УСТРОЙСТВО МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ/ДЕМУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ КЛАССИЧЕСКИХ И КВАНТОВЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 2023 года по МПК H04L9/08 H04B10/70 

[0001] Заявленное изобретение относится к устройствам для квантовой связи, в частности, к устройствам, обеспечивающим передачу данных по квантовому каналу одновременно с классическими сигналами.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] В существующем уровне техники известны различные подходы, применяемые для одновременной передачи квантовых сигналов по оптоволоконным линиями связи наряду с классическими сигналами. Для такого принципа передачи данных применяется механизм мультиплексирования/демультиплексирования сигналов.

[0003] Патент US 7,248,695 B1 (MagiQ Technologies, Inc., 24.07.2007) описывает схему мультиплексирования с применением технологии DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing - плотное спектральное уплотнение сигналов). Недостаток заключается в сильном ограничении мощности классических сигналов, связанный с физикой комбинационного рассеяния света при реализации предлагаемой схемы устройства передачи данных.

[0004] В патенте US 7,613,396 B2 (NEC Corporation, 03.11.2009) описывается схема мультиплексирования в третьем окне прозрачности оптического волокна. Недостаток схемы заключается в сильном ограничении мощности классических сигналов (до -15 дБм при стандартных значениях в 0 дБм), связанный с физикой комбинационного рассеяния света, а также использованием системы КРК “Plug&Play”, которая является уязвимой к атакам злоумышленника.

[0005] Патент US 10,999,069 B2 (Id Quantique, 04.05.2021) раскрывает схему мультиплексирования с применением технологии WDM (Wavelength Division Multiplexing - спектральное уплотнение сигналов). Недостаток схемы заключается в ограничении мощности классических сигналов (до -3 дБм). Данное ограничение уменьшает конечное количество возможно используемых каналов в сетках DWDM, а также накладывает дополнительное требование на чувствительность оборудования классических телекоммуникаций.

[0006] Существующие решение в данной области техники имеют общий недостаток, заключающийся в ограничении мощности классических сигналов для обеспечения одновременной передачи информации совместно с квантовыми сигналами, что также приводит к необходимости конструктивных изменений оборудования и настройки его чувствительности, приводя тем самым к неэффективным способам организации процесса передачи данных, поскольку известные решения используют тонкопленочные DWDM фильтры и фильтров Фабри-Перо в диапазоне длин волн 1550 нм, что существенно ограничивает мощность классических сигналов.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0007] Заявленное изобретение направлено на устранение недостатков, присущих известным решениям из уровня техники, и позволяет решить техническую проблему в реализации универсального способа передачи квантовых сигналов одновременно с классическими сигналами, при этом не ограничивая мощность передачи последних.

[0008] Техническим результатом является обеспечение универсального принципа передачи квантовых сигналов совместно с классическими сигналами, не ограничивая их мощность.

[0009] Изобретение предназначено для спектрального разделения классического телекоммуникационного излучения от квантовых сигналов системы квантового распределения ключей (КРК) в линиях волоконно-оптической связи, и также обеспечивает уменьшение влияния комбинационного рассеяния света, порожденного неупругим рассеянием классического излучения на оптических фононах оптического волокна, на генерацию ключа между узлами КРК.

[0010] Изобретение позволяет использовать узлы КРК в новых и существующих линиях оптоволоконной связи с применением технологий WDM и DWDM совместно с другими абонентами.

[0011] В предпочтительном варианте осуществления заявлено устройство мультиплексирования/демультиплексирования классических и квантовых сигналов, содержащее блок передатчика и приемника, соединенные оптоволокном, при этом

блок передатчика содержит:

устройство формирования квантовых сигналов;

мультиплексор плотного спектрального уплотнения сигналов (DWDM), связанный с устройством формирования квантовых сигналов и получающий на вход классические сигналы и сигнал синхронизации, формируемый устройство формирования квантовых сигналов;

блок фильтрации шумов квантовых сигналов, связанный с устройством формирования квантовых сигналов;

мультиплексор спектрального уплотнения сигналов (WDM), получающий на вход квантовые сигналы от блока фильтрации и сигналы, мультиплексированные DWDM мультиплексором;

блок приемника содержит:

WDM демультиплексор, принимающий на вход сигналы от блока передатчика и выполняющий их разделение на квантовые, классические сигналы и сигнал синхронизации;

блок фильтрации шумов квантовых сигналов, принимающий на вход квантовые сигналы от WDM демультиплексора;

DWDM демультиплексор, получающий на вход классические сигналы и сигнал синхронизации от WDM демультиплексора;

устройство приема квантовых сигналов, получающее отфильтрованные квантовые сигналы и сигнал синхронизации от DWDM демультиплексора.

