信道Tch和量子信道Qch。首先，任意两个波长分配方案之间不存在芯间串扰噪声和芯间四波混频噪声。其次，任意一种方案中的Tch既能用来传输经典信号，又能用来传输量子信号，并且每个波长分配方案包含的Tch数量相等；而每一种波长分配方案中的Qch只传输量子信号。最后，在每个波长分配方案的可选量子信道Qch中，通过遍历信道的方式，并依次选择受噪声最小的信道用来传输量子信号。最终，本方法既可以降低经典信道上的噪声，也能降低量子信道上的噪声，进而实现经典与量子信号的协同传输。该方法包括以下四个步骤：

S1、首先在可选频段[F_min，F_max]范围内，其中F_min和F_max分别为该频段最低及最高频率值，根据通用信道Tch之间的间隔ΔF及可选量子信道Qch间的间隔ΔF_q可分别计算出Tch的个数n和可用信道总数m，其计算依据分别为：

S2、如果4×n-1≤N_t，则F_ch1∈{F_min，F_min+ΔF，F_min+2ΔF，...，F_min+(n-1)ΔF}，否则F_ch1∈{F_min，F_min+ΔF，F_min+2ΔF，...，F_min+(n-2)ΔF}，其中N_t为每个波长分配方案包含的信道总数，F_ch1为方案①的Tch分配情况；且①中可选量子信道分配情况为：Q_ch1∈Z_ch∩F_ch1，其中Z_ch∈{F_min+ΔF_q，F_min+2ΔF_q，F_min+3ΔF_q，....，F_min+(m-1)ΔF_q，F_max}，则方案①可表示为：Q_ch1∪F_ch1；

S3、将F_ch1分别向高频平移ΔF/2，ΔF/4得到F_ch2∈F_ch1+ΔF/2，F_ch3∈F_ch1+ΔF/4，其中F_ch2，F_ch3分别为方案②，③的Tch分配情况；且方案②和③可选量子信道分配情况分别为：Q_ch1∈Z_ch∩F_ch2，Q_ch1∈Z_ch∩F_ch3，则方案②和③可分别表示为：Q_ch2∪F_ch2，Q_ch3∪F_ch3；

S4、通过遍历可选量子信道Q_chi，其中i∈{1，2，3}，再依次选择受到噪声影响最小的信道用于传输量子信号。

3.如权利要求1和2所述方法，提出一种基于波长方法与信号组合的经典与量子系统性能协同优化的纤芯分配方法，其特征在于该方法可应用于任意芯数的正多边形多芯光纤，通过经典及量子信号与不同波长分配方案的组合形式，以经典芯与量子芯周期性交替原则分配纤芯资源，从而达到同时提高经典信号光信噪比及量子密钥分发系统安全密钥率的目的。该方法可用于两种不同的量子纤芯需求的场景：一是多芯光纤的纤芯资源足够满足量子纤芯需求，二是多芯光纤纤芯资源不足以满足量子纤芯需求。对于第一个场景，即纤芯资源充足，则经典信号与量子信号通过异芯传输，即量子信号通过独立芯传输；对于第二个场景，纤芯资源紧张，则经典信号与量子信号存在共芯传输情况，该类芯为经典与量子混合芯。该方法具体包括以下四个步骤：

S1、选择多芯光纤的任意一个顶点并将其编号为1，沿着芯1最外侧做切线并将其编号为l₀，随后将切线向下平移，在其穿过下一组纤芯中心时将其编号为l₁，并且按照左边右边中间的顺序依次给纤芯编号，以此类推，直到所有纤芯编号结束；

S2、按照穿过经典前、后向和独立量子芯的切线编号服从增量为3的等差数列原则分配相应纤芯资源，其中经典后向芯、经典前向芯和独立量子芯起始切线编号分别为l₀、l₁和l₂；

S3、当独立量子芯中的通用信道不够传输量子信号时，按照纤芯编号由大到小的原则，从独立量子芯的可选量子信道中以遍历信道的方式依次选择受噪声影响最小的信道传输量子信号，如果独立量子芯中的可用信道都用来传输了量子信号，则该芯称为量子饱和芯；

S4、如果在步骤S3还无法满足量子信道的需求，那么同样按照纤芯编号从大到小的顺序，首先从经典前向芯中以遍历信道的方式依次选择受噪声最小的信道传输量子信号，最后从经典后向芯中按同样方式选择量子信道直到满足需求。