一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环QKD系统及方法

技术特征：
1.一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环qkd系统，其特征在于：包括依次连接的alice端，量子与经典融合链路以及多用户bob端；所述alice端包括可变光衰减器voa、可变光延迟线vodl、相位调制器pma、法拉第旋转镜fm、信号发生器signal1；所述可变光衰减器voa、可变光延迟线vodl、相位调制器pma和法拉第旋转镜fm依次连接；所述信号发生器signal1与所述可变光延迟线vodl和相位调制器pma连接；所述多用户bob端包括激光器ld、光隔离器iso、时分复用模块、光环形器oc、单光子探测器d1、单光子探测器d2、耦合器bs3、法拉第旋转器fr、多用户复用模块、偏振分束器pbs；所述激光器ld、光隔离器iso、时分复用模块和光环形器oc依次连接；所述单光子探测器d1通过光环形器与所述耦合器bs3连接；所述单光子探测器d2和耦合器bs3连接；所述耦合器bs3通过法拉第旋转器fr和多用户复用模块与偏振分束器pbs连接；所述激光器ld产生的光信号，经过光隔离器iso后变成水平偏振光，进入时分复用模块转换为不同的高阶模式，通过光环形器oc进入到耦合器bs3中进行耦合，然后分别进入多用户复用模块和法拉第旋转器fr所在支路，在偏振分束器pbs处汇合后，经所述量子与经典融合链路进入alice端，通过可变光衰减器voa、光延迟线vodl与相位调制器pma后，经法拉第反射镜fm反射后，在可变光衰减器voa处衰减成单光子水平，即经可变光衰减器voa衰减后变为量子信号，并通过量子与经典融合链路返回多用户bob端，在偏振分束器pbs处分成两路，原先走多用户复用模块所在支路的信号，返回时走法拉第旋转器fr所在支路；原先走法拉第旋转器fr所在支路的信号，返回时多用户复用模块所在支路，最终两路信号在耦合器bs3处发生干涉，根据干涉的结果，通过所述单光子探测器d1与单光子探测器d2进行响应。2.根据权利要求1所述的一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环qkd系统，其特征在于：所述时分复用模块包括耦合器bs1、m(m>2且m为整数)个模式转换器mc、m个光开关os和耦合器bs2；所述m个模式转换器mc与所述m个光开关os一一对应连接；所述m个模式转换器mc与所述耦合器bs1连接；所述m个光开关os与所述耦合器bs2连接；所述m个模式转换器mc用于将由激光器ld出来的处于基模的信号，转换为不同的高阶模式的信号；所述m个光开关os用于对光信号进行有序的控制，在不同的时间段内只允许一路光信号由耦合器bs2进入光路。3.根据权利要求2所述的一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环qkd系统，其特征在于：所述多用户复用模块包括模式复用器mdm4、n(n>2且n为整数)个相位调制器pmb、n个光延迟线dl、信号发生器signal2、模式复用器mdm3；模式复用器mdm4与所述耦合器bs3连接；所述n个相位调制器pmb与所述模式复用器mdm4和信号发生器signal2连接；所述n个相位调制器pmb与n个光延迟线dl一一对应连接；所述n个光延迟线dl与所述模式复用器mdm3连接；所述模式复用器mdm3与所述偏振分束器pbs连接；由于所述多用户复用模块所在的支路含有光延迟线，将该支路称为长臂，含有法拉第旋转器fr的支路称为短臂；在长臂中，光脉冲依次通过模式复用器mdm4、bob端相位调制器pmb、延迟线dl后，在模式复用器mdm3处发生耦合；返回多用户bob端的信号，原先走长臂的信号，返回时走短臂；原先走短臂的信号，返回时走长臂，最终两路信号在耦合器bs3处发生干涉。4.根据权利要求3所述的一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环qkd系统，其特征