[0012] В одном из частных примеров реализации блоки фильтрации в блоках передатчика и приемника выполнены в виде пропускающего узкополосного фильтра.

[0013] В другом частном примере реализации ширина полосы пропускания фильтра не превышает 60 ГГц.

[0014] В другом частном примере реализации блок фильтрации в блоке передатчика выполнен в виде циркулятора и узкополосной пропускающей решетки с коэффициентом отражения 50%.

[0015] В другом частном примере реализации блок фильтрации в блоке приемника и/или блоке передатчика выполнен в виде циркулятора, узкополосной решетки и широкополосной решетки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0016] На Фиг. 1 – Фиг. 3 представлены схемы заявленного устройства.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0017] На Фиг. 1 представлена общая схема заявленного устройства, которое состоит из блока передатчика (10) и приемника (20), которые соединенные оптоволокном (30). Блок передатчика (10) включает в себя устройство формирования квантовых сигналов, называемое Алисой (101), которое связано с мультиплексором DWDM (102). Алиса (101) формирует квантовые сигналы для генерирования КРК на длине волны 1310 нм. Мультиплексор (102) принимает на вход классические сигналы и сигнал синхронизации на длине волны 1550 нм, формируемые Алисой (101). В состав блока передатчика (10) входит блок фильтрации шумов квантовых сигналов (110), который связан по входу с Алисой (101). В блок передатчика (10) включен также мультиплексор WDM (103), получающий на вход квантовые сигналы, прошедшие блок фильтрации (110) и сигналы, мультиплексированные DWDM мультиплексором (102).

[0018] Квантовые состояния Алисы проходят блок фильтрации (110), который может выполняться, например, в виде пропускающего узкополосного фильтра с шириной полосы пропускания не более 60 ГГц. В другом частном варианте, представленным на Фиг. 2, фильтр (110) в блоке передатчике (10) выполнен в виде циркулятора (111) и узкополосной пропускающей решетки (112) с коэффициентом отражения 50%, которая может также соединяться с терминатором (113). В этом случае фотоны проходят циркулятор (111) и спектр подвергается селекции только на узкополосной отражающей решетке (112). Терминатор (113) обеспечивает подавление отражения от границы раздела стекло-воздух.

[0019] В примере представленном на Фиг. 3 блок фильтрации (110) передатчика (10) выполнен в виде циркулятора (111), узкополосной решетки (112) и широкополосной решетки (114). В этом случае сначала излучение проходит узкополосную решетку (112), далее циркулятор (111) перенаправляет фотоны на широкополосную решетку (114) и после отражения обеспечивается необходимый спектр квантовых состояний.

[0020] Сигналы, формируемые блоком передатчика (10), передаются по оптоволокну в блок приемника (20), который содержит WDM демультиплексор (203), принимающий на вход сигналы от блока передатчика (10) и выполняющий их разделение на квантовые, классические сигналы и сигнал синхронизации. Блок фильтрации шумов квантовых сигналов (210) принимает на вход квантовые сигналы от WDM демультиплексора (203), в то время как DWDM демультиплексор (202) принимает на вход классические сигналы и сигнал синхронизации от WDM демультиплексора (203). DWDM демультиплексор (202) обеспечивает фильтрацию квантовых сигналов и сигнала синхронизации, которые передаются на устройство приема квантовых сигналов Боба (201).

[0021] В одном из примеров блок фильтрации (210) выполнен в виде пропускающего узкополосного фильтра с шириной полосы пропускания не более 60 ГГц (Фиг. 1). В примере схемы на Фиг. 2 блок фильтрации (210) выполнен в виде в виде циркулятора (211), узкополосной решетки (212) и широкополосной решетки (214), которая может соединяться дополнительно с терминатором (213).

[0022] В блоке приемника (20) фильтрация выполняется следующим образом. Излучение проходит узкополосную решетку (212), формирую тем самым узкий пик, в спектральный состав которого входит доля оптического шума и весь оптический сигнал. После этого излучение проходит циркулятор (211), отражается от широкополосной решетки (214), производя требуемую фильтрацию сигналов, находящихся вне пика пропускания узкополосной решетки (212).

