技术领域
[0001] 本实用新型涉及到氮气
弹簧机械加工设备技术领域，具体涉及一种基于单光子通信技术的量子通信系统。
背景技术
[0002] 计算技术和计算理论的飞速发展严重威胁着公钥密码的安全性，私钥密码体系虽具有极高的安全性，但分发难题限制了其大范围应用。量子通信以光子或
纠缠光子对作为通信的物理载体，以光子的偏振、
相位等量子属性作为信息编码对象，在通信双方之间实现安全的量子密钥分配(quantumkeydistribution,QKD)，在此
基础上利用“一次一密”密码可实现信息安全的保密通信。
[0003] 作为已知的绝对安全的通信手段，量子保密通信在国家安全、国民经济中具有重大的实用价值。在量子通信系统中，采用基于光纤传输介质的单光子通信技术可以提升通信系统的最大可承受信道损耗，进而可以实现让传输距离变得更远。基于BB84协议开发的单光子保密通信装置将会获得广泛的应用。
[0004] 目前，常见的量子密钥分发系统是一种应用BB84量子密钥分发协议的基于四种偏振态编码的量子密钥分发系统。现有QKD设备间通信是将经典信道省去了，取而代之的是直接与
量子信道分时复用，从而保证系统的安全性更好。但是，这样同样带来了一个问题，由于单光子
信号在信道传输中不可避免的会有损耗，密钥生成率本就不高，再加上对基信息需要走同一根光纤，这个时间不可避免的会加长，因此密钥生成率会进一步地降低。
发明内容
[0005] 针对
现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种基于单光子通信技术的量子通信系统，该系统在保证产生量子密钥的同时进行对基过程，可以提高整个系统的工作
频率与密钥生成速率，且安全性高。
[0006] 为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
[0007] 一种基于单光子通信技术的量子通信系统，其关键在于：包括发送端、传输光路和接收端，
[0008] 所述发送端包括发送端FPGA
控制器以及与该发送端FPGA控制器电性连接的同步光
激光器、第一激光器、第二激光器、第三激光器、第四激光器、调制光路，且所述同步光激光器与第一激光器、第二激光器、第三激光器、第四激光器输出不同频率的
光信号；
[0009] 所述接收端包括接收端FPGA控制器以及与该接收端FPGA控制器电性连接的解调光路、同步
光探测器、第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器；
[0010] 所述发送端FPGA控制器用于同时触发同步光探测器和第一～第四激光器中的某一路激光器发出同步光信号和量子光信号；所述调制光路对量子光信号的偏振态进行调制将密钥信息形成量子光密钥信号，同时调制光路将量子光密钥信号和同步光信号合束后输出到所述传输光路；
[0011] 所述解调光路经传输光路接收光信号，并将接收到的两种频率的光信号分束成同步光和量子光，其中同步光信号送入同步光探测器，同步光探测器输出
同步信号至接收端FPGA控制器；接收端FPGA控制器收到同步信号后，按照特定的时序产生触发信号触发单光子探测器工作；量子光信号经解调光路处理后根据偏振状态送至相应的第一～第四单光子探测器中的某一路，单光子探测器对量子光信号进行探测后将探测数据发送给接收端FPGA控制器，接收端FPGA控制器对单光子探测器的探测信号进行
采样、处理后输出量子密钥。
[0012] 进一步的，所述调制光路包括发送端第一偏振分束器、发送端第二偏振分束器、保偏
耦合器、衰减机构以及发送端波分复用器，所述发送端第一偏振分束器用于将第一激光器、第二激光器发出的光信号分别分束成
水平偏振量子光信号、垂直偏振量子光信号；所述发送端第二偏振分束器用于将第三激光器、第四激光器发出的光信号分别分束成+45°偏振量子光信号、-45°偏振量子光信号；所述保偏耦合器用于稳定量子光信号的偏振态；所述衰减机构用于调节量子光信号的光强；所述发送端波分复用器将量子光密钥信号和同步光信号合束后输出至所述传输光路。
[0013] 进一步的，所述衰减机构为手动
衰减器和/或电控衰减器。
[0014] 进一步的，所述同步光激光器产生的同步光信号的中心
波长为1310nm；所述第一激光器、第二激光器、第三激光器、第四激光器产生的量子光的中心波长为1550nm。
