基于色散管理的長距離量子密鑰分發系統研究

宋紅巖

合肥量芯科技股份有限公司 安徽 合肥 231241

引言

近些年，量子信息技術憑借其可抵抗超性能計算的安全性優勢[1]，不斷取得進步，逐步由實驗室走上實用化道路。對于量子保密通信網，現階段最硬性的需求是更高碼率和更長距離[2]，而這兩個參數都受限于光纖色散的影響：色散引起脈沖展寬導致高速系統恢復脈沖時序困難，限制系統速度；色散隨著傳輸距離增長而增長限制了系統在長距離通信下的表現，使得系統碼率下降，甚至難以運行。在長距離保密通信網絡中，無論是經典的BB84協議還是新型協議（如TF-QKD協議[3]）中，都需要色散補償。

現階段，比較成熟兩種色散補償方案是基于色散補償光纖（DCF）和基于啁啾光柵（CFBG）色散補償。此外還存在兩種可調色散補償方案，包括基于G-T標準具的可調色散補償模塊（TDC）和基于FBG的TDC。

基于表1所示的不同色散補償方案優劣勢分析，本方案提出一種基于窄帶濾波器和G-T標準具可調色散補償模塊的色散管理系統。通過光源光譜管理控制系統色散導致的脈沖展寬量，降低色散對通信距離的影響，同時在系統內預部署可調色散補償模塊，可高精度匹配不同通信距離下的色散量。通過對系統動態實施最優色散補償，支持不同距離的量子保密通信。

表1 不同色散補償方案優缺點比較

1 系統方案及結果

本方案所提出的色散管理量子密鑰分發系統主要包含量子密鑰發送系統；通信信道和量子密鑰接收系統。量子密鑰發送系統主要包含光源模塊，編碼模塊，光束管理模塊，可調色散管理模塊。量子密鑰接收系統包括接收模塊和解碼模塊，接收模塊用以接收信號，解碼模塊用以對接收模塊所接收到得被編碼的信息進行解碼處理，以獲得密鑰。

光源模塊輸出脈沖激光，作為系統的光源，由外部電信號直接驅動DFB激光器獲得，中心波長1550nm，脈沖重復頻率1GHz。除了光源模塊放在首位，其他系統內模塊在功能允許情況下可置換順序。編碼模塊用以將需要編碼的信息編碼在脈沖光學參量上，如偏振參量、相位參量或時間參量等，本工作采用相位調制器實現隨機四個相位的調制，進而實現相位編碼。

光源管理模塊包括光強管理模塊和光譜管理模塊。

光強管理模塊用來對光源輸出的脈沖激光的光束強度進行管理：一是實現將光源強度衰減到單個光子級別，本系統通過級聯30dB固定衰減器和40dB可調衰減器實現；另一個功能是通過強度調制器實現基于誘騙態BB84協議的系統中真空態、誘騙態、信號態光強比和占比的調控；同時，若以輸出光作為反饋，可實現量子密鑰發送系統的輸出光強跟蹤反饋，使其維持穩定。

光譜管理是為了對脈沖光譜進行窄化操作，將光譜限制在系統所有器件工作帶寬范圍內，并盡量窄化，一般采用窄帶光柵濾波器等窄帶濾波器件。由于脈沖經受色散導致脈寬展寬量與光譜寬度正相關，所以光譜窄化，可降低色散量對系統調制速度的影響。在同樣調制速度條件下，窄化光譜可提升系統最大通信距離，增長系統免補償通信距離。本實驗中，光源模塊輸出光脈寬約0.8nm，經濾波后光譜寬度為0.1nm，所以脈沖經受色散展寬量降低至約1/8。在進行光譜濾波時，需要考慮脈沖的啁啾特性，保證在光譜濾波同時，時域不會顯著展寬，否則會影響高速系統的性能。同時，在基于光的干涉結構進行編、解碼量子通信方案中，本方案所帶來的另一優勢是：光譜寬度降低，光的相干長度增長，編、解碼干涉環制作精度要求下降。

傳統通信根據色散補償在線路中的位置，一般可以實行預補償（傳輸模塊之前），線路補償（傳輸模塊中），后補償（傳輸模塊后）三種。而量子通信中，由于安全性的限制，需要發送端輸出單光子，所以系統優先采用圖1所示的預補償方案，將可調色散補償模塊置于量子密鑰發送端。

圖1 系統實施方案圖

系統所用可調色散補償模塊基于G-T標準具，可實現±80km范圍內通信光纖色散補償。在系統運行或者通信光纖長度更換時，可調色散管理模塊動態調節補償色散補償量，使補償色散量和通信信道光纖引入的色散量相當，并適度精細調整。基于此方案，色散管理模塊可實現系統色散精細補償，也可自適應不同的通信距離。色散管理模塊色散量調整過程可以描述為：

第一，根據系統通信信道距離和通信信道色散參數估測系統的色散補償量。

第二，將可調色散補償模塊色散值設置為估測值。

第三，觀測系統運行情況，若可以正常運行，則記錄誤碼率。若無法運行，則記錄無法運行。

第四，在估測值左右合適范圍內，以合適步進調整色散補償的值。

第五，獲得系統可運行時誤碼率與色散補償量關聯曲線，獲得誤碼率曲線極小值點。

第六，確定誤碼率極小值時色散補償量的值。

第七，將此色散補償量設置入系統。

當通信信道較長導致信道引入色散量超出單個可調色散補償模塊補償范圍時，可以采用固定色散補償模塊與可調色散補償模塊級聯的方式，提升系統支持最大傳輸距離。也可以采用級聯多個可調色散補償模塊的方式，提升系統支持最大傳輸距離。

表2 兩種補償方案系統運行結果對比

本系統通信信道是標準G.652通信光纖，在100km傳輸距離下，實驗對比了基于G-T標準具可調色散補償模塊和基于色散補償光纖DCF固定補償方案的運行實驗結果。首先，由于長距離補償的DCF衰減高到達8dB，系統碼率顯著下降，探測器暗計數影響增大，同時由長光纖帶來的時間抖動增大，系統誤碼提升。同時基于DCF的模塊無法實現傳輸距離自適應，補償精度降低，且體積巨大，無法集成在設備內。對比而言，使用色散管理的系統參數明顯提升，實驗平均誤碼率2.6%，同時實現系統免補償通信距離大于50km，可見本方案所提出的可調且高精度色散補償模塊具有可以提升現有系統的系統性能，支持更低誤碼率更長傳輸距離的通信，同時增強了系統的集成性，具有實用性。