技术领域
[0001] 本实用新型涉及逆向调制与量子信息技术领域，具体涉及一种多用户轨道角动量自由空间QKD逆向调制密钥分发系统。
相关背景技术
[0002] 量子密钥分发(QKD)可用于生成具有由量子力学保证的信息理论安全性的加密密钥。
[0003] 轨道角动量是光子在空间中旋转的角动量,它与光子的传播方向和波函数有关。轨道角动量是量子化的,它的取值只能是整数倍的普朗克常数h/2π。轨道角动量的大小与光子的波函数的角向分布有关,角向分布越集中,轨道角动量越大。光子的轨道角动量可以影响光子的偏振状态和光学旋光现象。
[0004] 空间激光通信是一项使用光载波进行数据传输的通信技术，它使用的信道为无线信道。与射频通信相比，激光通信具有通信容量大、保密性高、抗干扰性强、频谱无需授权使用等优势，例如：1.通信容量大2.保密性好，激光通信的发射光束发散角非常小，通常可达到几十微弧度量级，这使得它的通信指向性非常高，很难被入侵者截获，进而实现极高的保密性；3.它的抗干扰性强。4.频谱无需授权。
[0005] 由于空间光通信具有以上优势，近年来空间光通信成为研究热点，美国、欧盟和我国纷纷展开对空间光通信的研究。在针对空间光通信的研究中，实现高传输速率、轻小型和低功耗的通信终端是研究学者一直追求的目标，随着空间激光通信的发展，对能满足上述条件的空间光通信系统的需求越来越迫切。例如，在特定应用中，有一些通信终端需要被应用于条件非常恶劣且无法提供电源的环境中；微纳卫星或无人飞机通信中，也要求搭载体积小、功耗低的通信终端。
[0006] 传统空间光通信系统无法满足此要求，因此，需要对现有的计算进行改进，提供一种逆向调制能实现上述功能的系统。实用新型内容
[0007] 为了解决上述技术问题，提出了一种容量大，体积小，功耗低的多用户轨道角动量自由空间QKD逆向调制系统。
[0008] 为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案如下：一种多用户轨道角动量自由空间QKD逆向调制密钥分发系统，包括Alice控制端和多个Bob端，所述Alice控制端通过轨道角动量复用单元与多个Bob用户连接；
[0009] Alice控制端发出的包含不同OAM模式数的激光光束，并分配Bob用户与OAM模式数的关系；
[0010] 所述轨道角动量复用单元将激光光束通过OAM模式数匹配对应的Bob用户；
[0011] 任意一个Bob用户接收到对应的激光光束后，通过分束器将激光光束分为第一光束和第二光束两路光束；
[0012] 其中第一光束通过相位调制器加载由随机数发生器产生的信息后对加载信息的光束进行衰减后发射到出射透镜组；
[0013] 第二路光束直接到达出射透镜组；
[0014] 两路光束通过出射透镜组发送给Alice控制端；
[0015] 两路光束在Alice控制端分束器处发生干涉，干涉时刻通过两个探测器的探测结果得到秘钥信息，再通过经典信道公布选择得测量基。
[0016] 优选地，所述Bob用户包括入射透镜组、分束器、相位调制器、衰减器、随机数发生器和出射透镜组；
[0017] 所述随机数发生器产生信号电脉冲，所述随机数发生器控制所述相位调制器的调制状态；
[0018] 所述衰减器将光束光强进行衰减；
[0019] 所述入射透镜组接收Alice客户端的激光光束，所述入射透镜组与所述分束器的输入端连接；
[0020] 所述分束器将接收到的光束分为第一路光束和第二路光束，其中第一路光束反射后直接通过出射透镜组输出；
[0021] 所述第二路光束到达所述相位调制器处，所述相位调制器对接收到的光束进行相位调制，再通过所述衰减器衰减后从所述出射透镜组输出；
[0022] 所述出射透镜组的输出端与所述Alice控制端的测量装置连接。
[0023] 优选地，所述Alice控制端包括激光发射器、光学天线和测量装置，[0024] 所述激光发射器产生激光光束，并通过光学天线与所述多个Bob用户连接；
