專(zhuān)利名稱(chēng)：一種適用于gpon系統(tǒng)的dps qkd加密系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及DPS QKD (Differential Phase Shift Quantum Key Distribution差分相移量子密鑰分配)的工業(yè)運(yùn)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于GPON系統(tǒng)的DPS QKD加密系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
GPON作為新一代寬帶光接入標(biāo)準(zhǔn)，具有高帶寬、高效率、大覆蓋范圍、用戶(hù)接口豐富等優(yōu)點(diǎn)，被大多數(shù)運(yùn)營(yíng)商視為寬帶接入的理想解決方案。然而，無(wú)源光纖網(wǎng)絡(luò)PON系統(tǒng)的一點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)，決定了其下行信息的傳輸是廣播式的。若在物理層可以收到光線路終端OLT發(fā)向其他用戶(hù)的信息，竊聽(tīng)者Eve就有可能竊聽(tīng)到下行幀的信息。在國(guó)際電信聯(lián)盟ITU對(duì)PON系統(tǒng)制定的G. 983. I標(biāo)準(zhǔn)中，OLT通過(guò)光網(wǎng)絡(luò)單元ONU提供的3個(gè)字節(jié)長(zhǎng)密鑰，對(duì)下 行信元進(jìn)行擾碼實(shí)現(xiàn)加密，上行幀以明文傳輸。但是通過(guò)擾碼所能獲取的安全性是很低的，而且密鑰過(guò)短則意味著被竊聽(tīng)者Eve破解的可能性增大。在2004年發(fā)布的G. 984. 3中，ITU針對(duì)GPON網(wǎng)絡(luò)的安全問(wèn)題提出了 AES解決方案(見(jiàn)文獻(xiàn) ITU-T Standard G. 984. 3 [S]，2004-02)。AES(Advanced Encryption Standard),該技術(shù)方案由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)于2001年正式發(fā)布，2006年即成為最流行的對(duì)稱(chēng)密鑰算法之一。它是一種塊密碼算法，以16字節(jié)的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行操作，也可以使用24或32字節(jié)的塊。GPON系統(tǒng)的AES加密采用計(jì)數(shù)器(CTR)模式，OLT端將明文分割為等長(zhǎng)的數(shù)據(jù)塊，對(duì)每一個(gè)塊使用等長(zhǎng)的密鑰按位取異或結(jié)果作為密文發(fā)送，ONU在收到密文后將密文塊與密鑰再作一次異或運(yùn)算，即還原明文。Eve即使竊取了下行密文，但沒(méi)有密鑰，也無(wú)法解密信息。AES是一種迭代算法，迭代操作流程包括字節(jié)代換運(yùn)算、行位移變換、列混合變換、輪密鑰混合變換。在整個(gè)加密通信流程中只使用一段密鑰，結(jié)合反復(fù)的迭代算法來(lái)對(duì)明文進(jìn)行分組加密。迭代的目的是重復(fù)使用同一段密鑰而不會(huì)大大降低安全性。AES算法相比擾碼具有更高的安全性，而且它對(duì)內(nèi)存的要求低，在硬件實(shí)現(xiàn)和有限存儲(chǔ)條件下性能頗佳，算法設(shè)計(jì)的對(duì)稱(chēng)性和并行性使之十分適合硬件實(shí)現(xiàn)。在專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)并經(jīng)過(guò)優(yōu)化的硬件上，AES算法的加密/解密速度最高可達(dá)16Gb/s，遠(yuǎn)高于GPON系統(tǒng)的吞吐量。所以AES十分適合GPON加密。AES加密雖然消除了下行信元廣播式發(fā)送帶來(lái)的安全隱患，但其前提是OLT與ONU已經(jīng)事先共享了密鑰。如果上行密鑰仍是以明文的形式傳送的，這樣可能出現(xiàn)以下三種泄密風(fēng)險(xiǎn)
