[實用新型]一種基于MDM-SDM的量子與經典融合通信系統

有效

• 申請號: 201922486259.2
• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN210839585U
• 公開（公告）日: 2020-06-23
• 發明（設計）人: 張倩琳;郭邦紅;胡敏
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: H04B10/70
• 分類號: H04B10/70;H04L9/08
• 代理公司: 廣州圣理華知識產權代理有限公司 44302
• 代理人: 胡小英;李唐明

本實用新型公開了一種基于MDM?SDM的量子與經典融合通信系統，包括Alice發送端、Bob接收端和MDM?SDM復用單元，所述Alice發送端通過MDM?SDM復用單元與Bob接收端連接。本實用新型采用異質溝槽輔助漸變折射率型FM?MCF特種光纖，實現MDM?SDM二維復用的量子與經典融合傳輸系統，解決融合網絡的容量瓶頸。通過選取合適的纖芯數和模式數，能夠降低信號處理的要求，其信號間的模式正交性以及空間隔離性進一步降低了經典信號對量子信號的干擾，易在融合通信時獲得更好的量子密鑰分發性能。為以后的超大容量融合通信網絡建設，提供了一種高安全性、低損耗和低成本的可行方案。

技術領域

本實用新型涉及量子信息領域，尤其涉及一種基于MDM-SDM的量子與經典融合通信系統。

背景技術

量子保密通信提供了在量子力學保證情況下安全密鑰分發的潛力，證實了無條件安全的可能性，是量子通信中發展最迅速、最接近實用和規模化的技術。在過去30多年里，自由空間和基于光纖的QKD(Quantum Key Distribution，量子密鑰分發)實驗通過利用不同物理原理都證明了量子保密通信的可行性。但QKD系統一般采用專用的光纖和設備，在網絡規模和實用性方面存在限制。為了降低成本并提高光纖傳輸效率，可在現有的光纖基礎設施中集成QKD和經典通信系統，以此降低敷設和運營費用，并提高QKD網絡的可擴展性。

1997年，Townsend首次提出針對QKD和經典信號同時傳輸的方案。使用CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexing，粗波分復用技術)，將1300nm QKD信道與傳統的1550nm經典信道進行多路復用，在光纖中實現超過25km的傳輸。但是考慮到光纖的非線性效應和高速傳輸光信噪比的要求，基于SMF(Single Mode Fiber，單模光纖)的WDM技術已經接近容量極限，且在鏈路上需要額外的設備，會引入格外的串擾和損耗而可能損害最終的安全性，亟需采用新的復用技術來提高光傳輸容量，增加頻譜效率，滿足日益增長的容量需求。基于FMF(Few Mode Fiber，少模光纖)的MDM(Mode Division Multiplexing，模分復用)共纖同傳方案、基于MCF(Multi Core Fiber，多芯光纖)的SDM(Space DivisionMultiplexing，空分復用)共纖同傳方案有望解決上述問題。

2013年，Joel Carpenter等人完成了經典信號和量子信號在一根6個模式FMF中模分復用傳輸的實驗，其中基模傳輸量子信號，高階模傳輸經典信號，經典信道和量子信道的隔離度達35dB。其優勢在于利用FMF不同模式的正交性，能有效降低經典信號對量子信號的噪聲干擾。但是其在傳輸過程中不可避免地會出現模式色散，且隨著傳輸模式的增加，傳輸模式的復用和解復用將變得非常復雜。2016年，J.F.Dynes等人首次在53km的七芯MCF中以空分復用方式實現量子與經典融合傳輸。其優勢在于MCF的各纖芯之間是基于物理結構隔離的，量子信號受到經典信號的干擾較小，易于在大容量的經典信號同傳時獲得更好的QKD性能。2019年，Tobias A.Eriksson等人通過實驗研究了在19核MCF中CV-QKD信號和WDM復用的24.5Gbaud 16QAM(Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度調制)進行空分復用的可行性，其將CV-QKD信號放置在經典信號波段的保護帶中的波長處，進一步抑制了信號間串擾，但因其采用的多芯光纖包層空間有限，從而使纖芯的數量受到限制，不利于進一步提升傳輸容量。

“現有技術專利：(CN110247705A)提供了一種基于多芯光纖的量子接入網架構及方法，可支持大量量子用戶接入，但其采用的七芯光纖包層有限，難以進一步提高通信容量，本發明更優的提出采用FM-MCF特種光纖實現融合傳輸，利用空間維度和模式維度相結合的二維復用方式，解決了通信容量瓶頸問題。”