基于色散管理的长距离量子密钥分发系统研究

宋红岩

合肥量芯科技股份有限公司 安徽 合肥 231241

引言

近些年，量子信息技术凭借其可抵抗超性能计算的安全性优势[1]，不断取得进步，逐步由实验室走上实用化道路。对于量子保密通信网，现阶段最硬性的需求是更高码率和更长距离[2]，而这两个参数都受限于光纤色散的影响：色散引起脉冲展宽导致高速系统恢复脉冲时序困难，限制系统速度；色散随着传输距离增长而增长限制了系统在长距离通信下的表现，使得系统码率下降，甚至难以运行。在长距离保密通信网络中，无论是经典的BB84协议还是新型协议（如TF-QKD协议[3]）中，都需要色散补偿。

现阶段，比较成熟两种色散补偿方案是基于色散补偿光纤（DCF）和基于啁啾光栅（CFBG）色散补偿。此外还存在两种可调色散补偿方案，包括基于G-T标准具的可调色散补偿模块（TDC）和基于FBG的TDC。

基于表1所示的不同色散补偿方案优劣势分析，本方案提出一种基于窄带滤波器和G-T标准具可调色散补偿模块的色散管理系统。通过光源光谱管理控制系统色散导致的脉冲展宽量，降低色散对通信距离的影响，同时在系统内预部署可调色散补偿模块，可高精度匹配不同通信距离下的色散量。通过对系统动态实施最优色散补偿，支持不同距离的量子保密通信。

表1 不同色散补偿方案优缺点比较

1 系统方案及结果

本方案所提出的色散管理量子密钥分发系统主要包含量子密钥发送系统；通信信道和量子密钥接收系统。量子密钥发送系统主要包含光源模块，编码模块，光束管理模块，可调色散管理模块。量子密钥接收系统包括接收模块和解码模块，接收模块用以接收信号，解码模块用以对接收模块所接收到得被编码的信息进行解码处理，以获得密钥。

光源模块输出脉冲激光，作为系统的光源，由外部电信号直接驱动DFB激光器获得，中心波长1550nm，脉冲重复频率1GHz。除了光源模块放在首位，其他系统内模块在功能允许情况下可置换顺序。编码模块用以将需要编码的信息编码在脉冲光学参量上，如偏振参量、相位参量或时间参量等，本工作采用相位调制器实现随机四个相位的调制，进而实现相位编码。

光源管理模块包括光强管理模块和光谱管理模块。

光强管理模块用来对光源输出的脉冲激光的光束强度进行管理：一是实现将光源强度衰减到单个光子级别，本系统通过级联30dB固定衰减器和40dB可调衰减器实现；另一个功能是通过强度调制器实现基于诱骗态BB84协议的系统中真空态、诱骗态、信号态光强比和占比的调控；同时，若以输出光作为反馈，可实现量子密钥发送系统的输出光强跟踪反馈，使其维持稳定。

光谱管理是为了对脉冲光谱进行窄化操作，将光谱限制在系统所有器件工作带宽范围内，并尽量窄化，一般采用窄带光栅滤波器等窄带滤波器件。由于脉冲经受色散导致脉宽展宽量与光谱宽度正相关，所以光谱窄化，可降低色散量对系统调制速度的影响。在同样调制速度条件下，窄化光谱可提升系统最大通信距离，增长系统免补偿通信距离。本实验中，光源模块输出光脉宽约0.8nm，经滤波后光谱宽度为0.1nm，所以脉冲经受色散展宽量降低至约1/8。在进行光谱滤波时，需要考虑脉冲的啁啾特性，保证在光谱滤波同时，时域不会显著展宽，否则会影响高速系统的性能。同时，在基于光的干涉结构进行编、解码量子通信方案中，本方案所带来的另一优势是：光谱宽度降低，光的相干长度增长，编、解码干涉环制作精度要求下降。

传统通信根据色散补偿在线路中的位置，一般可以实行预补偿（传输模块之前），线路补偿（传输模块中），后补偿（传输模块后）三种。而量子通信中，由于安全性的限制，需要发送端输出单光子，所以系统优先采用图1所示的预补偿方案，将可调色散补偿模块置于量子密钥发送端。

图1 系统实施方案图

系统所用可调色散补偿模块基于G-T标准具，可实现±80km范围内通信光纤色散补偿。在系统运行或者通信光纤长度更换时，可调色散管理模块动态调节补偿色散补偿量，使补偿色散量和通信信道光纤引入的色散量相当，并适度精细调整。基于此方案，色散管理模块可实现系统色散精细补偿，也可自适应不同的通信距离。色散管理模块色散量调整过程可以描述为：

第一，根据系统通信信道距离和通信信道色散参数估测系统的色散补偿量。

第二，将可调色散补偿模块色散值设置为估测值。

第三，观测系统运行情况，若可以正常运行，则记录误码率。若无法运行，则记录无法运行。

第四，在估测值左右合适范围内，以合适步进调整色散补偿的值。

第五，获得系统可运行时误码率与色散补偿量关联曲线，获得误码率曲线极小值点。

第六，确定误码率极小值时色散补偿量的值。

第七，将此色散补偿量设置入系统。

当通信信道较长导致信道引入色散量超出单个可调色散补偿模块补偿范围时，可以采用固定色散补偿模块与可调色散补偿模块级联的方式，提升系统支持最大传输距离。也可以采用级联多个可调色散补偿模块的方式，提升系统支持最大传输距离。

表2 两种补偿方案系统运行结果对比

本系统通信信道是标准G.652通信光纤，在100km传输距离下，实验对比了基于G-T标准具可调色散补偿模块和基于色散补偿光纤DCF固定补偿方案的运行实验结果。首先，由于长距离补偿的DCF衰减高到达8dB，系统码率显著下降，探测器暗计数影响增大，同时由长光纤带来的时间抖动增大，系统误码提升。同时基于DCF的模块无法实现传输距离自适应，补偿精度降低，且体积巨大，无法集成在设备内。对比而言，使用色散管理的系统参数明显提升，实验平均误码率2.6%，同时实现系统免补偿通信距离大于50km，可见本方案所提出的可调且高精度色散补偿模块具有可以提升现有系统的系统性能，支持更低误码率更长传输距离的通信，同时增强了系统的集成性，具有实用性。