Устройство квантовой рассылки ключа на боковых частотах, устойчивое к поляризационным искажениям сигнала в волоконно-оптических линиях связи Российский патент 2021 года по МПК H04L9/08 H04B10/2507 

Изобретение относится к технике оптической связи, а именно к системам фотонной квантовой связи.

Известно устройство квантовой рассылки симметричных битовых последовательностей [Патент США 627 22 24 В1, дата приоритета 07.04.2001. МКИ: H04L 9/08; H04K 1/00], содержащее соединенные посредством волоконно-оптической линии связи передающее устройство, включающее расположенные последовательно по ходу распространения излучения источник монохроматического излучения, электрооптический фазовый модулятор и аттенюатор, а также устройство сдвига фазы, выход которого соединен с управляющим входом электрооптического фазового модулятора, а вход устройства сдвига фазы соединен с выходом генератора радиочастотного сигнала, и приемное устройство, включающее электрооптический фазовый модулятор, выход которого оптически сопряжен со спектральным фильтром, который оптически сопряжен с приемником классического излучения и детектором одиночных фотонов, управляющий вход электрооптического фазового модулятора соединен с выходом устройства сдвига фазы, к входу которого подключен выход генератора радиочастотного сигнала, волоконно-оптическая линия связи оптически сопряжена с аттенюатором передающего устройства и с входом электрооптического фазового модулятора приемного устройства, устройство содержит блок синхронизации, первый и второй выходы которого соединены с входами генератора радиочастотного сигнала приемного и передающего устройств соответственно, а также блок управления фазовым сдвигом, первый и второй выходы которого соединены с синхронизационными входами устройства сдвига фазы приемного и передающего устройств соответственно.

Стандартное оптическое волокно, используемое в волоконно-оптических линиях связи, обладает двулучепреломлением, которое носит случайный характер, в том числе зависит случайным образом от времени. Электрооптические фазовые модуляторы, используемые в волоконных линиях связи, в большом числе случаев чувствительны к поляризации излучения. Блок отправителя может однозначно ввести фазу в сигнал, непосредственно излучаемый ее лазером. Однако при передаче этого сигнала по длинному волокну к блоку получателя состояние поляризации может непредсказуемо измениться. Кроме того, состояние поляризации может случайным образом зависеть от времени. Поскольку электрооптический фазовый модулятор в блоке получателя также чувствителен к состоянию поляризации проходящего через него излучения, результат модуляции сигнала с его стороны может случайно зависеть от времени. С учетом этих обстоятельств представленное устройство обладает следующими недостатками: высокий коэффициент квантовых ошибок, низкая скорость передачи секретного криптографического ключа и низкая степень защищенности секретного криптографического ключа.

Известно устройство квантовой рассылки криптографического ключа, в котором реализован блок компенсации поляризационных искажений [Патент RU 2454810 C1]. В приемном устройстве блок компенсации поляризационных искажений выполнен из двух расположенных по ходу излучения электрооптических фазовых модуляторов, управляющие входы которых соединены с первым и вторым выходом устройства сдвига фазы соответственно, причем выход первого электрооптического фазового модулятора оптически сопряжен с выходом второго электрооптического фазового модулятора, за модуляторами по ходу излучения установлено фарадеевское зеркало, оптически сопряженное с входом второго электрооптического фазового модулятора.

Представленное устройство также имеет недостатки. При двойном проходе излучения в блоке компенсации поляризационных искажений вносятся потери, что, в свою очередь, ведет к повышению коэффициента квантовых ошибок и к уменьшению дальности рассылки ключа.

Изобретение решает задачу понижения коэффициента квантовых ошибок, повышения скорости передачи секретного криптографического ключа и повышения степени защищенности секретного криптографического ключа посредством компенсации двулучепреломления волокна и поляризационной чувствительности модулятора в системе квантовой рассылки ключа на поднесущих частотах модулированного излучения.

Поставленная задача решается следующим образом. Новая техническая реализация блока приемника устройства фотонной квантовой связи позволяет снизить коэффициент квантовых ошибок за счет понижения потерь в блоке компенсации поляризационных искажений. В состав приемного блока между фазовыми модуляторами и спектральным фильтром введены: волоконный поляризационный светоделитель и волоконный поляризационный соединитель. Устройство фотонной квантовой связи представлено на чертеже, 1 – лазер, 2 – волоконный оптический изолятор, 3, 6, 7 – электрооптический фазовый модулятор, 4 – волоконный оптический аттенюатор, 5 – радиоэлектронный блок управления и синхронизации блока отправителя, квантовый канал – канал для передачи одиночных фотонов, 8 – волоконный поляризационный светоделитель, 9 – волоконный поляризационный соединитель, 10 – волоконный спектральный фильтр, 11 – детектор одиночных фотонов, 12 – радиоэлектронный блок управления и синхронизации блока получателя, 13 – квантовый канал для передачи одиночных фотонов, 14 – канал для передачи классического сигнала синхронизации от радиоэлектронного блока передатчика к радиоэлектронному блоку приемника, 15 – открытый канал связи для классической коммуникации между радиоэлектронными блоками приемника и передатчика.