(I)Eve可能在光纖上接入一個(gè)分束器竊聽(tīng)上行信元，獲取密鑰。而ONU在斷開(kāi)或重連后會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到正常狀態(tài)，所以竊聽(tīng)行為并不會(huì)被察覺(jué)。(2)在上行和下行鏈路都加入一個(gè)分束器，Eve就可以同時(shí)竊聽(tīng)上行密鑰與下行信息。即使下行信息以密文發(fā)送，Eve仍可以用竊取的上行密鑰解密下行密文。(3) Eve使用兩個(gè)CWDM復(fù)用/解復(fù)用器就可以實(shí)現(xiàn)上行和下行的發(fā)送。現(xiàn)在普遍被接受的一種密鑰解決方案是由MIT的三位科學(xué)家共同開(kāi)發(fā)的RSA公鑰加密算法。其安全性是基于大數(shù)不可分解問(wèn)題將兩個(gè)大素?cái)?shù)相乘十分容易，但要對(duì)其乘積進(jìn)行因式分解卻極其困難，因此可以將乘積公開(kāi)作為加密密鑰。RSA是非對(duì)稱(chēng)密鑰體制的典型代表，使用一組公鑰對(duì)應(yīng)于一組私鑰，如果用其中一個(gè)加密，則可用另一個(gè)解密。密鑰長(zhǎng)度從40到2048位可變，密鑰越長(zhǎng)則保密性越好，但加密的計(jì)算量也大，所以要在安全性與開(kāi)銷(xiāo)之間折衷考慮。但是，RSA所基于的大數(shù)不可分解性，需要兩個(gè)值非常大的素?cái)?shù)，使乘積的長(zhǎng)度大于512位。這種大數(shù)計(jì)算帶來(lái)的后果首先就是RSA的計(jì)算速度很慢，無(wú)論是軟件還是硬件的占用率都很高，一般只能用于少量的數(shù)據(jù)加密；其次受限于素?cái)?shù)產(chǎn)生技術(shù)，產(chǎn)生密鑰的過(guò)程很繁瑣，難以做到一次一密；再次，在保密級(jí)別與密鑰長(zhǎng)度的相關(guān)性上，對(duì)稱(chēng)密鑰體制是同步增長(zhǎng)的，而RSA則是非線性的快增長(zhǎng)。另外，近年來(lái)隨著量子算法的發(fā)展，RSA所基于的大數(shù)不可分解特性將面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)，如Shor已經(jīng)證明一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)可以在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)進(jìn)行因數(shù)分解?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，未來(lái)量子計(jì)算機(jī)將會(huì)使RSA公鑰體制面臨崩塌的危機(jī)。 RSA加密是基于數(shù)學(xué)算法的，算法的復(fù)雜性限制了它的密鑰通信效率，并且采用改進(jìn)的算法或是結(jié)合強(qiáng)大的計(jì)算能力都有可能攻破RSA。而只有基于量子特性的QKD(QuantumKey Distribution)才能夠?yàn)槊荑€分發(fā)提供無(wú)條件的安全性。一個(gè)典型的QKD系統(tǒng)需要兩條信道一條經(jīng)典信道和一條量子信道。量子信道用于傳送單光子態(tài)，經(jīng)典信道用于數(shù)據(jù)篩選和誤碼檢測(cè)。從1984年第一個(gè)QKD協(xié)議BB84發(fā)布以來(lái)，先后又有B92、E91協(xié)議面世，近年來(lái)一種DPS (Differential Phase Shift)QKD也吸引了眾多研究者興趣。隨著光源設(shè)備的不斷改進(jìn)和單光子探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，QKD從試驗(yàn)階段到商業(yè)化產(chǎn)品出現(xiàn)，短短20多年時(shí)間內(nèi)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步
1989年，Bennett及其研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了第一個(gè)QKD演示實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)文獻(xiàn)Bennett C.,Bessette F·，Brassard G. , et al. Experimental Quantum Cryptography[J]. Journalof crytology, 1992，5(1): 3_28),后經(jīng)過(guò)各國(guó)科學(xué)家的研究努力，取得了巨大的成功；1993年，英國(guó)電信實(shí)驗(yàn)室建立了基于光纖M-Z干涉測(cè)量法的IOkm的量子信道并成功的進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)文獻(xiàn) Townsend P. D. , Rarity J. G. , Tapster P. R. Singlephoton interference in 10 km long optical fiber interferometer[J]. ElectronicsLetters, 1993，29(7) : 634-635)。