[0015] 进一步的，所述解调光路包括接收端波分复用器、耦合器、第一偏振控制器、接收端第一偏振分束器、第二偏振控制器、接收端第二偏振分束器，所述接收端波分复用器用于将解调光路接收的光信号分束成量子光信号和同步光信号；所述耦合器用于稳定量子光信号的偏振态；所述第一偏振控制器用于对经耦合器输入的量子光信号偏振态进行纠正后输出至接收端第一偏振分束器；所述接收端第一偏振分束器用于将量子光信号进行分束并根据偏振状态送至第一单光子探测器或第二单光子探测器；所述第二偏振控制器对经耦合器输入的量子光信号偏振态进行纠正后输出至接收端第二偏振分束器；所述接收端第二偏振分束器用于将量子光信号进行分束并根据偏振状态送至第三单光子探测器或第四单光子探测器。
[0016] 进一步的，所述发送端FPGA控制器与接收端FPGA控制器均留设有与
人机交互设备或者密钥服务设备外接的
接口[0017] 进一步的，所述发送端FPGA控制器与接收端FPGA控制器可通过RJ45网口实现联调。
[0018] 进一步的，所述第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器分别对应于水平偏振量子光信号、垂直偏振量子光信号、+45°偏振量子光信号、-45°偏振量子光信号。
[0019] 本系统的发送端产生量子光，通过调制量子光的偏振态将密钥信息加载到量子光上；携带密钥信息的量子光通过传输光路传送至接收端；接收端对量子光进行偏振解码和探测；最后发送端根据加载的密钥信息，接收端根据测量结果，按照量子通信协议进行数据交换和数据后处理，形成本次传输的密钥结果
[0020] 本实用新型的显著效果是：
[0021] 本系统中对基信息通过经典信道进行传输，实现了仅利用量子通信设备就可以完成量子通信和经典通信的双重功能，节约了设备的体积和功耗，适用范围广；同时，同步光为1310nm，量子光为1550nm；在发送端通过波分复用器将量子光和同步光进行合束，在接收端通过波分复用器将量子光和同步光进行分束，同步光进入同步光探测器进行光电转换，量子光进入单光子探测器进行探测；同步光及量子光均采用100MHz的触发频率，对基信息通过千兆以太网传输，保证了在产生量子密钥的同时进行了对基过程，提高了整个系统的工作频率与密钥生成速率，并且对基信息只是原始的探测信息，而不是最终的密钥，因此即使被窃取，对方也无法破解，从而大大提高了系统的安全性。
附图说明
[0023] 图2是本实用新型中发送端的调制光路结构图；
[0024] 图3本实用新型中接收端的解调光路结构图。
具体实施方式
[0025] 下面结合附图对本实用新型的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。
[0026] 如图1所示，一种基于单光子通信技术的量子通信系统，包括发送端、传输光路18和接收端，其中：
[0027] 所述发送端包括发送端FPGA控制器1以及与该发送端FPGA控制器1电性连接的同步光激光器2、第一激光器3、第二激光器4、第三激光器5、第四激光器6、调制光路7；
[0028] 所述接收端包括接收端FPGA控制器8以及与该接收端FPGA控制器8电性连接的解调光路9、同步光探测器10、第一单光子探测器11、第二单光子探测器12、第三单光子探测器13、第四单光子探测器14；
[0029] 所述同步光激光器2与第一激光器3、第二激光器4、第三激光器5、第四激光器6输出不同频率的光信号；
[0030] 所述发送端FPGA控制器1用于同时触发同步光探测器10和第一激光器3、第二激光器4、第三激光器5、第四激光器6中的某一路激光器发出同步光信号和量子光信号；所述调制光路7对量子光信号的偏振态进行调制将密钥信息形成量子光密钥信号，同时调制光路7将量子光密钥信号和同步光信号合束后输出到所述传输光路18；
[0031] 接收端的解调光路9进传输光路18接收光信号，并将接收到的两种频率的光分束成同步光和量子光，其中同步光信号送入同步光探测器10，同步光探测器10输出同步信号至接收端FPGA控制器8；接收端FPGA控制器收到同步信号后，按照特定的时序产生触发信号触发单光子探测器工作；量子光信号经解调光路9处理后根据偏振状态送至相应的第一单光子探测器11、第二单光子探测器12、第三单光子探测器13、第四单光子探测器14，其中一路单光子探测器对量子光信号进行探测后将探测数据发送给接收端FPGA控制器8，接收端FPGA控制器8对单光子探测器的探测信号进行采样、处理后输出量子密钥。
[0032] 本例中，所述发送端FPGA控制器1与接收端FPGA控制器8均通过RJ45网口外接有人机交互设备15、密钥服务设备16；所述发送端FPGA控制器1与接收端FPGA控制器8可通过RJ45网口实现联调。
