[發(fā)明專利]一種基于多芯光纖的量子接入網(wǎng)架構(gòu)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910361156.5
• 申請日: 2019-04-30
• 公開（公告）號: CN110120903B
• 公開（公告）日: 2020-09-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫詠梅;蔡春;孔維文;紀(jì)越峰
• 申請（專利權(quán)）人: 北京郵電大學(xué)
• 主分類號: H04L12/28
• 分類號: H04L12/28;H04L9/08;H04J14/02;H04B10/70
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了一種基于多芯光纖的量子接入網(wǎng)架構(gòu)及方法，該架構(gòu)適用于多用戶、大容量的下一代接入網(wǎng)。饋線光纖為多芯光纖，引入光纖為單芯單模光纖。量子信號和經(jīng)典信號在多芯光纖和單芯單模光纖中均共纖傳輸，自發(fā)拉曼散射噪聲和芯間串?dāng)_噪聲是該共纖傳輸量子接入網(wǎng)中量子信道的主要噪聲干擾。本發(fā)明提出了一種纖芯與波長分配方法，有效地降低了經(jīng)典信號對量子信道的噪聲干擾；提出了一種量子信號波?時(shí)分復(fù)用的方法，適用于具有大量量子用戶的接入網(wǎng)。本發(fā)明提出的接入網(wǎng)架構(gòu)可支持大量量子用戶接入，可推動量子密鑰分發(fā)向?qū)嵱没姆较虬l(fā)展。

技術(shù)領(lǐng)域

本專利涉及量子通信領(lǐng)域，尤其涉及接入網(wǎng)中與經(jīng)典光網(wǎng)絡(luò)融合的量子密鑰分發(fā)技術(shù)。該方法提供了基于多芯光纖的量子密鑰分發(fā)和經(jīng)典光通信融合的量子接入網(wǎng)架構(gòu)，所提架構(gòu)可支持大量用戶接入，具有大容量、低干擾等優(yōu)勢，可推動量子密鑰分發(fā)技術(shù)向?qū)嵱没较虻陌l(fā)展。

背景技術(shù)

自1984年量子密鑰分發(fā)協(xié)議首次被提出以來，量子密鑰分發(fā)(Quantum KeyDistribution,QKD)技術(shù)在理論和實(shí)踐上均取得了重大突破。如今，QKD理論發(fā)展日趨完善，逐步從理論走向?qū)嵺`。推動QKD技術(shù)廣泛應(yīng)用的重要一步是建立量子網(wǎng)絡(luò)，并擴(kuò)大量子網(wǎng)絡(luò)中的用戶數(shù)量。其中接入網(wǎng)具有點(diǎn)到多點(diǎn)的結(jié)構(gòu)特性，可用于擴(kuò)大量子網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量。2013年量子接入網(wǎng)的概念被首次提出并得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在該架構(gòu)中，所有的光網(wǎng)絡(luò)單元(Optical Network Unit,ONU)都通過一個(gè)光耦合器連接到光線路終端(Optical LineTerminal,OLT)，不同的量子信號發(fā)射機(jī)通過時(shí)分復(fù)用(Time Division Multiplexing,TDM)的方式工作。由于光耦合器插入損耗和QKD發(fā)送速率對QKD成碼率的影響，安全密鑰生成率(Secure Key Rate,SKR)隨著ONU數(shù)量的增加而顯著降低，限制了量子接入網(wǎng)的發(fā)展規(guī)模。為節(jié)約接入網(wǎng)的光纖部署成本，研究者提出量子信號與經(jīng)典信號共纖傳輸?shù)牧孔咏尤刖W(wǎng)架構(gòu)，但是高功率的經(jīng)典信號產(chǎn)生的噪聲，尤其是自發(fā)拉曼散射(Spontaneous RamanScattering,SRS)噪聲，對量子信號產(chǎn)生了巨大干擾。

日益增長的傳輸容量需求接近現(xiàn)有單芯單模光纖(Single-core Single-modeFiber,SSMF)100Tbps的理論容量極限，同時(shí)，下一代光接入網(wǎng)需要支持大量用戶的高帶寬傳輸。為了進(jìn)一步提高光纖傳輸容量，空分復(fù)用(Space Division Multiplexing,SDM)作為一種解決傳統(tǒng)SSMF容量瓶頸問題的方法已經(jīng)被提出并得到了深入的研究，其中多芯光纖(Multicore Fiber,MCF)是實(shí)現(xiàn)SDM的有效手段，目前研究者已經(jīng)提出許多基于MCF的下一代經(jīng)典接入網(wǎng)架構(gòu)。但是MCF纖芯之間存在隨機(jī)功率耦合現(xiàn)象，即芯間串?dāng)_(Inter-coreCrosstalk,IC-XT)噪聲。IC-XT噪聲是影響多芯光纖性能的主要因素，對具有大量量子用戶接入網(wǎng)的建立具有較大的威脅性。

綜上所述，如何提高接入網(wǎng)的SKR并降低量子接入網(wǎng)的光纖部署成本是建立具有大量量子用戶接入網(wǎng)的最大障礙之一，需盡快得到解決。

發(fā)明內(nèi)容

本專利針對量子接入網(wǎng)中量子信號與經(jīng)典信號共纖傳輸這一應(yīng)用場景，設(shè)計(jì)了一種基于MCF的量子接入網(wǎng)架構(gòu)。主要考慮了如何實(shí)現(xiàn)多量子用戶接入，降低量子接入網(wǎng)的成本和提高SKR的目標(biāo)。包含三個(gè)技術(shù)要點(diǎn)：1、提出了一種基于MCF的量子接入網(wǎng)架構(gòu)；2、針對經(jīng)典信號產(chǎn)生的SRS噪聲和IC-XT噪聲，提出了一種抑制量子信道噪聲的纖芯和波長分配方法；3、針對量子用戶數(shù)量較多的場景，提出了一種對量子信號適宜使用的波-時(shí)分復(fù)用方法。

針對所述的第一個(gè)技術(shù)要點(diǎn)具體說明如下：