[实用新型]一种基于MDM-SDM的量子与经典融合通信系统

说明书

本实用新型公开了一种基于MDM‑SDM的量子与经典融合通信系统，包括Alice发送端、Bob接收端和MDM‑SDM复用单元，所述Alice发送端通过MDM‑SDM复用单元与Bob接收端连接。本实用新型采用异质沟槽辅助渐变折射率型FM‑MCF特种光纤，实现MDM‑SDM二维复用的量子与经典融合传输系统，解决融合网络的容量瓶颈。通过选取合适的纤芯数和模式数，能够降低信号处理的要求，其信号间的模式正交性以及空间隔离性进一步降低了经典信号对量子信号的干扰，易在融合通信时获得更好的量子密钥分发性能。为以后的超大容量融合通信网络建设，提供了一种高安全性、低损耗和低成本的可行方案。

技术领域

本实用新型涉及量子信息领域，尤其涉及一种基于MDM-SDM的量子与经典融合通信系统。

背景技术

量子保密通信提供了在量子力学保证情况下安全密钥分发的潜力，证实了无条件安全的可能性，是量子通信中发展最迅速、最接近实用和规模化的技术。在过去30多年里，自由空间和基于光纤的QKD(Quantum Key Distribution，量子密钥分发)实验通过利用不同物理原理都证明了量子保密通信的可行性。但QKD系统一般采用专用的光纤和设备，在网络规模和实用性方面存在限制。为了降低成本并提高光纤传输效率，可在现有的光纤基础设施中集成QKD和经典通信系统，以此降低敷设和运营费用，并提高QKD网络的可扩展性。

1997年，Townsend首次提出针对QKD和经典信号同时传输的方案。使用CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexing，粗波分复用技术)，将1300nm QKD信道与传统的1550nm经典信道进行多路复用，在光纤中实现超过25km的传输。但是考虑到光纤的非线性效应和高速传输光信噪比的要求，基于SMF(Single Mode Fiber，单模光纤)的WDM技术已经接近容量极限，且在链路上需要额外的设备，会引入格外的串扰和损耗而可能损害最终的安全性，亟需采用新的复用技术来提高光传输容量，增加频谱效率，满足日益增长的容量需求。基于FMF(Few Mode Fiber，少模光纤)的MDM(Mode Division Multiplexing，模分复用)共纤同传方案、基于MCF(Multi Core Fiber，多芯光纤)的SDM(Space DivisionMultiplexing，空分复用)共纤同传方案有望解决上述问题。

2013年，Joel Carpenter等人完成了经典信号和量子信号在一根6个模式FMF中模分复用传输的实验，其中基模传输量子信号，高阶模传输经典信号，经典信道和量子信道的隔离度达35dB。其优势在于利用FMF不同模式的正交性，能有效降低经典信号对量子信号的噪声干扰。但是其在传输过程中不可避免地会出现模式色散，且随着传输模式的增加，传输模式的复用和解复用将变得非常复杂。2016年，J.F.Dynes等人首次在53km的七芯MCF中以空分复用方式实现量子与经典融合传输。其优势在于MCF的各纤芯之间是基于物理结构隔离的，量子信号受到经典信号的干扰较小，易于在大容量的经典信号同传时获得更好的QKD性能。2019年，Tobias A.Eriksson等人通过实验研究了在19核MCF中CV-QKD信号和WDM复用的24.5Gbaud 16QAM(Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度调制)进行空分复用的可行性，其将CV-QKD信号放置在经典信号波段的保护带中的波长处，进一步抑制了信号间串扰，但因其采用的多芯光纤包层空间有限，从而使纤芯的数量受到限制，不利于进一步提升传输容量。

“现有技术专利：(CN110247705A)提供了一种基于多芯光纤的量子接入网架构及方法，可支持大量量子用户接入，但其采用的七芯光纤包层有限，难以进一步提高通信容量，本发明更优的提出采用FM-MCF特种光纤实现融合传输，利用空间维度和模式维度相结合的二维复用方式，解决了通信容量瓶颈问题。”