[0033] 从图1中还可以看出，在所述发送端和接收端均设置有
开关电源17为上述的各个模
块提供工作电源。
[0034] 如图2所示，所述调制光路7包括发送端第一偏振分束器、发送端第二偏振分束器7-2、保偏耦合器7-3、手动衰减器7-4、电控衰减器7-5以及发送端波分复用器7-6，所述发送端第一偏振分束器7-1用于将第一激光器3、第二激光器4发出的光信号分别分成水平偏振量子光信号、垂直偏振量子光信号；所述发送端第二偏振分束器7-2用于将第三激光器5、第四激光器6发出的光信号分别分成+45°偏振量子光信号、-45°偏振量子光信号；所述保偏耦合器7-3用于稳定量子光信号的偏振态；所述手动衰减器7-4与电控衰减器7-5用于调节量子光信号的光强；所述发送端波分复用器7-6将量子光密钥信号和同步光信号合束后输出至所述传输光路18。
[0035] 参见附图3，所述解调光路9包括接收端波分复用器9-1、耦合器9-2、第一偏振控制器9-3、接收端第一偏振分束器9-4、第二偏振控制器9-5、接收端第二偏振分束器9-6，所述接收端波分复用器9-1用于将解调光路9接收的光信号分束成量子光信号和同步光信号，同步光信号送入同步光探测器10；所述耦合器9-2用于稳定量子光信号的偏振态；所述第一偏振控制器9-3用于对经耦合器9-2输入的量子光信号偏振态进行纠正后输出至接收端第一偏振分束器9-4；所述接收端第一偏振分束器9-4用于将量子光信号进行分束并根据偏振状态送至第一单光子探测器11或第二单光子探测器12；所述第二偏振控制器9-5对经耦合器9-2输入的量子光信号偏振态进行纠正后输出至接收端第二偏振分束器9-6；所述接收端第二偏振分束器9-6用于将量子光信号进行分束并根据偏振状态送至第三单光子探测器13或第四单光子探测器14，所述第一单光子探测器11、第二单光子探测器12、第三单光子探测器
13、第四单光子探测器14分别对应于水平偏振量子光信号、垂直偏振量子光信号、+45°偏振量子光信号、-45°偏振量子光信号。
[0036] 在具体实施过程中，本系统的通信过程如下：
[0037] 发送端的FPGA器通过RJ45端口与人机交互设备15、密钥服务设备16相连接，将采集到的
数据处理后以
电信号的方式同时触发第一激光器3、第二激光器4、第三激光器5、第四激光器6中的某一路激光器和同步光激光器2发出量子光信号和同步光信号，其中同步光信号的中心波长为1310nm，量子光信号的中心波长为1550nm，在调制光路7的输出端产生两个光脉冲。先输出的光脉冲为同步光，后输出的光脉冲为量子光。量子光的光强可通过手动衰减器7-4和电控衰减器7-5调节；
[0038] 其中，第一激光器3、第二激光器4发出的量子光信号经发送端第一偏振分束器7-1分别分成水平偏振量子光信号、垂直偏振量子光信号；第三激光器5、第四激光器6发出的光信号经发送端第二偏振分束器7-2分别分成+45°偏振量子光信号、-45°偏振量子光信号；
[0039] 所述调制光路7输出的同步光信号、量子光信号经发送端波分复用器7-6合束后通过所述传输光路18发送至接收端；
[0040] 所述解调光路9中的接收端波分复用器9-1将接收的光信号分束成量子光和同步光；其中同步光被送入同步光探测器10接收端FPGA控制器收到同步信号后，按照特定的时序产生触发信号触发单光子探测器工作；量子光信号经解调光路9中剩余部分即耦合器9-2、第一偏振控制器9-3、接收端第一偏振分束器9-4或耦合器9-2、第二偏振控制器9-5、接收端第二偏振分束器9-6处理后，根据偏振状态将量子光送至第一单光子探测器11、第二单光子探测器12、第三单光子探测器13或第四单光子探测器14，所述第一单光子探测器11、第二单光子探测器12、第三单光子探测器13、第四单光子探测器14分别对应于水平偏振量子光信号、垂直偏振量子光信号、+45°偏振量子光信号、-45°偏振量子光信号；
[0041] 第一单光子探测器11、第二单光子探测器12、第三单光子探测器13或第四单光子探测器14对量子光信号进行探测后将探测数据发送给接收端FPGA控制器8，接收端FPGA控制器8对单光子探测器的探测信号进行采样、处理后输出量子密钥，并通过RJ45端口输出到人机交互设备15或密钥服务设备16，从而完成数据的安全传输。
[0042] 以上对本实用新型所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上
实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型
权利要求的保护范围内。
