一种基于三芯光纤模分复用的QTTH系统论文和设计-张倩琳

全文摘要

一种基于三芯光纤模分复用的QTTH系统，包括：OLT端、MDM‑ODN和ONU端，OLT端、MDM‑ODN和ONU端通过光纤依次连接；MDM‑ODN包括模式复用器和模式解复用器，且相互之间通过MCF连接，MCF为沟槽辅助正三角型三芯光纤；OLT端包括经典信号发送器、N个DV‑QKD单元和N个OLT端的模式转换器，N个模式转换器的一端与经典信号发送器连接，另一端与MDM‑ODN的模式复用器连接；ONU包括N个DV‑QKD接收器、经典信号接收器、N个ONU端的模式转换器和2N个PD；N个DV‑QKD接收器分别通过PD与模式解复用器连接；N个ONU端的模式转换器一端与解复用器连接，另一端分别通过PD与经典信号接收器连接。

主设计要求

1.一种基于三芯光纤模分复用的QTTH系统，其特征在于，包括：OLT端、MDM-ODN和ONU端，所述OLT端、MDM-ODN和ONU端通过光纤依次连接；所述MDM-ODN包括模式复用器和模式解复用器，且相互之间通过MCF连接，所述MCF为沟槽辅助正三角型三芯光纤；所述OLT端包括经典信号发送器、N个DV-QKD单元和N个OLT端的模式转换器，所述N个模式转换器的一端与所述经典信号发送器连接，另一端与MDM-ODN的模式复用器连接；所述ONU包括N个DV-QKD接收器、经典信号接收器、N个ONU端的模式转换器和2N个PD；所述N个DV-QKD接收器分别通过PD与模式解复用器连接；所述N个ONU端的模式转换器一端与解复用器连接，另一端分别通过PD与经典信号接收器连接；所述经典信号发送器发送的N个经典信号经过模式转化器从基模转换成不同且相互正交的模式后，连同所述N个DV-QKD单元发送的N个量子信号进入所述模式复用器转换成适合所述MCF传输的模式，并通过所述MCF发送到所述模式解复用器分解成独立的N个经典信号和N个量子信号；所述分解后的各束经典信号分别通过模式转换器转换成基模的模式，并经过连接的PD发送到经典信号接收器；所述量子信号通过连接的PD发送到DV-QKD接收器。

设计方案

1.一种基于三芯光纤模分复用的QTTH系统，其特征在于，包括：OLT端、MDM-ODN和ONU端，所述OLT端、MDM-ODN和ONU端通过光纤依次连接；

所述MDM-ODN包括模式复用器和模式解复用器，且相互之间通过MCF连接，所述MCF为沟槽辅助正三角型三芯光纤；

所述OLT端包括经典信号发送器、N个DV-QKD单元和N个OLT端的模式转换器，所述N个模式转换器的一端与所述经典信号发送器连接，另一端与MDM-ODN的模式复用器连接；

所述ONU包括N个DV-QKD接收器、经典信号接收器、N个ONU端的模式转换器和2N个PD；所述N个DV-QKD接收器分别通过PD与模式解复用器连接；所述N个ONU端的模式转换器一端与解复用器连接，另一端分别通过PD与经典信号接收器连接；

所述经典信号发送器发送的N个经典信号经过模式转化器从基模转换成不同且相互正交的模式后，连同所述N个DV-QKD单元发送的N个量子信号进入所述模式复用器转换成适合所述MCF传输的模式，并通过所述MCF发送到所述模式解复用器分解成独立的N个经典信号和N个量子信号；所述分解后的各束经典信号分别通过模式转换器转换成基模的模式，并经过连接的PD发送到经典信号接收器；所述量子信号通过连接的PD发送到DV-QKD接收器。

2.根据权利要求1所述的一种基于三芯光纤模分复用的QTTH系统，其特征在于，包括：

所述经典信号发送器包括依次连接的LD、IM和OC；

所述N个经典信号均为OOK信号。

3.根据权利要求2所述的一种基于三芯光纤模分复用的QTTH系统，其特征在于，包括：

所述PD采用以盖革模式操作的InGaAs雪崩光电二极管。

4.根据权利要求3所述的一种基于三芯光纤模分复用的QTTH系统，其特征在于，包括：

所述模式复用器和模式解复用器由级联模式选择耦合器组成。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种基于三芯光纤模分复用的QTTH系统，其特征在于：

所述DV-QKD单元为基于诱骗态BB84协议产生量子信号的DV-QKD单元。

6.根据权利要求5所述的一种基于三芯光纤模分复用的QTTH系统，其特征在于：

所述量子信号的偏振态包括四种偏振态：水平偏振态、垂直偏振态、45°偏振态和135°偏振态。

7.根据权利要求6所述的一种基于三芯光纤模分复用QTTH系统，其特征在于：

所述水平偏振态为：|H＞＝|0〉；

所述垂直偏振态为：|V>＝|1>；

所述45°偏振态为：设计说明书

技术领域

本实用新型涉及量子信息领域，尤其涉及一种基于三芯光纤模分复用的QTTH系统。

背景技术

经典的FTTH(Fiber To The Home，光纤到户)终端用户亟需解决数据安全性，QC(Quantum Cryptography，量子加密)获得理论证明的绝对安全性受到越来越多的关注。QC、QKD(Quantum Key Distribution，量子密钥分发)的无条件保护协议，可确保两个远程用户方之间的随机比特分布的信息理论安全性。近年来QKD系统，由于设备的兼容性和成本，普遍实用化应用的端到端量子通信网络应用还远未实现。为了降低QKD网络应用的成本，可以利用现有的FTTH网络将QKD和传统光通信集成在一起，以此最大地降低敷设和运营费用。