但是平均誤碼率比較高，而且長(zhǎng)距離量子信道中光子偏振態(tài)的變化限制密鑰分發(fā)速率，這些都有待進(jìn)一步提高；
2002年，瑞士的ID Quantique公司在長(zhǎng)達(dá)67km光纖上實(shí)現(xiàn)了單光子量子密碼通信(見(jiàn)文獻(xiàn)Stucki D., Gisin N., Guinnard 0., et al. Quantum key distribution over 67 kmwith a plug&play system [J]. New Journal of Physics, 2002, 4(1): 41)，并于 2005年推出了基于單光子技術(shù)的商用量子密碼通信系統(tǒng)，其最遠(yuǎn)的通信距離可達(dá)100km，密鑰產(chǎn)生率在25km處超過(guò)I. 5Kbit/s,能與DES、AES等加密系統(tǒng)自動(dòng)連接，傳輸和更新密鑰，適用于需要高度保密的銀行交易系統(tǒng)；
2005年，日本NTT實(shí)驗(yàn)室和Stanford大學(xué)E. L. Ginzton實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合，使用在大于IOOkm的光纖中都能生成密鑰的泊松光子源作為量子信號(hào)源，自制了 1.5啤光波段的基于頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)的單光子探測(cè)器，搭建了 30km的DPS-QKD系統(tǒng)，從中得到了產(chǎn)生率大于IMbit/s的篩后密鑰(見(jiàn)文獻(xiàn)Takesue H. , Diamanti E. , Honjo T. , etal. Differential phase shift quantum key distribution experiment over 105kmfiber[J]. New Journal of Physics, 2005, 7: 232)；
2008年10月，歐盟“基于量子密碼的全球保密通信網(wǎng)絡(luò)工程”(SECOQC)項(xiàng)目組宣布，SECOQC建立了 7個(gè)節(jié)點(diǎn)的量子保密通信示范網(wǎng)絡(luò)，并成功地進(jìn)行了試運(yùn)行，而且稱(chēng)由該系統(tǒng)加密的信息是無(wú)法破譯的。該項(xiàng)目組在一份聲明中表示，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)完全能夠?yàn)橐恍┲匾獧C(jī)構(gòu)，如軍政機(jī)關(guān)，金融機(jī)構(gòu)和擁有大量分公司的企業(yè)提供最為安全的保密通信；
2009年，美國(guó)NIST研究所使用定時(shí)抖動(dòng)為60ps、暗計(jì)數(shù)率小于200/s、工作波段為1310nm的超導(dǎo)單光子探測(cè)器，利用法拉第鏡補(bǔ)償光波在光纖中的偏振變化，成功地搭建了基于Michelson干涉儀的DPS-QKD系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在2. 5GHz時(shí)鐘頻率下穩(wěn)定工作，量子誤比特率在 4% 以下(見(jiàn)文獻(xiàn) Ma L. , NamS. , XuH. , et al. 1310 nm differential phaseshift QKD system using superconducting single photon detectors[J]. N. J. Phys., 2009，11(4) : 045020)。