[发明专利]基于连续变量量子密钥分发的对潜通信系统及其实现方法

权利要求书

1.一种基于连续变量量子密钥分发的对潜通信系统，其特征在于，该系统由位于自由空间中的发送端(1)和位于水中的接收端(2)构成；所述发送端(1)包括：

第一激光器(3)，用于产生原始的连续相干激光；

第一电光强度调制器(4)，用于将第一激光器生成的连续相干激光调制成脉冲光信号；

第二电光强度调制器(5)，用于调制脉冲光信号的振幅，将振幅大小调制成服从瑞利分布；

第一电光相位调制器(6)，用于将光信号在相位上进行调制，将相位大小调制成服从均匀分布U；

经过第二电光强度调制器(5)和第一电光相位调制器(6)的调制后，信号光呈高斯相干态|X+jP，即信号光光场正交分量X和正交分量P服从高斯分布，其中，X＝Acosθ，P＝Asin(θ)，A和θ分别表示信号的振幅和相位；

衰减器(7)，用于对光信号的能量进一步衰减；

第一准直器(8)，用于将光纤中的光信号切换成在自由空间中传输，且用于将光束对准第二准直器(9)；

所述接收端(2)包括：

第二准直器(9)，用于接收光信号，将采集到的光信号转成光纤传输并输入到零差探测器(13)；

零差探测器(13)，用于对光信号进行零差检测；

分束器(14)，用于将接收到的信号光与本振光进行干涉；

第二激光器(10)，用于产生本振光；

第三电光强度调制器(11)，用于调制本振光的振幅；

第二电光相位调制器(12)，用于调制本振光的相位；

第一光电探测器(15)、第二光电探测器(16)，用于检测信号光与本振光干涉后的信号光强度；

差分放大器(17)，用于将第一光电探测器(15)、第二光电探测器(16)的电信号进行差分放大操作；

所述零差探测器(13)由分束器(14)、第一光电探测器(15)、第二光电探测器(16)和差分放大器(17)构成。

2.根据权利要求1所述的基于连续变量量子密钥分发的对潜通信系统，其特征在于，所述第一激光器(3)输出波长为550nm的相干激光；所述第二激光器(10)输出波长为550nm的本振光。

3.根据权利要求1所述的基于连续变量量子密钥分发的对潜通信系统，其特征在于，所述分束器(14)进行干涉的波长范围为400nm-700nm，分光比为50：50。

4.根据权利要求1所述的基于连续变量量子密钥分发的对潜通信系统，其特征在于，所述第一电光强度调制器(4)、第二电光强度调制器(5)和第三电光强度调制器(11)均支持C段和L段光波长范围的调制，最高带宽均为12.5Gb/s，消光比均大于20dB。

5.根据权利要求1所述的基于连续变量量子密钥分发的对潜通信系统，其特征在于，所述第一电光相位调制器(6)和第二电光相位调制器(12)的最高带宽均为10GHz，消光比均大于20dB，损耗均小于2.5dB。

6.根据权利要求1所述的基于连续变量量子密钥分发的对潜通信系统，其特征在于，所述衰减器(7)衰减信号光的波长范围为450nm-600nm，衰减范围为2.5db到30dB。

7.根据权利要求1所述的基于连续变量量子密钥分发的对潜通信系统，其特征在于，所述零差探测器(13)探测的光信号波长范围为400nm-900nm，共模抑制比大于20dB，带宽最高为350MHz。

8.如权利要求1所述的基于连续变量量子密钥分发的对潜通信系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：发送端(1)的第一激光器(3)生成波长为550nm的连续相干激光，光信号被第一电光强度调制器(4)调制成脉冲光信号，幅度为[0V,5V]，电脉冲频率为10MHz，脉冲光信号频率为10MHz；

步骤2)：步骤1)中的脉冲光信号依次经过第二电光强度调制器(5)和第一电光相位调制器(6)；所述第二电光强度调制器(5)将光信号的振幅大小调制成服从瑞利分布，即其中，e为自然对数，x的值是信号光的振幅大小，瑞利分布的方差σ²取值4；所述第一电光相位调制器(6)将光信号的相位大小调制成服从均匀分布U(0,2π)；经过振幅和相位上的调制后，信号光场呈高斯相干态|X+jP，即信号光光场正交分量X和正交分量P服从高斯分布，其中，X＝Acosθ，P＝Asin(θ)，A和θ分别表示信号的振幅和相位；

步骤3)：利用衰减器(7)将步骤2)中完成高斯调制后的光信号进行衰减；所述衰减器(7)将每个脉冲的光子衰减到10⁸个光子；衰减后的光信号发送到第一准直器(8)，所述第一准直器(8)将光信号切换后在自由空间中传输，并到达第二准直器(9)；

步骤4)：接收端(2)的第二准直器(9)将接收到的信号光切换为光纤传输；第二激光器(10)产生波长与第一激光器(1)生成的光信号波长相同的本振光信号，即波长为550nm；本振光信号依次经过第三电光强度调制器(11)和第二电光相位调制器(12)；所述第三电光强度调制器(11)将本振光信号的振幅调成周期的脉冲形式，脉冲频率同第一电光强度调制器(4)调制的频率一致，即为10MHz；第二电光相位调制器(12)对本振光进行随机0或π/2的相位偏移；经过相位调制后的本振光与接收到的信号光通过分束器(14)进行干涉，所述分束器(14)将相位调制后的本振光与接收到的信号光进行干涉，所述分束器(14)的信号输出分别经第一光电探测器(15)和第二光电探测器(16)检测；所述第一电光探测器(15)的输出、第二光电探测器(16)的输出均输入到差分放大器(17)中进行差分放大得到检测结果；

步骤5)：使用步骤4)得到的检测结果中50％的采样数据用于估计信道参数，利用CM模型估计信号光穿过水面后的衰减；在信道估计参数安全范围内，经过后续的反向协商和私密放大，发送端(1)与接收端(2)即获得一组相同的密钥，CM模型为Cox and Munk模型。