Устройство отличается тем, что в блок компенсации поляризационных искажений в приемном устройстве установлен волоконный поляризационный светоделитель, порты которого сопряжены с двумя расположенными по ходу излучения электрооптическими фазовыми модуляторами, после чего промодулированное излучение соединяется посредством волоконного поляризационного соединителя.

Принцип работы устройства: монохроматическое излучение с несущей частотой, генерируемое источником монохроматического излучения, пройдя через волоконный оптический изолятор поступает в электрооптический модулятор, где создается световое поле на поднесущих частотах с произвольно заданной фазовой отстройкой относительно фазы несущей частоты. Фазовая отстройка задаётся в радиоэлектронном блоке управления и синхронизации из набора четырех базисных состояний (0°, 90°, 180°, 270°) в двух ортогональных базисах. Величина фазовой отстройки содержит информацию, передаваемую от передатчика к приемнику с помощью однофотонных состояний. Далее излучение попадает в аттенюатор, где ослабляется до уровня, заданного протоколом (в среднем 0.2 фотона на такт фазовой модуляции суммарно на боковых частотах). Пройдя через квантовый канал, излучение поступает в блок получателя и попадает в блок компенсации поляризационных искажений. Основополагающим принципом данного блока компенсации поляризационных искажений является разделение сигнала, пришедшего из линии связи, на две ортогональные компоненты поляризации для последующей модуляции непосредственно каждой поляризационной моды. Это достигается за счет использования волоконного поляризационного светоделителя с коэффициентом деления 50/50. Использование в данном устройстве специальных волокон, сохраняющих поляризацию, снижает риск изменения поляризации разделенных сигналов. После повторной модуляции происходит интерференция двух состояний фотона на поднесущих частотах, созданных в отправителе и приемнике. Далее излучение собирается вторым волоконным поляризационным соединителем в одно волокно и попадает в спектральный фильтр, где очищается от остальных спектральных составляющих. После спектральной очистки результат интерференции на поднесущих частотах, пройдя через спектральный фильтр, регистрируется с помощью детектора одиночных фотонов и обрабатывается в радиоэлектронном блоке управления и синхронизации блока получателя. Далее, в соответствии с протоколом, на основе собранных данных радиоэлектронные блоки отправителя и получателя, используя открытый канал, производят процедуру формирования симметричных битовых последовательностей, которая включает этап просеивания по базисам, при котором отбрасываются срабатывания детектора, произошедшие при фазовой модуляции в разных базисах, формирование сырой битовой последовательности на основании номеров базисов во временных интервалах, когда произошла конструктивная интерференция, расчет коэффициента ошибок и процедуру очистки от ошибок и усиления секретности. Также радиоэлектронные блоки управления и синхронизации обеспечивают синхронную работу блоков отправителя и получателя через оптический канал синхронизации.

Изобретение относится к системам фотонной квантовой связи. Технический результат заключается в снижении коэффициента квантовых ошибок. Устройство передачи квантовых состояний содержит блок отправителя, содержащий источник монохроматического излучения (1), волоконный оптический изолятор (2), электрооптический фазовый модулятор (3), оптический аттенюатор (4), и радиоэлектронный блок управления и синхронизации (5), и блок получателя, который содержит спектральный фильтр (10), блок электрооптической модуляции с компенсацией поляризационных искажений, детектор одиночных фотонов (11), радиоэлектронный блок управления и синхронизации (12), причем блок электрооптической модуляции с компенсацией поляризационных искажений содержит волоконный поляризационный светоделитель (8), два электрооптических фазовых модулятора (6,7) и волоконный поляризационный соединитель (9), причем блок отправителя соединен с блоком получателя посредством квантового канала (13), канала синхронизации (14) и открытого канала (15). 1 ил.

Устройство для передачи квантовых состояний с блоком компенсации поляризационных искажений, содержащее блок отправителя, который содержит источник монохроматического излучения, волоконный оптический изолятор, подключенный к источнику монохроматического излучения, электрооптический фазовый модулятор, подключенный к волоконному оптическому изолятору, оптический аттенюатор, подключенный к электрооптическому фазовому модулятору, и радиоэлектронный блок управления и синхронизации, подключенный к электрооптическому фазовому модулятору, и блок получателя, который содержит спектральный фильтр, подключенный к блоку электрооптической модуляции с компенсацией поляризационных искажений, детектор одиночных фотонов, подключенный к спектральному фильтру, радиоэлектронный блок управления и синхронизации, подключенный к детектору одиночных фотонов и к двум электрооптическим фазовым модуляторам в составе блока электрооптической модуляции с компенсацией поляризационных искажений, причем блок отправителя соединен с блоком получателя посредством квантового канала, канала синхронизации и открытого канала, причем блок получателя также содержит блок электрооптической модуляции с компенсацией поляризационных искажений, отличающееся тем, что содержит волоконный поляризационный светоделитель, два электрооптических фазовых модулятора, подключенные к двум портам волоконного поляризационного светоделителя, и волоконный поляризационный соединитель, подключенный к двум электрооптическим фазовым модуляторам, причем оптический аттенюатор выполнен с возможностью ослабления излучения до уровня, заданного протоколом на такт фазовой модуляции суммарно на боковых частотах.