以上事實(shí)表明，國(guó)內(nèi)外對(duì)QKD的研究已經(jīng)進(jìn)入了工程階段的關(guān)鍵時(shí)期，根據(jù)近幾年QKD的發(fā)展速度，可以預(yù)見(jiàn)在不久的將來(lái)這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)進(jìn)入軍事應(yīng)用和商業(yè)應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的在于提供一種適用于GPON系統(tǒng)的DPS QKD加密系統(tǒng)，其旨在解決現(xiàn)有的加密手段在GPON系統(tǒng)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)到多點(diǎn)的密鑰分發(fā)、且系統(tǒng)安全性低的技術(shù)問(wèn)題。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種適用于GPON系統(tǒng)的DPS QKD加密系統(tǒng)，其特征在于，包括光線路終端OLT和至少一個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元0NU，所述光線路終端由時(shí)鐘同步控制器、脈沖相干光源、I n分束器、相位調(diào)制器、可調(diào)衰減器依次連接構(gòu)成，光網(wǎng)絡(luò)單元包括分束器、合束器、第一單光子探測(cè)器、第二單光子探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集卡；所述時(shí)鐘同步控制器輸出兩路電脈沖信號(hào)，第一路電脈沖控制所述脈沖相干光源產(chǎn)生激光脈沖的頻率，第二路電脈沖控制光網(wǎng)絡(luò)單元ONU中數(shù)據(jù)采集卡的采集頻率，使得脈沖相干光源所產(chǎn)生的激光脈沖與數(shù)據(jù)采集卡同步地采集第一單光子探測(cè)器或第二單光子探測(cè)器輸出的電信號(hào)。所述光線路終端OLT預(yù)先對(duì)每一光網(wǎng)絡(luò)單元ONU均準(zhǔn)備獨(dú)立的隨機(jī)序列丨％丨，所
述脈沖相干光源發(fā)出相干光，經(jīng)I m分束器(η由GPON包含的ONU數(shù)目決定)形成各個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元的密鑰專(zhuān)用信道。所述密鑰專(zhuān)用信道上的相位調(diào)制器的初相位設(shè)定為竄e = O,相位調(diào)制器將隨機(jī)序列以相差A(yù)ipic = φ·κ — Ψ·κ-ι的形式調(diào)制到脈沖相干光源廣生的激光脈沖上，若
ak =⑴則調(diào)相·^*!^ = O ,若^ = I則令icpk = n ;調(diào)制后的激光脈沖經(jīng)可調(diào)衰減器將每
個(gè)脈沖所含的平均光子數(shù)減至0. I后再傳送至對(duì)應(yīng)的光網(wǎng)絡(luò)單元0NU。光網(wǎng)絡(luò)單元中的分束器和合束器構(gòu)成一種類(lèi)M-Z干涉儀結(jié)構(gòu)，干涉儀結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生一個(gè)脈沖周期T的延時(shí)。第一單光子探測(cè)器與第二單光子探測(cè)器聯(lián)合測(cè)量調(diào)制后的激光脈沖干涉結(jié)果并輸出到數(shù)據(jù)采集卡中；數(shù)據(jù)采集卡按照時(shí)鐘同步控制器發(fā)出的時(shí)鐘信號(hào)頻率同步地采集干涉結(jié)果1\與時(shí)隙信息!k,其中若發(fā)生相長(zhǎng)干涉，必有·=逆k-:.,記為1 = 0,若相消干涉
則妒，記為、=I;在發(fā)生相長(zhǎng)或相消干涉的情況下該位數(shù)據(jù)有效，時(shí)隙信息記
為4 = I;若既不發(fā)生相長(zhǎng)干涉也不發(fā)生相消干涉，則該^無(wú)效，時(shí)隙信息記為丨fc = O。進(jìn)一步地說(shuō)明，數(shù)據(jù)采集卡將包含延時(shí)模塊，工作模式為時(shí)間門(mén)控選通計(jì)數(shù)，只在同步脈沖的脈寬時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)。進(jìn)一步地說(shuō)明，記錄完成后所述數(shù)據(jù)采集卡將采集到的干涉結(jié)果^序列與時(shí)隙信息^序列上傳到上位機(jī)序列保密,PjJ序列通過(guò)上行信元發(fā)送到光線路終端；光線路終