在于：在所述多用户bob端中，由长臂进入alice端的信号，在相位调制器pma处加载相位并在法拉第旋转镜fm反射后由短臂返回；由短臂进入alice端的信号，在法拉第旋转镜fm发射后由长臂返回，并在相位调制器pmb处加载了相位5.根据权利要求3所述的一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环qkd系统，其特征在于：所述耦合器bs3根据由长臂和短臂返回的两路信号发生干涉时的相位差，通过单光子探测器d1、d2处探测到其干涉结果：当相位差为π时，单光子探测器d1响应，此时传输的比特值为1；当相位差为0时，单光子探测器d2响应，此时传输的比特值为0。6.根据权利要求1所述的一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环qkd系统，其特征在于：所述法拉第旋转器fr为由两个45度法拉第旋转器组成的90度法拉第旋转器，用于将光脉冲的线偏振态旋转90度；所述可变光延迟线vodl可通过电控来调节延时的长度，在处于强光干涉时，根据相位差为0和π的干涉结果，自动调节电控光延迟线的长度，使得干涉结果符合标准。7.根据权利要求1所述的一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环qkd系统，其特征在于：所述量子与经典融合链路包括依次连接的模式复用器mdm1、少模-多芯光纤fm-mcf、模式复用器mdm2；所述模式复用器mdm1与所述可变光衰减器voa连接；所述模式复用器mdm2与所述偏振分束器pbs连接；在所述量子与经典融合链路中，量子信号与经典信号通过模式复用器mdm2复用后，在少模-多芯光纤fm-mcf中共纤传输，并在模式复用器mdm1处解复用完成同传。8.根据权利要求7所述的一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环qkd系统，其特征在于：在所述alice端与多用户bob端中，量子信号以不同的模式在不同的纤芯中传输；在量子与经典融合链路中，经典信号以不同的模式，在每一个纤芯中与量子信号进行共纤同传。9.根据权利要求7所述的一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环qkd系统，其特征在于：所述少模-多芯光纤fm-mcf为异质沟槽辅助型，其串扰随着弯曲半径的增大先增大后减小，最终趋于平缓。10.一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环qkd方法，其特征在于，该方法应用于如权利要求1-9任一项所述的一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环qkd系统中，该方法包括以下步骤：s1.系统初始化：测试各项设备能否正常工作，若正常，则进入s2；若不正常，则重新调试设备；s2.信号制备：由多用户bob端的激光器ld产生的处于基模的光信号，由模式转化器mc转换为不同的高阶模式后，在光开关os的控制下，以时分复用的方式由耦合器bs2进入系统中，并通过长臂和短臂支路进行传输；s3.模式复用/解复用：在长臂中，处于不同模式的光信号，由模式复用器mdm4解复用进入多用户bob端，在不同时刻经过相位调制器pmb后，以时分复用的方式由模式复用器mdm3复用后进入量子与经典融合链路；返回时与之相反；在量子与经典融合链路中，量子信号与经典信号通过模式复用器mdm2进行复用后共纤传输，在模式复用器mdm1处解复用后进入alice端，返回时与之相反；s4.相位调制：由多用户bob端长臂进入alice端的信号，在pma处加载了相位在法拉第旋转镜fm反射后由短臂返回；由多用户bob端短臂进入alice端的信号，在法拉第旋转镜
fm发射后由长臂返回，并在pmb处加载了相位两路信号在耦合器bs3进行干涉；s5.相位检测：在耦合器bs3处，根据由长臂和短臂返回的两路信号发生干涉时的相位差，通过单光子探测器d1、d2探测其干涉结果：当相位差为0时，单光子探测器d1响应，此时传输的比特值为0；当相位差为π时，单光子探测器d2响应，此时传输的比特值为1；s6.误码率检测：根据单光子探测器探测的情况，分析系统传输的误码率；若量子信号的误码率低于所设定的阈值，则建立安全通信；若量子信号的误码率高于所设定的阈值，则放弃本次传输的数据，并返回重新传输。

技术总结
本发明公开了一种基于时分-模分复用的多用户sagnac环QKD系统及方法，包括Alice端、量子与经典融合链路以及多用户Bob端；多用户Bob端由激光器产生处于基模的光信号，通过模式转换器MC和光开关OS，在时分复用的方式下以不同的模式进入sagnac环；根据在Alice端处的相位调制器PMA与多用户Bob端的PMB1-PMBn对量子信号调制产生的干涉时的相位差，可以得到Alice向多用户Bob传输的信息。本发明所使用的光纤为少模-多芯光纤，以时分-模分复用的方式，能够极大地增加基于sagnac环的QKD系统的原始传输码率，并且增大量子与经典融合通道中的传输容量；采用多用户Bob端的方式，使得每一个Bob端的用户仅需要提供自己的相位调制器而共用其他器件与链路，极大地减少了系统的成本。极大地减少了系统的成本。极大地减少了系统的成本。


技术研发人员：郭邦红 陈璁 胡敏
受保护的技术使用者：华南师范大学
技术研发日：2021.12.28
技术公布日：2022/5/25