УСТРОЙСТВО ПЕРЕДАЧИ КВАНТОВОГО И ИНФОРМАЦИОННЫХ КАНАЛОВ В ОДНОМ ОПТИЧЕСКОМ ВОЛОКНЕ Российский патент 2023 года по МПК H04B10/50 H04B10/2575 

Настоящее изобретение относится к оптической технике, а именно к устройствам фотонной квантовой связи.

Известно устройство квантовой рассылки ключа на боковых частотах, устойчивое к поляризационным искажениям сигнала в волоконно-оптических линиях связи [Патент RU 2747164 С1; 12.11.2019; МКИ: Н04В 9/08]. Недостатком представленного устройства является использование отдельно квантового и открытого канала для связи между блоками отправителя и получателя.

Известно устройство передачи квантовых и информационных каналов, работающее с использованием технологий плотного частотного мультиплексирования - DWDM [Заявка WO2020140849 A1; 31.12.2018; МКИ: Н04В 10/70]. В данном устройстве длина волны квантового канала помещена в С-диапазон длин волн (1535 нм - 1565 нм). Описываются известные виды шумов, присутствующих в подобных устройствах. В частности, рамановский шум и шум четырехволнового смешения. Для их контроля предлагается использовать, в том числе, неэквидистантные длины волн информационных каналов и аттенюаторы на стороне передатчика. Представленное устройство обладает следующими недостатками: высокий уровень влияния шума рамановского рассеяния, наведенного информационными каналами, а также служебным каналом и каналом синхронизации, на сигнал квантового канала, высокий уровень шума четырехволнового смешения.

Известны устройство передачи квантовых и классических сигналов по оптической сети [Патент US 7,248,695 В1; 24.07.2007; МКИ: H04K 1/00, H04L 9/00] и устройство совмещения оптического служебного канала и квантового канала [Патент US 7,809,268 В2; 05.10.2010; МКИ: H04J 14/02], в обоих устройствах используется технология плотного частотного мультиплексирования - DWDM и усилители на сторонах отправителя и получателя. Недостатком данных устройств является наличие шума из-за усиления спонтанного излучения в канале.

Предлагаемое изобретение является устройством, обеспечивающим распространение однонаправленных каналов квантового распределения ключа совместно с информационными каналами с частотным уплотнением в одном оптическом волокне.

Особенностями данного устройства являются совместное использование технологий плотного и грубого частотного уплотнения и передача однонаправленного квантового канала на длине волны 1310±10 нм, что позволяет существенным образом снизить влияние шума рамановского рассеяния, наведенного информационными каналами, а также служебным каналом и каналом синхронизации. Помимо этого, предлагаемое устройство содержит управляемый аттенюатор на стороне отправителя и оптический усилитель на стороне получателя. В отличие от устройства, представленного в [Заявка WO2020140849 A1; 31.12.2018; МКИ: Н04В 10/70], совместное использование управляемого аттенюатора и усилителя позволяет осуществить дополнительное снижение мощности информационных каналов и влечет за собой дополнительное снижение Рамановского шума и шума линейных перекрестных помех.

Техническая реализация блоков квантового распределения ключа отправителя и получателя остается неизменной, за исключением выбора длины волны источника излучения устройства (1310±10 нм). В то время как подход к организации каналов связи между блоками отправителя и получателя переработан.

В упрощенном виде работа устройства описывается следующим образом:

- отправитель осуществляет отправку квантовых сигналов через квантовый канал из блока квантового распределения ключа отправителя;

- однонаправленные сигналы из классических информационных каналов мультиплексируются при помощи DWDM-мультиплексора, затем ослабляются при помощи аттенюатора и после CWDM-мультиплексирования с квантовыми каналами от блока квантового распределения ключа отправителя поступают на канал связи;

- получатель на принимающей стороне при помощи CWDM-демультиплексора разделяет сигнал на квантовый и классический, квантовый сигнал поступает в блок квантового распределения ключа получателя;

- классический канал усиливается при помощи усилителя, затем сигналы демультиплексируются при помощи DWDM-демультиплексора и распределяются по информационным каналам.

Заявленное устройство делится на блок отправителя и блок получателя, соединенные волоконно-оптическим каналом связи. Блок отправителя содержит блок квантового распределения ключа отправителя, квантовый канал, информационные каналы, DWDM-мультиплексор, CWDM-мультиплексор и аттенюатор. Блок квантового распределения ключа отправителя посредством квантового канала соединен с одним из входных портов CWDM-мультиплексора. В свою очередь информационные каналы, данные в которых могут быть зашифрованы при помощи квантового распределения ключа, подключены к входным портам DWDM-мультиплексора, который соединен с управляемым аттенюатором, соединенным со вторым из входных портов CWDM-мультиплексора.

Выходной порт CWDM-мультиплексора подключен к каналу связи между блоками отправителя и получателя.