端挑選/■& j序列中I,■ _ I的有效比特組成序列則有= [rk} 稱(chēng)為篩后數(shù)據(jù)。光線路終端OLT與光網(wǎng)絡(luò)單ONU共享的密鑰為對(duì)篩后數(shù)據(jù)做數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)和密性放大 之后得到；然后雙方交換部分篩后數(shù)據(jù)檢驗(yàn)誤碼率。誤碼率過(guò)高說(shuō)明可能存在竊聽(tīng)，放棄該次通信；若誤碼率在容許范圍內(nèi)則認(rèn)為該次通信安全，繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)及密性放大，即得到共享的密鑰。完成密鑰共享后，即可參照G. 984. 3標(biāo)準(zhǔn)的AES進(jìn)行OLT與ONU的加密通信。在進(jìn)行AES加密的同時(shí)，DPS QKD也同步工作，保證密鑰能夠不斷更新，大大提高保密級(jí)別。本發(fā)明的工作原理是
DPS QKD之所以能夠保證無(wú)條件的安全性，首要的一點(diǎn)是獲得單光子態(tài)的信號(hào)源。光子是光最小的度量單位，如果每個(gè)脈沖中只含有一個(gè)光子，則完全能夠?qū)笶ve采用分束器進(jìn)行的光束分裂竊聽(tīng)。若Eve截取不到光子，則無(wú)法竊取信息；因Eve截取了光子，在ONU端該位將是空脈沖，既不發(fā)生相長(zhǎng)干涉也不發(fā)生相消干涉，該位將被認(rèn)為是無(wú)效信息，將被雙方舍棄。相干光脈沖經(jīng)過(guò)可調(diào)衰減器之后，其脈沖光束將近似于單光子態(tài)。高度衰減的激光脈沖含有的光子數(shù)目服從泊松分布，設(shè)每個(gè)光脈沖中含有的平均光子數(shù)為μ，則每個(gè)光脈沖中含有η個(gè)光子的脈沖所占的概率為
Ρ(η, μ) =，當(dāng)時(shí)，得到空脈沖；當(dāng)時(shí)，得到單光子脈沖；
.η = Oη = I
當(dāng)η >1時(shí)，得到的是多光子脈沖。多光子脈沖在全部含光子的脈沖中的概率(簡(jiǎn)稱(chēng)多光子條件概率)為
Ρ{η +> I, w n ,> O, uj =.=. . -，由以上
.. · ' 1-#'- :
兩式可以看出，包含多光子脈沖的概率可以被控制得任意小。但是，當(dāng)μ很小時(shí)，由第一式
得空脈沖的概率為P(0.r μ) = e~u + I - μ ,即此時(shí)脈沖在多數(shù)情況下都是空
脈沖。一般取平均光子數(shù)μ為ο. 1，每個(gè)脈沖中包含兩個(gè)以上光子的概率僅為5%，這可以認(rèn)為是一個(gè)比較好的單光子源。在DPS QKD中,相位調(diào)制器將[GjJ序列以相差調(diào)制到激光脈沖上,即[flj是由相鄰兩列脈沖的相差信息保存的。OUN端使用分束器和合束器搭建了一個(gè)類(lèi)M-Z干涉儀結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)臂產(chǎn)生脈沖周期T的延時(shí)，讓脈沖延遲了一個(gè)周期T之后與自身發(fā)生干涉，還原了相差信息。在有效位得到的frj序列即為對(duì)應(yīng)的^』,ONU通過(guò)上行信元將時(shí)隙信息即有效位信息)發(fā)送給OLT，OLT根據(jù)Pd挑選有效的faj組成即得到與ONU —致的篩后數(shù)據(jù)。這類(lèi)似于差分移相鍵控(DPSK)的數(shù)字調(diào)制方式，利用調(diào)制信號(hào)相鄰脈沖相位差來(lái)編碼。在BB84、B92協(xié)議中，通信雙方均需要準(zhǔn)備隨機(jī)數(shù)列，然后通過(guò)測(cè)量、交換匹配信息、篩選等一系列復(fù)雜的步驟才能生成密鑰，而且其中一部分光子會(huì)由于基不匹配而被舍棄。而DPS QKD則具有相較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和步驟，并且不存在因基不匹配而丟棄光子的情況，其密鑰生成率是上述兩種協(xié)議的兩倍！
