[发明专利]基于Sagnac环的QKD城域网系统及其密钥分发法

权利要求书

1.一种基于Sagnac环的QKD城域网系统，其特征在于，包括Alice控制端、Sagnac环、作为骨干节点的光交叉互联器OXC、包含n个Bob用户端的接入网，其中：

Alice控制端包括多波长脉冲激光产生装置、波长选择开关、环形器、单光子探测器组、耦合器、相位调制器PMA；多波长脉冲产生装置输出的脉冲组经过波长选择开关、环形器后，通过耦合器注入到Sagnac环中，单光子探测器组通过环形器接耦合器的输入端；

所述Sagnac环由m个光交叉互联器OXC骨干节点串联组成环状结构；

所述光交叉互联器OXC作为骨干节点，在大型网络中以一种自动的方式提供光学通道，而不是手动连接；光交叉互联器OXC从传输光路中有选择地分下/插入本地接收和发送的某些波长信道，同时不影响其他波长信道的传输；

所述Sagnac环脉冲传输链路包括顺时针方向的I1链路和逆时针方向的I2链路；

所述多波长脉冲产生装置产生多波长脉冲，多波长脉冲经过所述耦合器以50:50的比例分成两束光，分别进入到所述Sagnac环脉冲传输线路的顺时针I1链路和逆时针I2链路，均从所述耦合器干涉并输出，输出的光脉冲经所述耦合器传输到所述单光子探测器组；

所述I1链路中的脉冲串从耦合器输出后依次经过公共光纤、相位调制器PMA且被调制产生相位φA、光交叉互联器OXC、专用光纤、接入网中的波分复用器、可调光衰减器、脉冲时延装置、相位调制器PMB、反射装置，然后光脉冲在反射装置处被反射回来再顺次经过相位调制器PMB、脉冲时延装置、可调光衰减器、波分复用器以及OXC，然后按顺时针方向沿着Sagnac环回到所述耦合器；

所述I2链路中的脉冲串从耦合器输出后依次经过公共光纤、光交叉互联器OXC、专用光纤、接入网中的波分复用器、可调光衰减器、脉冲时延装置、相位调制器PMB且被调制产生相位φ B、反射装置，然后光脉冲在反射装置处被反射回来再顺次经过相位调制器PMB、脉冲时延装置、 可调光衰减器、波分复用器、OXC，然后按逆时针方向沿着sagnac环回到所述耦合器；最后同时回到耦合器的顺时针I1链路和逆时针I2链路在此发生干涉；

所述包含n个Bob用户端的接入网包括一个波分复用器WDM和n个Bob用户端，n个Bob用户端均分别与所述波分复用器WDM连接，所述波分复用器WDM通过专用光纤接入到Sagnac环的光交叉互联器OXC上；其中Bob用户端依次包括可调光衰减器、脉冲延时装置、相位调制器PMB以及反射装置。

2.根据权利要求1所述的基于Sagnac环的QKD城域网系统，其特征在于，所述多波长脉冲产生装置包括相互连接的单光源多波长脉冲激光器和波长选择开关。

3.根据权利要求2所述的基于Sagnac环的QKD城域网系统，其特征在于，所述单光子探测器组包括第一多波长单光子探测器组和第二多波长单光子探测器组，所述第一多波长单光子探测器组通过第一解复用器连接环形器与所述耦合器上输入端连接，所述第二多波长单光子探测器组通过第二解复用器与所述耦合器下输入端相连。

4.根据权利要求3所述的基于Sagnac环的QKD城域网系统，其特征在于，所述光交叉互联器OXC安装在Sagnac环上的任意位置，可动态地安插、取下，同时最大限度地利用公共光纤，减少专用光纤，从而扩大通信范围，减小通信成本。

5.根据权利要求4所述的基于Sagnac环的QKD城域网系统，其特征在于，所述包含n个Bob用户端的接入网数量与骨干节点数量相同，接入网向上通过OXC接入骨干环，向下通过波分复用器WDM将n个Bob用户端接入网络，实现城域覆盖。

6.一种如权利要求5所述的基于Sagnac环的QKD城域网系统的密钥分发法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立光通道：多波长脉冲产生装置输出的多波长脉冲组经过波长选择开关、环形器后，通过耦合器注入到Sagnac环中，然后特定的波长段λ1…λn，经过与之对应的光交叉互联器OXC经过第M个接入网中的波分复用器再到Bob用户端Bob1…Bobn，以此建立连接；

S2：系统初始化及噪声测试：检查Alice控制端和各Bob用户设施，查看设备是否能正常运转，设定初始条件；在Alice控制端不发射激光脉冲串的情况下，测试系统噪声；

S3：测量光纤长度及设置Bob用户端脉冲时延：由所述多波长激光器发射光脉冲，各Bob用户测量脉冲到达时刻，确定链路中光纤长度，根据顺时针光脉冲I1和逆时针光脉冲I2需要 同时到达耦合器处发生干涉，设置各Bob用户延时；

S4：密钥分发：由所述多波长激光器以帧为单位向Bob用户发送脉冲串，在每一个脉冲发送周期，Alice随机地发送不同强度的激光脉冲给Bob；每次发送一定数目的帧，帧频率为帧之间的时间间隔；脉冲串经过环形器后发送到耦合器，耦合器以50:50的比例分成两束光，分别进入到所述Sagnac环脉冲传输线路的顺时针I1链路和逆时针I2链路，所述I1链路中 的脉冲串从耦合器输出后依次经过公共光纤、相位调制器PMA且被调制产生相位φA、光交叉互联器OXC、专用光纤、接入网中的波分复用器、可调光衰减器、脉冲时延装置、相位调制器PMB、反射装置，然后光脉冲在反射装置处被反射回来再顺次经过相位调制器PMB、脉冲时延装置、可调光衰减器、波分复用器、OXC，然后按顺时针方向沿着Sagnac环回到所述耦合器；所述I2链路中的脉冲串从耦合器输出后依次经过公共光纤、光交叉互联器OXC、专用光纤、接入网中的波分复用器、可调光衰减器、脉冲时延装置、相位调制器PMB且被调制产生相位φ B、反射装置，然后光脉冲在反射装置处被反射回来再顺次经过相位调制器PMB、脉冲时延装置、 可调光衰减器、波分复用器、OXC，然后按逆时针方向沿着sagnac环回到所述耦合器；最后同 时回到耦合器的顺时针I1链路和逆时针I2链路在此发生干涉；

S5：密钥筛选与成码：Alice记录第一单光子探测器组的探测响应事件和第二单光子探测器组的探测响应事件，Bob声明收到了哪些周期的信号态并且Alice通过公开信道告诉Bob哪些是信号态，哪些是诱骗态，然后再与各Bob用户公开比对基，留下基矢比对正确的部分，分别计算信号态和诱骗态的计数率和误码率，其中信号态中只提取一部分进行误码率估计；Alice和Bob根据计数率和误码率进行安全密钥产生率的估计，并以此标准完成后续纠错和隐私放大等经典操作，得到最终的安全密钥。