量子与经典融合安全通信关键技术研究*

郭邦红， 张文杰， 郭建军， 范榕华

(华南师范大学信息光电子科技学院，广东省微纳光子功能材料与器件重点实验室，广东广州510631)

0 引言

当今云计算大数据服务新时代，随着信息革命的爆发和科学技术迅速发展，互联网成为越来越重要的工具。在大数据时代，信息和数据成为重要的资源，大数据成为竞争焦点的同时带来了信息安全问题如可表示问题、可处理问题、可靠性问题。在数据存储、传输以及隐私等方面对当今信息安全提出了挑战［1］。量子密码技术是信息安全领域在最近30多年内取得的最重要突破，它不仅可以保证军事和政府等核心机关通信的无条件安全，而且可以为社会各领域的信息安全提供全新的技术保障，是一门亟待开发的新型通信技术。由于经典通信过程中，光路终端始终处于主动地位，Eve可以随时获取用户光网络单元发送的任何信息，其安全性问题一直没有很好的解决方案。无源光网络(Passive Optical Network，PON)技术是打破“最后一公里”瓶颈的核心技术，构建基于量子保密增强的PON量子VPN是量子通信实用化进程中的关键技术之一。然而量子通信与经典通信融合网络接入技术的基础研究和关键技术还有很多核心技术问题亟待解决，本文主要讨论实际QKD系统相位调制稳定性相关的主动补偿、经典通信与量子通信融合接入的多波长复用以及融合系统稳定性监测等问题。

1 单光子探测光子统计计数表征的相位跟踪与补偿

1.1 相位跟踪与补偿原理

相位调制器、波长选择开关等是QKD系统实际应用中的关键器件。M－Z干涉型量子密钥分配系统是最早实现量子密钥分配的实验系统［2］，有较好的安全性，但对环境影响敏感。以双M－Z型QKD系统为例(如图1－1)，我们对相位漂移进行了测量和分析，发现双M－Z量子密钥分配系统的相位漂移由高频快变化和低频慢变化组成，研究表明，即使配合其它隔震措施，长达分钟量级的周期性固有振动依然存在，而且对量子密钥分发系统有重要影响。采用单光子计数表征的干涉相位实时跟踪补偿是一种有效的方法，既继承较好的安全性，又实现了较高的稳定性;能实现双M－Z型量子密钥分配系统长距离稳定运行，为实用提供了可能。

输出的光强信号经光电检测、放大，由数据采集卡获取信号，计算机进行处理。以OUT1上端口为例，输出电压信号为［3］:

式中K为正比于输入功率的常数，与光电转换效率、泊松比、波长等有关。φ0为干涉仪相位调制器引入的相位，φs为环境引入的漂移。根据贝塞尔函数定义，(1)式可展开为:

式(2)直流项和基频分量(忽略高阶项)为:

图1－1 双Mach－Zehnder光纤干涉仪相位漂移研究方案

基于上面的研究，实验中采用时间分通道，实时检测主动补偿(占ms量级)、量子密钥分配周期性交替进行，精密控制的PM2代替了 PM3。

以单光子探测光子统计计数表征的干涉信号曲线N(φ)为:

式中Nmax为(0－2π)周期内的最大计数值，Nmin为最小计数值(实际上为暗计数)。单光子计数器选择合适的采样点，记录光子事件，跟踪探测点相位。根据相位变化与所加电压的关系，可跟踪相位调制器的电压变化;根据相位变化与所加电压的关系，可实时跟踪相位调制器的电压变化。

1.2 时间分通道周期性主动补偿方案

量子密钥分配通信之前，Alice端的 PM1未调相，Bob端的PM2首先以一个较小步进数扫描整个相位范围(0－2π)，det1和det2探测器记录每一步扫描的光子数Ni，Bob记录与PM2调制相位φi对应的 Vi值，可获得 Nmax、Nmin光子计数对应的 V'max和V'min，其中，即获得A点的相位。第二步PM2往返选择统计偏差率大的对称相移采样点，单光子探测器det1、det2进行光子统计，记录光子事件。偏移量Δφ'实时检测改善了精度，其对应的电压为ΔV'，为此我们获得工作点设定电压Vmax=V'max+ΔV'(或Vmin=V'min+ΔV')，周期性测试实际工作点的Vi，主动补偿ΔVi=Vmax－Vi后，进行量子密钥分发。