采用準(zhǔn)單光子源作為信號(hào)源，能夠?qū)挂话愕墓馐至迅`聽(tīng)，而應(yīng)對(duì)截取-重發(fā)式竊聽(tīng)，DPS QKD也有卓越的表現(xiàn)，具有與BB84、B92等級(jí)別的安全性。典型的截取-重發(fā)式竊聽(tīng)方式是=Eve截取OLT的發(fā)送信息，然后為了掩飾竊聽(tīng)行為，Eve立刻將截取的信息復(fù)制并發(fā)給0NU。如果截取與重發(fā)能夠高速同步進(jìn)行，OLT與ONU很難發(fā)現(xiàn)竊聽(tīng)行為。在DPSQKD架構(gòu)中，衰減的相干光每個(gè)脈沖包含的平均光子數(shù)為O. 1，意味著含有相當(dāng)一部分的空脈沖。而Eve的探測(cè)器只有在探測(cè)到光子時(shí)才有響應(yīng)，Eve不能夠獲得所有的相差信息(以平均光子數(shù)O. I來(lái)計(jì)算，平均10個(gè)脈沖才出現(xiàn)一個(gè)光子，Eve平均只能獲得10個(gè)脈沖中的 一個(gè)相差信息)。這時(shí)，Eve只能發(fā)送包含兩個(gè)脈沖的單個(gè)光子來(lái)偽造該相差信息，而剩下的都置為空脈沖，如圖2所示。那么當(dāng)ONU對(duì)復(fù)制的偽信息進(jìn)行測(cè)量時(shí)，探測(cè)到的光子可能來(lái)自于三種情況
1.來(lái)自于短臂的脈沖，幾率25%；
2.來(lái)自于長(zhǎng)臂與短臂脈沖的干涉，幾率50%;
3.來(lái)自于長(zhǎng)臂的脈沖，幾率25%。其中只有2能夠產(chǎn)生正確的密鑰比特，而I和3由于不發(fā)生穩(wěn)定的干涉，測(cè)量結(jié)果是隨機(jī)的，將會(huì)有50%的幾率產(chǎn)生誤碼?？偣矊a(chǎn)生25%的誤碼率，這樣高的誤碼率是很容易被發(fā)現(xiàn)的。OLT與ONU通過(guò)經(jīng)典信道對(duì)篩后數(shù)據(jù)進(jìn)行誤碼率檢測(cè)，若誤碼率過(guò)高則說(shuō)明存在竊聽(tīng)；若誤碼率在容許范圍內(nèi)則認(rèn)為該次通信安全，雙方繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)及密性放大。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果
一、為了實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)到多點(diǎn)的密鑰分發(fā)，在光線路終端對(duì)各個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元準(zhǔn)備了不同隨機(jī)序列而在數(shù)據(jù)篩選過(guò)程中只挑選L= i的序列作為篩后數(shù)據(jù)各個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元的密鑰分發(fā)過(guò)程是獨(dú)立的，其密鑰相關(guān)性為零，所以這種一點(diǎn)到多點(diǎn)的QKD仍具有與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)QKD等級(jí)別的安全性；
二、采用高度衰減的相干光源作為準(zhǔn)單光子源，經(jīng)過(guò)公式推導(dǎo)驗(yàn)證其是一種較好的單光子源，而成本大大降低了 ；
三、采用DPSQKD相較BB84及B92具有更簡(jiǎn)單的架構(gòu)、更高的密鑰生成率，適用于工程應(yīng)用；
四、采用時(shí)間選通延時(shí)計(jì)數(shù)法，大大降低了暗記數(shù)影響。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為DPS QKD對(duì)抗截取-重發(fā)式竊聽(tīng)的原理示意圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。一種適用于GPON系統(tǒng)的DPS QKD加密系統(tǒng)，包括光線路終端OLT和至少一個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元0NU，所述光線路終端由時(shí)鐘同步控制器、脈沖相干光源、I :n分束器、相位調(diào)制器、可調(diào)衰減器依次連接構(gòu)成，光網(wǎng)絡(luò)單元包括分束器、合束器、第一單光子探測(cè)器、第二單光子探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集卡；所述時(shí)鐘同步控制器輸出兩路電脈沖信號(hào)，第一路電脈沖控制所述脈沖相干光源產(chǎn)生激光脈沖的頻率，第二路電脈沖控制光網(wǎng)絡(luò)單元ONU中數(shù)據(jù)采集卡的采集頻率，使得脈沖相干光源所產(chǎn)生的激光脈沖與數(shù)據(jù)采集卡同步地采集第一單光子探測(cè)器或第二單光子探測(cè)器輸出的電信號(hào)。