[0025] 所述测量装置与所述Bob用户的出射透镜组进行连接。
[0026] 优选地，所述测量装置包括相位调制器，第一分束器，第一探测器和第二探测器；
[0027] 所述相位调制器接收参考光后输入到第一分束器中分束后分别进入到第一探测器和第二探测器中探测；
[0028] QKD信号进入到第一分束器后分别进入到第一探测器和第二探测器中探测。
[0029] 本实用新型有益的技术效果：
[0030] 本实用新型设置有轨道角动量复用单元和相位调制器，提升了系统的容量；采用跟随参考光的方案，有效降低系统复杂度，提高系统的稳定性；
[0031] 采用了逆向调制技术，允许Bob端可以更加轻便、节能，做到了体积小，功耗低，实用性更好。
具体实施方式
[0035] 为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本实用新型进行进一步详细说明，但本实用新型要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。
[0036] 本实用新型采用了逆向调制技术，逆向调制通信端配备的是能够实现数据调制的逆向调制器，不包括激光器和指向跟踪装置，逆向调制器的硬件复杂度低，并且其功耗、体积和重量都明显低于传统激光通信系统。因此，逆向调制空间光通信系统一端具备轻小型、低功耗的优势，能满足一端具有轻小型、低功耗需求的应用，如微纳卫星和无人飞机等。
[0037] 本实施例的具体方案如下：
[0038] 如图1所示，一种多用户轨道角动量复用自由空间QKD逆向调制密钥分发系统，包括Alice控制端和多个Bob端，所述Alice控制端通过轨道角动量复用单元与多个Bob用户连接；
[0039] Alice控制端发出的包含不同OAM模式数的激光光束，并分配Bob用户与OAM模式数的关系；
[0040] 所述轨道角动量复用单元将激光光束通过OAM模式数匹配对应的Bob用户；
[0041] 任意一个Bob用户接收到对应的激光光束后，通过分束器将激光光束分为第一光束和第二光束两路光束；
[0042] 其中第一光束通过相位调制器加载由随机数发生器产生的信息后对加载信息的光束进行衰减后发射到出射透镜组；
[0043] 第二路光束直接到达出射透镜组；
[0044] 两路光束通过出射透镜组发送给Alice控制端；
[0045] 两路光束在Alice控制端分束器处发生干涉，干涉时刻通过两个探测器的探测结果得到秘钥信息，再通过经典信道公布选择得测量基。
[0046] 具体地工作过程如下：
[0047] 所述Alice发出光线对Bob进行询问，通过自由空间传递给多个Bob用户。其中Alice发出的光线通过包含不同OAM模式数的光线，并提前分配好Bob用户与OAM模式数的关系，例如Bob1使用OAM模式数为1的光线，以此类推，Bobn使用OAM模式数为n的光线；每个Bob收到自己对应模式数的OAM光。使用逆向调制技术(逆向调制技术指逆向调制通信MRR(Modulating Retro‑reflector)，是光学逆向链路与光学调制的结合)，对收到的光束进行相位调制，将秘钥信息加载在光束的相位上，同时将询问光线的一部分作为参考光不做任何操作直接发射。
[0048] 当这束光到达Alice端后首先使用延时线进行延时操作，使得参考光与QKD光能够同步到达分束器处发生干涉。参考光在干涉前通过相位调制器调制0或π相位，达到随机选基的目的。在干涉时刻通过两个探测器的探测结果得到秘钥信息，再通过经典信道公布选择得测量基，最后进行后处理等操作，即可以实现Alice与Bob的秘钥分配。轨道角动量复用单元通过经典动态更新轨道角动量复用分配信息，便于Bob的加入或退出。
[0049] 具体地，所述Bob用户包括入射透镜组、分束器BS、相位调制器、衰减器、随机数发生器和出射透镜组；