第一步:设定工作电压的精确测量

针对不同的工作环境，QKD系统PM2首先进行(0－2π)预扫描，可获得Nmax、Nmin光子计数对应的V'max和V'min值。单光子计数器选择Nmax(或Nmin)对称相位的五个采样点，记录光子事件，获Δφ'值，跟踪探测点φ1，根据相位变化与所加电压的关系，为此我们获得工作点设定电压Vmax=V'max+ΔV'(或Vmin=V'min+ΔV')。

偏移量Δφ'实时检测改善了精度，其对应的电压为ΔV'，我们将所获得精确跟踪的设定电压Vmax=V'max+ΔV'(或Vmin=V'min+ΔV')作为实际QDK系统的工作点设定电压，周期性测试实际工作点的Vi，主动补偿ΔVi=Vmax－Vi后，进行量子密钥分发。

第二步:补偿电压的反馈与加载

相位调制电压信号的监测由高速多通道PCI 1712卡采集实现，经计算机应用程序处理后，反馈写入PCI1720卡输出端加载给相位调器。相位检测实时补偿单元模块软件系统自动控制输入通道数据采集与输出写入，多通道数据采集卡实验结果分析表明，基于M－Z系统的相位跟踪补偿系统方案同样适合其它光纤量子通信系统［2，3］。

2 基于波长选择开关(WSS)的量子经典融合网络波长管理

2.1 WSS是ROADM和OXC的核心技术

接入网技术是无源光网络(Passive Optical Network，PON)技术打破“最后一公里”瓶颈的核心技术，研究基于MEMS技术的波长选择开关(WSS)，更好地解决管理波长问题，提供更好的弹性和控制功能显得十分重要，这将为QKD系统接入网解决多波长复用提供技术支持。

全光网络因其良好的透明性、波长路由特性、兼容性和可扩展性，成为下一代高速、超高速宽带网络的首选。只有全光网络方案能提供高速、大容量的传输及处理能力，打破信息传输的“瓶颈”，可节省成本。

全光网络在干线上采用密集波分复用(DWDM)技术扩容，在交叉节点上采用光分插复用器(ROADM)、光交叉连接器(OXC)来实现。而WSS和WSS阵列恰恰是ROADM和OXC的核心技术。是经典通信与量子通信融合的关键器件之一

WSS是近年来发展迅速的ROADM与OXC子系统技术，被认为是光纤通信中最高端的技术和器件之一，它可以将输入光纤中的任一或者任一组波长信号切换到任一输出光纤中，如图2－1所示。

图2－1 WSS功能示意图

WSS是一种超低损耗的开关技术，它将先进的光学、软件和封装技术结合，提供一种先进的波长转换解决方案，满足了40Gb和100Gb等高速率应用在性能和功能方面的需求。WSS主要应用在光网络的保护倒换系统、网络性能的实时监控系统、光纤通信器件测试系统以及城域网、接入网的插/分复用和交换设备中。

下一代的光网络将是智能化的，要求对DWDM信道进行更加灵活的远程控制，而WSS可用来构建功能强大的ROADM和OXC设备(如图2－2和图2－3所示)，在下一代长途骨干网和城域网中有着很好的应用前景。

图2－2 以WSS构建的ROADM

图2－3 以WSS构建的OXC

采用了WSS技术的ROADM系统及OXC系统在管理波长方面，能提供更好的弹性和控制功能，并可大幅降低相关成本。基于MEMS技术的WSS器件是光纤通信中最高端的技术和器件之一，可用来构建功能强大的ROADM和OXC系统，在量子通信与经典通信网络融合有很好的应用研究前景。