其中，所述相干脈沖光源為激光二極管，所發(fā)出的激光脈沖波長(zhǎng)為890nm、脈寬5ns、輸出功率O. 5mw，重復(fù)周期同步于時(shí)鐘同步控制器；所述相位調(diào)制器為鈮酸鋰電光調(diào)制器，半波電壓6V ;可調(diào)衰減器的衰減范圍為O 60dB，衰減精度為± O. 5dB ;所述分束器輸出損耗O. 27dB ;所述第一、第二單光子探測(cè)器是由硅材料制成的雪崩二極管構(gòu)成的單光子探測(cè)器，量子效率70% ;所述時(shí)鐘同步控制器5時(shí)鐘調(diào)節(jié)范圍IkHz IGHz ;所述數(shù)據(jù)采集卡采集速率最高可以達(dá)到30Mbit/s。本發(fā)明提供的DPS QKD搭建好后，需進(jìn)行兩方面的調(diào)試
一、衰減調(diào)試，單光子探測(cè)器的電輸出信號(hào)接到示波器，衰減器的衰減調(diào)至最大，然后打開(kāi)脈沖光源，這樣的順序是為防止光功率過(guò)大而損壞單光子探測(cè)器。緩慢減小衰減倍數(shù)，至示波器出現(xiàn)周期穩(wěn)定的脈沖信號(hào)。記錄周期，然后緩慢增大衰減倍數(shù)，至周期出現(xiàn)不穩(wěn)定跳變并增大到原來(lái)的10倍左右時(shí)，認(rèn)為十個(gè)脈沖中才出現(xiàn)一個(gè)光子，即平均每個(gè)脈沖含O. I個(gè)光子。這時(shí)的衰減倍數(shù)即系統(tǒng)工作時(shí)的參考衰減倍數(shù)，經(jīng)測(cè)試本系統(tǒng)參考衰減倍數(shù)約為36dB。二、延時(shí)調(diào)試，將時(shí)鐘同步控制器5發(fā)出的第二列電脈沖與單光子探測(cè)器的輸出接到示波器的兩個(gè)通道上，即可從示波器讀取脈沖延時(shí)。經(jīng)測(cè)試本系統(tǒng)的延時(shí)約為20ns。上面已結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行了示例性的描述，顯然本發(fā)明不限于此，在本發(fā)明范圍內(nèi)進(jìn)行的各種改型均沒(méi)有超出本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.ー種適用于GPON系統(tǒng)的DPS QKD加密系統(tǒng)，其特征在于，包括光線路終端OLT和至少ー個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元0NU，所述光線路終端由時(shí)鐘同步控制器、脈沖相干光源、I n分束器、相位調(diào)制器、可調(diào)衰減器依次連接構(gòu)成，光網(wǎng)絡(luò)單元包括分束器、合束器、第一單光子探測(cè)器、第二單光子探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集卡；所述時(shí)鐘同步控制器輸出兩路電脈沖信號(hào)，第一路電脈沖控制所述脈沖相干光源產(chǎn)生激光脈沖的頻率，第二路電脈沖控制光網(wǎng)絡(luò)單元ONU中數(shù)據(jù)采集卡的采集頻率，使得脈沖相干光源所產(chǎn)生的激光脈沖與數(shù)據(jù)采集卡同步地采集第一單光子探測(cè)器或第二單光子探測(cè)器輸出的電信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的適用于GPON系統(tǒng)的DPSQKD加密系統(tǒng)，其特征在干，所述光線路終端OLT預(yù)先對(duì)每一光網(wǎng)絡(luò)單元ONU均準(zhǔn)備獨(dú)立的隨機(jī)序列 丨，所述脈沖相干光源發(fā)出相干光，經(jīng)I :n分束器形成各個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元的密鑰專(zhuān)用信道。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的適用于GPON系統(tǒng)的DPSQKD加密系統(tǒng)，其特征在于，光網(wǎng)絡(luò)単元中的分束器和合束器構(gòu)成ー種類(lèi)M-Z干渉儀結(jié)構(gòu)，干涉儀結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生一個(gè)脈沖周期T的延時(shí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的適用于GPON系統(tǒng)的DPSQKD加密系統(tǒng)，其特征在于，數(shù)據(jù)采集卡包含延時(shí)模塊，工作模式為時(shí)間門(mén)控選通計(jì)數(shù)，只在同步脈沖的脈寬時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的適用于GPON系統(tǒng)的DPSQKD加密系統(tǒng)，其特征在于，所述密鑰專(zhuān)用信道上的相位調(diào)制器的初相位設(shè)定為Cpe = O,相位調(diào)制器將隨機(jī)序列以相mh的形式調(diào)制到脈沖相干光源產(chǎn)生的激光脈沖上，若ak = O則調(diào)相Afk = O,若ak = i則令 學(xué)！