[0023] При распространении излучения в оптоволокне (30), возникает комбинационное рассеяние, которое имеет отличную, от исходной волны, частоту. Механизм рассеяния связан с взаимодействием излучения с колебательными уровнями молекулы среды. Присутствие излучения высокой интенсивности производит большой уровень шумового излучения на побочных частотах в широком диапазоне, препятствующая генерации квантового ключа. Величина этого излучения уменьшается по мере удаления, по спектру, от частоты исходного излучения. Задача оптических фильтров на стороне блока приемника (10) – свести к минимуму количество шумовых фотонов, которые мешают генерации квантового ключа. Назначение фильтра (110) на стороне Алисы (101) – обеспечить спектральное совпадение квантовых состояний с фильтрами (210) Боба (201).

[0024] После прохождения блока фильтрации (110) фотоны Алисы (101) объединяются с классическими сигналами и/или другими квантовыми сигналами других устройств квантового распределения ключей в мультиплексоре WDM (103). Сигнал синхронизации на длине волны 1550 нм мультиплексируется с классическими сигналами в мультиплексоре DWDM (102). После прохождения оптического волокна (30), квантовые и классические сигналы разделяются в демультиплексоре WDM (203), после чего квантовые сигналы проходят блок фильтрации (210), который отсеивает большую часть фотонов комбинационного рассеяния света для последующей передачи квантовых сигналов Бобу (201) на соответствующей длине волны 1310 нм, испускаемых Алисой (101). Сигнал синхронизации и классические сигналы демультиплексируются в демультиплексоре DWDM (202) после чего сигнал синхронизации попадает на принимающее устройство синхросигналов, расположенное в блоке Боба (201) или связанное с ним каналом передачи данных.

[0025] Основной вклад, препятствующий одновременной передаче данных классических данных и генерации квантового ключа устройствами квантового распределения ключей, вносит комбинационное рассеяние света (КРС), что обусловлено уменьшением интенсивности с учетом удаления от центральной длины волны источника излучения 3-го окна прозрачности (1535 – 1565 нм), порождающего это рассеяние. В настоящем решении применяются длины волн, применяемые для передачи квантовых сигналов, вблизи 1310 нм, что соответствует второму окну прозрачности оптоволокна (30), поскольку в нем приемлемые потери и очень мало КРС от источников 3-го окна прозрачности.

Изобретение относится к устройствам для квантовой связи. Техническим результатом является обеспечение универсального принципа передачи квантовых сигналов совместно с классическими сигналами, не ограничивая их мощность. Устройство мультиплексирования/демультиплексирования классических и квантовых сигналов, содержит блок передатчика и приемника, соединенные оптоволокном. Блок передатчика содержит: устройство формирования квантовых сигналов; мультиплексор плотного спектрального уплотнения сигналов (DWDM); блок фильтрации шумов квантовых сигналов; мультиплексор спектрального уплотнения сигналов (WDM). Блок приемника содержит: WDM демультиплексор; блок фильтрации шумов квантовых сигналов; DWDM демультиплексор; устройство приема квантовых сигналов. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство мультиплексирования/демультиплексирования классических и квантовых сигналов, содержащее блок передатчика и приемника, соединенные оптоволокном, при этом

блок передатчика содержит:

устройство формирования квантовых сигналов;

мультиплексор плотного спектрального уплотнения сигналов (DWDM), связанный с устройством формирования квантовых сигналов и получающий на вход классические сигналы и сигнал синхронизации, формируемый устройством формирования квантовых сигналов;

блок фильтрации шумов квантовых сигналов, связанный с устройством формирования квантовых сигналов;

мультиплексор спектрального уплотнения сигналов (WDM), получающий на вход квантовые сигналы от блока фильтрации и сигналы, мультиплексированные DWDM мультиплексором;

блок приемника содержит:

WDM демультиплексор, принимающий на вход сигналы от блока передатчика и выполняющий их разделение на квантовые, классические сигналы и сигнал синхронизации;

блок фильтрации шумов квантовых сигналов, принимающий на вход квантовые сигналы от WDM демультиплексора;

DWDM демультиплексор, получающий на вход классические сигналы и сигнал синхронизации от WDM демультиплексора и передающий классические сигналы на свой выход;

устройство приема квантовых сигналов, получающее отфильтрованные квантовые сигналы и сигнал синхронизации от DWDM демультиплексора.

2. Устройство по п.1, в котором блоки фильтрации в блоках передатчика и приемника выполнены в виде пропускающего узкополосного фильтра.

3. Устройство по п.2, в котором ширина полосы пропускания фильтра не превышает 60 ГГц.

4. Устройство по п.1, в котором блок фильтрации в блоке передатчика выполнен в виде циркулятора и узкополосной пропускающей решетки с коэффициентом отражения 50 %.

5. Устройство по п.1, в котором блок фильтрации в блоке приемника и/или блоке передатчика выполнен в виде циркулятора, узкополосной решетки и широкополосной решетки.