2.2 WSS器件结构与原理

WSS由输入光纤端口、输出光纤端口、光纤准直器阵列、偏振控制单元、光束整形系统、色散单元、消色差处理单元和微型反射开关引擎组成。

图2－4 WSS结构俯视示意图

随机偏振WDM光束信号输入光纤端口，经光纤准直器阵列进入波长选择开关光学系统。光束首先被偏振控制单元分解成两束具有相同偏振态同向传输的光束，然后两光束被反射元件反射进入光束整形系统，经两个直角棱镜放大，形成椭圆光斑。椭圆光斑被反射元件反射到衍射光栅，光束按波长的不同沿不同方向进行色散，色散单元用于将两束平行光束以色散单元的色散方向发散成两组包含多个波长的光信号，分散的多个波长的光信号分别以不同的方向在同一平面内传输。被色散的各波长光进入双胶合透镜，消色差处理单元对分散的多个波长的光信号汇聚到微型反射开关引擎。微型反射开关引擎包括多个微型反射单元以及驱动电路，通过改变驱动电路加载于微型反射单元的电压，可以改变微型反射单元的偏转角度，从而对不同波长的光信号进行反射。反射的光信号依次经消色差处理单元、色散单元、光束整形系统和偏振控制单元，使返回的光信号输入至对应的输出光纤准直器。以此恢复信号的原偏振态并耦合进各自的目的光纤中，该器件可以将任意波长组合切换到任一输出光纤中［5］。

2.3 实验结果

实验研究1×4 WSS器件，其通道数为128，通道间隔为50 GHz，IL小于5 dB，PDL小于1 dB，0.5 dB和3 dB带宽分别为29 GHz和38 GHz，串扰低于－40 dB。以这种结构还可以实现4×1合波器，通道数为64，通道间隔为100 GHz，IL 小于4 dB，PDL 小于0.3 dB，0.5 dB带宽为74 GHz，串扰低于－40 dB，通道均衡的动态范围为10 dB。

采用MEMS技术的WSS器件利用反射镜通过衍射光栅两次，提高了色散角，从而减小体积，而且共用了透镜以同时实现分波和合波的功能;通过一维阵列微镜结合阵列衰减，解决光路切换的串扰问题，避免了采用技术难度高和成本高的二维阵列转镜。实验改善封装技术，保证高可靠性、稳定性和较长使用周期。我们研究了基于MEMS技术的WSS，可控端口已经达到40个，通带间隔100 GHz，插入损耗小于4.78 dB，偏振相关损耗小于0.5dB，最大衰减达到43 dB，3 dB带宽为90 GHz，0.5 dB 带宽为70 GHz，通带增益平坦，稳定性高［6］，并论证了将研究的WSS应用到QKD多用户通信网络［7］。

3 量子通信与经典通信网络的超快速高分辨率无源光器件监测

3.1 基于DD－OFDM系统无源光器件特性测试原理

精密结构的无源光器件在量子通信、经典光通信等领域应用十分广泛，然而无源光器件(如相位调制器、光纤耦合器)等对机械振动和温度波动十分敏感。因此设计一种高分辨率、超快测量速度的个性化方法，改善系统稳定性，提供系统器件的监测和控制十分重要。基于DD－OFDM系统，结合相干探测和DSP，提供了通过平方率探测处理相位或存储的传输信号的延迟信息，获得光学双边带形(DSB)、单边带形传输的数字信号相位响应处理的方法。

为了理解相位与强度信息如何保存，提供调制与解调器的描述。OSSB－DD－OFDM的类型可表达为:

s(t)为OFDM的光信号，f0是光学载波主频率，Δf是主光学载波器和OFDM频带之间的防护频带，sB(t)由下式给定的OFDM基频信号

信号经光纤链路后，OFDM信号可近似为:

Φ(f)为相应相位，A为相应强度。在接收器端，光电探测可调为平方律探测器，光电流为

第1项为直流成分可以很容易过滤。第2项为转换的线性OFDM子载波信号，同时包含了相位和强度信息。第3项为二阶非线性项需要剔除［8］。

相关接收器对偏振态敏感。一旦相关接入器引入偏振度，琼斯矩阵以数字域来评估。从琼斯矩阵看，能获得更多的器件参数，譬如偏振相关损耗(PDL)和偏振模色散(PMD)［9，10］。相比，直接测量对偏振角度不敏感。当调制获得PMD或PDL信号时，DD－OFDM实现测量。