c = I ;調(diào)制后的激光脈沖經(jīng)可調(diào)衰減器將每個(gè)脈沖所含的平均光子數(shù)減至O. I后再傳送至對(duì)應(yīng)的光網(wǎng)絡(luò)單元0NU。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的適用于GPON系統(tǒng)的DPSQKD加密系統(tǒng)，其特征在于，第一單光子探測(cè)器與第二單光子探測(cè)器聯(lián)合測(cè)量調(diào)制后的激光脈沖干涉結(jié)果并輸出到數(shù)據(jù)采集卡中；數(shù)據(jù)采集卡按照時(shí)鐘同步控制器發(fā)出的時(shí)鐘信號(hào)頻率同步地采集干渉結(jié)果ヽ與時(shí)隙信息^,其中若發(fā)生相長(zhǎng)干涉，必有ち=fi-i,記為4 = O,若相消干涉則本記為rk = I;在發(fā)生相長(zhǎng)或相消干渉的情況下該位數(shù)據(jù)有效，時(shí)隙信息記為4 = I;若既不發(fā)生相長(zhǎng)干涉也不發(fā)生相消干渉，則該^無(wú)效，時(shí)隙信息記為!I = O。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的適用于GPON系統(tǒng)的DPSQKD加密系統(tǒng)，其特征在于，記錄完成后所述數(shù)據(jù)采集卡將采集到的干渉結(jié)果、序列與時(shí)隙信息‘序列上傳到上位機(jī),[y序列保密, 丨；J序列通過(guò)上行信元發(fā)送到光線路終端;光線路終端挑選P1J序列中4 = I的有效比特組成序列Jl I,則有[bk} = {rk} , 稱(chēng)為篩后數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的適用于GPON系統(tǒng)的DPSQKD加密系統(tǒng)，其特征在于，光線路終端OLT與光網(wǎng)絡(luò)單元ONU雙方交換部分篩后數(shù)據(jù)檢驗(yàn)誤碼率，用于發(fā)現(xiàn)竊聽(tīng)是否存在。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種適用于GPON系統(tǒng)的DPS QKD加密系統(tǒng)，包括光線路終端OLT和至少一個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元ONU，所述光線路終端由時(shí)鐘同步控制器、脈沖相干光源、1n分束器、相位調(diào)制器、可調(diào)衰減器依次連接構(gòu)成，光網(wǎng)絡(luò)單元包括分束器、合束器、第一單光子探測(cè)器、第二單光子探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集卡；所述時(shí)鐘同步控制器輸出兩路電脈沖信號(hào)，第一路電脈沖控制所述脈沖相干光源產(chǎn)生激光脈沖的頻率，第二路電脈沖控制光網(wǎng)絡(luò)單元ONU中數(shù)據(jù)采集卡的采集頻率。本發(fā)明提出的一點(diǎn)到多點(diǎn)的DPS QKD加密方案具有成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密鑰生成率高，工作表現(xiàn)穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)一點(diǎn)到多點(diǎn)的密鑰分發(fā)，適用于GPON系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H04L9/08GK102868524SQ20121036678
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月28日
發(fā)明者廖進(jìn)昆, 段毅, 邢飛, 楊曉軍, 唐雄貴 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)