[发明专利]基于Stokes空间的偏振解复用方法

说明书

本发明提供了基于Stokes空间的偏振解复用方法，基于本地本振CV‑QKD系统实现，包括：步骤1、将经随机偏扰后的接收端电信号转换为复数形式，计算其Stokes空间矢量；步骤2、通过聚类算法找到Stokes空间矢量的聚类点坐标值；步骤3、通过聚类点的坐标计算偏振旋转角与正交偏振态相位差；步骤4、根据偏振旋转角与正交偏振态相位差计算对应的Jones矩阵；步骤5、复数形式的接收端电信号与Jones矩阵计算得到偏振解复用后的信号。本发明提出的方案够避免由于接收端偏振串扰导致的CV‑QKD系统性能下降。同时该算法具有实现简单、调制方式无关、收敛速度快等特征，可大幅度提高系统的可靠性和灵活性。

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种基于Stokes空间的偏振解复用方法。

背景技术

近年来，网络安全事故常有发生且直接威胁到了现实世界的稳定，网络安全已成为一个不得不面对的问题。传统加密手段以及其演变技术虽然能够进一步巩固网络安全防线，但不可避免地会出现漏洞并对网络系统产生影响。因此，需要寻求更加安全可靠的技术以确保网络的安全。其中，量子保密通信以其绝对的物理安全特性为保障未来网络安全提供了潜在的技术途径。经过几十年的发展，量子保密通信慢慢地聚焦到了量子密钥分发技术上来，同时，为了提高量子密钥分发技术与现有通信系统的兼容性，其研究重点也从离散变量过渡到了连续变量。

为了克服离散变量量子密钥分发系统成本高且与现有通信系统兼容性差等挑战，早在2002年，Grosshans和Grangier两人提出了连续变量高斯调制协议。该项工作证明了由成熟光通信器件生成的高斯调制方式也具有同等于单光子系统的安全性。此外，A.Leverrier等人在2009年提出了连续变量离散调制量子秘钥分发协议并证明了其安全性，这进一步增强了量子密钥分发系统与光通信系统的兼容性。到2020年，TobiasA.Eriksson等人通过波分复用系统，实现了194个波长复用的连续变量量子密钥分发系统，其采用500-MBaud的QPSK信号实验实现了172.6-Mbit/s速率下安全传输25-km标准单模光纤的传输系统。同年，在美国圣地亚哥举办的光纤通信大会(OFC’2020)上，等人实验验证了与经典光信号共纤传输情况下量子信号的传输性能。总而言之，在这短短不到20年的时间内，量子密钥分发技术已越来越接近实用化。现阶段，CV-QKD系统主要分为随路本振和本地本振两种方式，而本地本振CV-QKD系统又以其安全性更高、潜在可提升速率更高等特征成为近年来一个研究热点。在本地本振CV-QKD系统中，为了补偿激光器的频偏、相位噪声以及光纤链路对信号的影响，往往采用参考光的方法。大部分情况下，通过偏振复用的方式实现参考光与量子信号光的合束与分束。基于这一系统特征，偏振解复用的性能直接关系到CV-QKD系统的稳定性与有效性。在CV-QKD系统中，偏振解复用主要有光学和电学两种方法。其中，光学方法主要是通过监测输入信号的偏振状态再调节电控偏振控制器，使得输出信号的偏振状态确定，即常用的偏振纠偏仪。电学方法是通过偏振分集接收机实现对两个正交偏振态信号的I路和Q路信号接收，利用数字信号处理算法实现偏振解复用。

对于光学方法而言，具有多方面的缺陷。首先，增加了一台光学纠偏仪，系统成本有所提高。其次，增加了接收端的损耗，相当于减少了等量损耗的传输距离。此外，在链路偏振状态变化速度较快时，光学纠偏仪不一定能及时响应，将会直接影响系统性能。针对偏振解复用的数字信号处理算法主要包括恒常模算法(CMA)、卡尔曼滤波器以及基于Stokes空间的偏振解复用算法。其中前两种算法都是采用均衡滤波的方式实现偏振的追踪与解复用，其算法复杂度相对较高。Stokes算法通过将信号转换到Stokes空间，追踪偏振态在Stokes空间的旋转角度以实现偏振解复用。在CV-QKD系统中，参考光相较于量子信号光较强，因此在Stokes空间中仅表现为一个聚类点，从而很容易找到偏振旋转角度，算法复杂度相对简单。因此研究本地本振CV-QKD系统中的基于Stokes空间的偏振解复用算法具有较强的实用价值。

发明内容