由于光放大器和PD存在噪声，光纤传输的光通道评估需要减少噪声影响，这可能需要更多评估量，引起更低的评估速度。因而，DD－OFDM方法比基于频率扫描的传统的方法更快。

3.2 系统装置

图3－1 实验装置和设备测试

如图3－1所示为提出的基于DD－OFDM系统装置，由计算机产生的OFDM基频信号，输入任意波型发生器(Tektronix AWG 7122B)。基于奈奎斯特采样原理，由AWG产生的波形以8 G每秒的采样连续输出，10 bit DAC和输出带宽为4 GHz，4QAM用来匹配bit流数据给每个OFDM的副载波器。通过简单地改变OFDM符号长度，可获得可调频率分辨率。为了避免由于平方律光电探测二级互调失真，OFDM频谱应通过频差从光载波器重置，模拟IQ混合器把OFDM信号从基频转换至8.5 GHz高频，上转换用于产生频差。采用EAM，通过电驱动放大，OFDM信号调制为光双边带信号。SSB光学滤波器用于单波带滤波。

图3－2 EAM调制后的OFDM光谱

实验中采用FBG和臂差为3米的自组装延时干涉仪为DUT。图3－2(a)和(b)相应的为DSB调制的光谱和SSB调制的OFDM信号光谱，掺铒光纤放大器(EDFA)用来补偿DUT的损耗。

OSSB OFDM信号经过DUT后，由PD探测器探测。示波器以25 GS/s实时采样将探测到的OFDM电信号数字化。计算机通过FFT将OFDM采样信号以频域转换为放大的子载波。采用无源器件稳定OFDM信号的强度和相位的信号处理技术［11］，课题组积累了较好的实验基础［12－13］。

3.3 实验结果与讨论

根据上述分析，通过FFT长度测量频率分辨率。设定FFT长度为2.048和CP长度为128，理论上测量频率接近3.9 MHz。显然，对于OSA或者激光扫描系统获得如此高的分辨率和高速测量十分困难。每个OFDM采样周期为0.272 us，AWG的采样率为8 GS/s。有效的OFDM信号带宽约为6 GHz。

我们首次采用DD－OFDM和CO－OFDM信号测量了DI的特性，并比较了测量结果。图3－3(a)和(b)是采用DD－OFDM和CO－OFDM测量结果。(c)和(d)表明1GHz间隔的测量结果，实验结果为22OFDM采样的平均值，测量强度精度大于20 dB，测量 FSR(free spectral range)为66.7MHz。

图3－3 采用66.7 MHz FSR测量DI的传输方程(分辨率为 3.9MHz)

实验表明基于DD－OFDM方法和CO－OFDM方法的结果十分吻合。虽然采用两种方法测量的结果都有一些相位的尖峰，这是由于偶尔的边沿相位抖动，可以忽略对测量结果的影响。

4 结语

提出以单光子探测光子统计计数表征干涉相位漂移的实时检测与补偿方法，这可改善实际QKD应用系统中的相位调制器、波长选择开关等基础器件的特性。实验上提出了FIFO分段存储技术，实现即时大容量数据存储与交换、仪器系统的开放性配置。总结基于MEMS的WSS波长选择开关特性及工艺技术的研究，采用WSS技术的ROADM系统及OXC系统可更好地弹性管理量子经典融合网络的波长，解决QKD系统接入网多波长复用难题。我们阐述了一种基于DD－OFDM技术的无源光器件测量方法，提供监测和控制服务，可改善通信系统稳定性［10］。实验结果与理论相符，且能够有效降低成本。上述量子信号和经典信号融合网络的传输信道进行稳定性测试，监测复用器件以及光纤信道的噪声消除和跟踪测量对量子通信与经典通信融合网络实用化产业应用十分重要。

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