Блок получателя содержит блок квантового распределения ключа получателя, квантовый канал, информационные каналы, DWDM-демультиплексор, CWDM-демультиплексор, компенсатор дисперсии и усилитель. Подключенный к каналу связи CWDM-демультиплексор соединен с блоком квантового распределения ключа получателя посредством квантового канала, квантовый сигнал на который поступает с одного из выходных портов CWDM-демультиплексора. Классический сигнал со второго выходного порта CWDM-демультиплексора поступает на последовательно соединенные компенсатор дисперсии, усилитель, DWDM-демультиплексор. Сигналы с выходных портов DWDM-демультиплексора поступают на информационные каналы.

Описания заявленного устройства подаются в пояснительной форме и направлены на объяснение основных принципов работы изобретения и уточнение его отличий от ранее заявленных подобных изобретений. Фиг. 1 иллюстрирует функциональную схему заявленного устройства.

Изобретение реализует распространение каналов квантового распределения ключа совместно с однонаправленными информационными каналами с частотным уплотнением в одном оптическом волокне. Устройство разработано таким образом, что может быть собрано из стандартного телекоммуникационного оборудования. Ниже рассматривается оптическая схема устройства.

Как показано на Фиг. 1, заявляемое устройство состоит из блока отправителя битовой последовательности и блока получателя, соединенных при помощи волоконно-оптического канала связи, по которому совместно передаются классические и квантовые сигналы.

В блоке отправителя из блока квантового распределения ключа отправителя (1) квантовый сигнал на длине волны 1310±10 нм по квантовому каналу (2) поступает на один из входных портов CWDM-мультиплексора (3). Однонаправленные информационные каналы (4) в блоке отправителя, которые могут быть зашифрованы при помощи квантового распределения ключа, поступают на входные порты DWDM-мультиплексора (5). Сигнал из выходного порта DWDM-мультиплексора (5) подается на управляемый аттенюатор (б), соединенный при помощи классического канала (7) со вторым входным портом CWDM-мультиплексора (3). Сигнал из выходного порта CWDM-мультиплексора (3) поступает в волоконно-оптический канал связи (8) между блоками отправителя и получателя, в котором реализуется совместная передача классических и квантовых сигналов. Далее сигнал из волоконно-оптического канала связи (8) поступает на входной порт CWDM-демультиплексора (9), в котором происходит разделение излучения в зависимости от длины волны: квантовое излучение на длине волны 1310±10 нм с одного из выходных портов CWDM-демультиплексора (9) поступает по квантовому каналу (10) в блок квантового распределения ключа получателя (11), классическое излучение со второго выходного порта CWDM-демультиплексора (9) поступает по классическому каналу (12) на компенсатор дисперсии (13), подключенный к усилителю (14), сигнал из которого подается на входной порт DWDM-демультиплексора (15). Излучение из выходных портов DWDM-демультиплексора (15) подается на информационные каналы (16).

Преимуществами устройства являются совместное использование технологий плотного и грубого частотного уплотнения и передача квантового канала на длине волны 1310±10 нм, что снижает влияние шумов при совместном распространении квантового и классического сигнала, а также комбинация использования в блоке отправителя управляемого аттенюатора и использования в блоке получателя оптического усилителя, что позволяет существенно понизить мощность классического сигнала на стороне отправителя, что приводит к снижению влияния нелинейных эффектов на совместное распространение классических и квантовых сигналов и, как следствие, к увеличению пропускной способности квантового канала.

Изобретение относится к оптической технике, а именно к устройствам фотонной квантовой связи. Техническим результатом является снижение влияния шумов при совместном распространении квантового и классического сигнала, снижение влияния нелинейных эффектов на совместное распространение классических и квантовых сигналов и, как следствие, увеличение пропускной способности квантового канала. Упомянутый технический результат достигается за счет совместного использования технологий плотного и грубого частотного уплотнения, передачи квантового канала на длине волны 1310±10 нм, а также комбинации использования в блоке отправителя управляемого аттенюатора и использования в блоке получателя оптического усилителя. 1 ил.

Устройство передачи квантового и информационных каналов в одном оптическом волокне, содержащее блок отправителя, включающий в себя блок квантового распределения ключа отправителя, соединенный квантовым каналом с первым входным портом мультиплексора, информационные каналы, соединенные с входными портами мультиплексора с плотным разделением длин волн (DWDM), выходной порт которого через аттенюатор подключен к второму входному порту мультиплексора, выходной порт которого подключен к волоконно-оптическому каналу связи; а также блок получателя, состоящий из подключенного к волоконно-оптическому каналу связи демультиплексора, один из выходных портов которого соединен с блоком квантового распределения ключа получателя посредством квантового канала, отличающееся тем, что мультиплексор и демультиплексор выполнены соответственно в виде мультиплексора с разреженным спектральным разделением каналов (CWDM) и демультиплексора с разреженным спектральным разделением каналов (CWDM), а между другим выходным портом CWDM-демультиплексора и входным портом DWDM-демультиплексора введены последовательно соединенные компенсатор дисперсии и усилитель, сигналы с выходных портов DWDM-демультиплексора поступают на информационные каналы, при этом сигнал по квантовому каналу передается на длине волны 1310±10 нм.