[0050] 所述随机数发生器产生信号电脉冲，所述随机数发生器控制所述相位调制器的调制状态；
[0051] 所述衰减器将光束光强进行衰减；
[0052] 所述入射透镜组接收Alice客户端的激光光束，所述入射透镜组与所述分束器BS的输入端连接；
[0053] 所述分束器BS将接收到的光束分为第一路光束和第二路光束，其中第一路光束反射后直接通过出射透镜组输出；
[0054] 所述第二路光束到达所述相位调制器处，所述相位调制器对接收到的光束进行相位调制，再通过所述衰减器衰减后从所述出射透镜组输出；
[0055] 所述出射透镜组的输出端与所述Alice控制端的测量装置连接。
[0056] 具体地，所述入射透镜组作为Bob移动端的输入端，接收Alice询问端发射的光束，所述入射透镜组与所述分束器的输入端连接，所述分束器BS将接收到的光束分为两束，其中一束直接而返回，另外一束到达所述相位调制器处，所述相位调制器对接收到的光束进行相位调制，所述随机数发生器的输出端与所述相位调制器的控制端连接，所述随机数发生器只产生信号电脉冲，所述随机数发生器控制所述相位调制器的调制状态，所述相位调制器的输出端与所述衰减器的输入端连接，所述衰减器将光束光强进行衰减，所述衰减器的输出端与所述出射透镜组连接，所述出射透镜组与Alice询问端的检测装置连接。
[0057] Bob使用入射透镜组接收Alice发来的对应的OAM模式数的光线，之后光线通过分束器BS将光束一分为二。其中一路通过相位调制器加载信息，其中的信息通过随机数发生器产生，再反射通过衰减器，对光线的强度进行衰减；另一路直接到达出射透镜组。两路光线通过出射透镜组发送给Alice。Alice收到之后后立刻进行检测得到初步信息[0058] 具体地，所述Alice控制端包括激光发射器、光学天线和测量装置，[0059] 所述激光发射器产生激光光束，并通过光学天线与所述多个Bob用户连接；
[0060] 所述测量装置与所述Bob用户的出射透镜组进行连接。
[0061] 所述测量装置包括相位调制器，第一分束器BS1，第一探测器D0和第二探测器D1；
[0062] 所述相位调制器接收参考光后输入到第一分束器BS1中分束后分别进入到第一探测器D0和第二探测器D1中探测；QKD信号进入到第一分束器BS1后分别进入到第一探测器D0和第二探测器D1中探测。
[0063] 基于本系统的密钥分发传输方法原理如下：
[0064] S1、系统初始化：测试各项设备能否正常工作，测试信噪比是否达到正常水平，若正常，则进入S2；若不正常，则重新调试设备；若多次都不正常，则返回通信失败；
[0065] S2、轨道角动量资源分配：Alice为各个根据Bob的数量进行轨道角动量资源划分，并将这些资源分配给Bob，例如Bob1对应OAM模式数为1的光线，以此类推，Bobn对应OAM模式数为n的光线。之后Alice在本地生成轨道角动量分配表，记录Bob用户和OAM模式数的对应关系；
[0066] S3、轨道角动量复用通信：Alice持续发出激光光束，各个Bob接收特定轨道角动量模式数光束对其进行调制反射，Alice就可以同时和多个Bob完成通信。
[0067] S4、系统轨道角动量分配表更新：系统设置一个固定更新周期，用于将轨道角动量资源分配情况更新或是重新分配，能够动态调整网络，方便不同Bob的加入和退出。例如有新的Bob加入，就分配未使用的OAM模式数的光线给此Bob用户，如果有Bob要退出，就将此Bob用户和OAM模式数的对应关系从轨道角动量分配表中移除。
[0068] S5、误码率检测：当信号反射到达Alice时，生成相应的误码率情况；若量子信号的误码率低于所设定的阈值，则建立安全通信；若量子信号的误码率高于所设定的阈值，则放弃本次传输的数据，重新建立新的通信。
[0069] 根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便，并不对实用新型构成任何限制。