实现量子和经典融合的常用技术是WDM(Wavelength Division Multiplexing，波分复用)，例如2015年Wei Sun等人提出的基于波分复用的量子密钥分配与千兆位无源光网络的集成实验。但是考虑到光纤的非线性效应和高速传输光信噪比的要求，采用单模光纤的WDM技术已经到达容量的极限，且在线路上都需要额外的设备，会引入格外的串扰和损耗而可能损害最终的安全性，亟需采用新的复用技术来提高光传输容量，增加频谱效率，满足日益增长的容量要求。MDM(Mode Division Multiplexing，模分复用)和SDM(SpaceDivision Multiplexing，空分复用)技术有望解决传输容量的问题。

1982年，MDM由S.Berdague和P.Facq首次提出，他们利用空间滤膜选择激发渐变折射率多模光纤的两个低阶模式进行传输，传输10米后两个模式之间的串扰小于-20dB，由此证明模分复用在短距离传输中的可行性。但其采用的多模光纤存在模式色散、模间串扰和较大损耗等一系列问题，而本专利采用的三芯光纤可以有效减小模式色散，其沟槽辅助正三角型结构能够进一步降低模间串扰和非线性损耗。MDM是指利用光纤中相互正交的各个模式作为一个独立的信道来传输信息的一种复用方式，本质上是光的多输入输出过程。MDM按技术理念可分为基于涡旋光纤的OAM(Orbital Angular Momentum，轨道角动量)、少模光纤和多芯光纤的模分复用。

OAM模式的环形分布使得各模式之间具有不易干扰的优势，但其携带的光束易受外界环境的影响，只能在涡旋光纤等特殊光纤中传播。不少学者提出利用少模光纤进行模分复用，例如2015年Yuanxiang Chen等人提出地利用自身非线性检测的新型MDM-PON(Passive Optical Network：无源光纤网络)方案用于高速\/容量接入网络。少模光纤通过仅激励少量模式的方法有效降低了模式色散，其较大的模场半径可以有效抑制非线性效应，但其不可避免的存在较强的模间色散和模式耦合效应。

本专利通过模分复用技术实现QKD和FTTH融合，与其他方案将比，在扩大传输容量和增强安全性的基础上，采用沟槽辅助正三角型三芯光纤进一步降低了模间耦合和非线性损伤，增大了模场有效面积。

“现有技术专利：(CN208015742U)提供了一种量子密钥分发与PON设备共纤传输的系统，但共纤传输使用的是基于单模光纤的波分复用技术，已经接近通信容量的极限。”

“现有技术专利：(CN108028718A)采用模分复用技术提高了FTTH的通信容量，但其没有使用QKD技术，所以在安全性方面有所欠缺。”

实用新型内容

本实用新型提供了一种提升通信容量和安全性的基于三芯光纤模分复用的QTTH(表示QKD和FTTH融合)系统。采用沟槽辅助正三角型三芯光纤进行模分复用，即能扩大通信容量，又因其物理隔离的结构，使得弱量子信号受到经典信号的干扰较其他方案更小，易在量子和经典同传时获得更好的量子密钥分发性能，且沟槽辅助正三角型结构能够有效减小模间串扰和非线性损伤，增大光效有效模场面积。

为了达到上述技术效果，本实用新型的技术方案如下：

一种基于三芯光纤模分复用的QTTH系统，包括：OLT端(Optical Line Terminal,光线路终端)、MDM-ODN(Mode Division Multiplexing-Optical Distribution Network，模分复用-光分配网络)和ONU端(Optical Network Unit，光网络单元)，OLT端、MDM-ODN和ONU端通过光纤依次连接；

MDM-ODN包括模式复用器和模式解复用器，且相互之间通过MCF(Multi CoreFiber，多芯光纤)连接，MCF为沟槽辅助正三角型三芯光纤；

OLT端包括经典信号发送器、N个DV-QKD(Discrete Variable-Quantum KeyDistribution，离散变量-量子密钥分发)单元和N个OLT端的模式转换器，N个模式转换器的一端与经典信号发送器连接，另一端与MDM-ODN的模式复用器连接；

ONU包括N个DV-QKD接收器、经典信号接收器、N个ONU端的模式转换器和2N个PD(光探测器)；N个DV-QKD接收器分别通过PD与模式解复用器连接；N个ONU端的模式转换器一端与解复用器连接，另一端分别通过PD与经典信号接收器连接；

经典信号发送器发送的N个经典信号经过模式转化器从基模转换成不同且相互正交的模式后，连同N个DV-QKD单元发送的N个量子信号进入模式复用器转换成适合MCF传输的模式，并通过MCF发送到模式解复用器分解成独立的N个经典信号和N个量子信号；分解后的各束经典信号分别通过模式转换器转换成基模的模式，并经过连接的PD发送到经典信号接收器；量子信号通过连接的PD发送到DV-QKD接收器。

进一步的，经典信号发送器包括依次连接的LD(激光二极管)、IM(强度调制器)和OC(分束器)；

N个经典信号均为OOK信号。

更进一步的，PD采用以盖革模式操作的InGaAs雪崩光电二极管。

更进一步的，模式复用器和模式解复用器由级联模式选择耦合器组成。

以上的，DV-QKD单元为基于诱骗态BB84协议产生量子信号的DV-QKD单元。

进一步的，量子信号的偏振态包括四种偏振态：水平偏振态、垂直偏振态、45°偏振态和135°偏振态。

更进一步的，水平偏振态为：|H>＝|0>；垂直偏振态为：|V>＝|1>；45°偏振态为：设计图

一种基于三芯光纤模分复用的QTTH系统论文和设计

一种基于三芯光纤模分复用的QTTH系统论文和设计-张倩琳

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主设计要求

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