[发明专利]一种基于多芯光纤的量子接入网架构及方法

说明书

本发明公开了一种基于多芯光纤的量子接入网架构及方法，该架构适用于多用户、大容量的下一代接入网。馈线光纤为多芯光纤，引入光纤为单芯单模光纤。量子信号和经典信号在多芯光纤和单芯单模光纤中均共纤传输，自发拉曼散射噪声和芯间串扰噪声是该共纤传输量子接入网中量子信道的主要噪声干扰。本发明提出了一种纤芯与波长分配方法，有效地降低了经典信号对量子信道的噪声干扰；提出了一种量子信号波‑时分复用的方法，适用于具有大量量子用户的接入网。本发明提出的接入网架构可支持大量量子用户接入，可推动量子密钥分发向实用化的方向发展。

技术领域

本专利涉及量子通信领域，尤其涉及接入网中与经典光网络融合的量子密钥分发技术。该方法提供了基于多芯光纤的量子密钥分发和经典光通信融合的量子接入网架构，所提架构可支持大量用户接入，具有大容量、低干扰等优势，可推动量子密钥分发技术向实用化方向的发展。

背景技术

自1984年量子密钥分发协议首次被提出以来，量子密钥分发(Quantum KeyDistribution,QKD)技术在理论和实践上均取得了重大突破。如今，QKD理论发展日趋完善，逐步从理论走向实践。推动QKD技术广泛应用的重要一步是建立量子网络，并扩大量子网络中的用户数量。其中接入网具有点到多点的结构特性，可用于扩大量子网络用户数量。2013年量子接入网的概念被首次提出并得到了实验验证。在该架构中，所有的光网络单元(Optical Network Unit,ONU)都通过一个光耦合器连接到光线路终端(Optical LineTerminal,OLT)，不同的量子信号发射机通过时分复用(Time Division Multiplexing,TDM)的方式工作。由于光耦合器插入损耗和QKD发送速率对QKD成码率的影响，安全密钥生成率(Secure Key Rate,SKR)随着ONU数量的增加而显著降低，限制了量子接入网的发展规模。为节约接入网的光纤部署成本，研究者提出量子信号与经典信号共纤传输的量子接入网架构，但是高功率的经典信号产生的噪声，尤其是自发拉曼散射(Spontaneous RamanScattering,SRS)噪声，对量子信号产生了巨大干扰。

日益增长的传输容量需求接近现有单芯单模光纤(Single-core Single-modeFiber,SSMF)100Tbps的理论容量极限，同时，下一代光接入网需要支持大量用户的高带宽传输。为了进一步提高光纤传输容量，空分复用(Space Division Multiplexing,SDM)作为一种解决传统SSMF容量瓶颈问题的方法已经被提出并得到了深入的研究，其中多芯光纤(Multicore Fiber,MCF)是实现SDM的有效手段，目前研究者已经提出许多基于MCF的下一代经典接入网架构。但是MCF纤芯之间存在随机功率耦合现象，即芯间串扰(Inter-coreCrosstalk,IC-XT)噪声。IC-XT噪声是影响多芯光纤性能的主要因素，对具有大量量子用户接入网的建立具有较大的威胁性。

综上所述，如何提高接入网的SKR并降低量子接入网的光纤部署成本是建立具有大量量子用户接入网的最大障碍之一，需尽快得到解决。

发明内容

本专利针对量子接入网中量子信号与经典信号共纤传输这一应用场景，设计了一种基于MCF的量子接入网架构。主要考虑了如何实现多量子用户接入，降低量子接入网的成本和提高SKR的目标。包含三个技术要点：1、提出了一种基于MCF的量子接入网架构；2、针对经典信号产生的SRS噪声和IC-XT噪声，提出了一种抑制量子信道噪声的纤芯和波长分配方法；3、针对量子用户数量较多的场景，提出了一种对量子信号适宜使用的波-时分复用方法。

针对所述的第一个技术要点具体说明如下：