[0001] 本发明涉及逆向调制与量子信息技术领域，具体涉及一种多用户时分复用自由空间QKD逆向调制密钥分发系统。

[0002] 当前基于光纤的QKD链路的最大范围是几百公里，受损耗限制。理论上自由空间QKD链接可以克服这些限制。

[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 传统空间光通信系统无法满足此要求，因此，需要对现有的技术进行改进，提供一种逆向调制能实现上述功能的系统。实用新型内容

[0006] 为了解决上述技术问题，提出了提高容量、提高时隙资源的利用效率、提升安全性且更加轻便、更具弹性的多用户时分复用网络系统。

[0007] 为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案如下：

[0008] 所述Alice控制端用于产生激光光束并根据Bob的数量进行时隙划分生成时隙分配表；

[0009] 所述时隙分配表通过将激光光束通过不同的时隙匹配对应的Bob用户；

[0010] 任意一个Bob用户用于根据所述时隙分配表接收到对应的激光光束并采用逆向调制技术对所述激光光束进行调制，将密钥信息加载在激光光束的相位上并经过衰减器衰减后传输给Alice控制端；

[0011] 优选地，所述Alice控制端接收从所述Bob用户反馈回来的加载有密钥信息的光束信息并对其进行测量，再通过经典信道公布选择得测量基。

[0012] 优选地，所述Bob用户包括入射透镜组、相位调制器、衰减器、随机数发生器和出射透镜组；

[0013] 所述随机数发生器通过产生信号电脉冲控制所述相位调制器的调制状态；

[0014] 所述入射透镜组接收激光光束后，传输到所述相位调制器中，所述相位调制器根据所述信号电脉冲对接收到的光束进行相位逆向调制，将密钥信息加载在激光光束的相位上得到调制后的激光光束并进入到衰减器将进行光强衰减后通过出射透镜组出射回Alice控制端。

[0015] 优选地，所述Alice控制端在本地生成时隙分配表，

[0016] 所述时隙分配表被配置为：根据Bob用户的数量n，将激光光束每一帧分为n+1个时隙，其中前n个时隙与n个Bob用户一一对应，最后一个时隙用于网络动态更新。

[0017] 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，[0018] 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；

[0019] 所述测量装置与所述Bob用户的出射透镜组进行连接。

[0020] 优选地，所述测量装置包括相位调制器，第二分束器，第一探测器和第二探测器；

[0021] 所述相位调制器用于接收参考光；

[0022] 所述分束器用于接收QKD信号；

[0023] 所述相位调制器的输出端与所述第二分束器连接，所述第二分束器连接所述第一探测器和第二探测；

[0024] 所述相位调制器接收参考光后输入到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；

[0025] QKD信号进入到分束器后分别进入到第一探测器和第二探测器中探测。

[0026] 与现有技术相比，本实用新型的的有益效果为：

[0027] 本实用新型在BOB端设置有、相位调制器，可采用逆向调制技术对所述激光光束进行调制，将密钥信息加载在激光光束的相位上，极大地提升了系统的容量；每一帧的最后一个时隙用于时隙分配表的更新，能够提高时隙资源的利用效率；基于BB84协议，使得系统的安全性得到了大大的提升；使用了逆向调制技术，允许Bob端可以更加轻便、节能，将更多的负担分给Alice，这样更加利于系统的实用性。

[0032] 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。

[0033] 本实施例中的多用户时分自由空间QKD逆向调制系统采用了逆向调制技术，本系统是一种非对称系统，该系统的一端被称为主动激光收发端(InterrogatingLaserTransceiver)，简称主动端，另一端被称为逆向调制端。主动端与传统空间光通信系统一端的构造类似，同时配备了激光发射和接收装置，而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。

[0034] 本实施例的具体方案如下：

[0035] 如图1‑4所示，一种多用户时分复用自由空间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控制端通过时隙分配表与多个Bob用户连接；

[0036] 具体地，所述Alice控制端用于产生激光光束并根据Bob的数量进行时隙划分；

[0037] 所述时隙分配表通过将激光光束通过不同的时隙匹配对应的Bob用户；

[0038] 任意一个Bob用户接收到对应的激光光束后采用逆向调制技术对所述激光光束进行调制，将密钥信息加载在激光光束的相位上，再经过衰减后通过自由空间传输给Alice控制端；

[0039] 所述Alice控制端接收从所述Bob用户反馈回来的加载有密钥信息的光束信息并对其进行测量，再通过经典信道公布选择得测量基。

[0040] 在本实施例中，系统的工作过程如下：

[0041] 所述Alice发出光束对多个Bob用户进行询问，通过自由空间传递给多个Bob用户，其中不同的时隙对应不同的Bob用户，根据时隙分配表进行分配。

[0042] 例如，第一个时隙对应第一个Bob用户(Bob1)，Bob1接收激光光束，然后使用逆向调制技术(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)对其进行调制，将秘钥信息加载在光子的相位上，再通过衰减器将其衰减，使得光子数目满足BB84协议要求的单光子传输。再通过出射透镜组、自由空间传输给Alice，Alice立即对其进行接收测量，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Bob1的秘钥分配。

[0043] 若第二个时隙对应第二个Bob用户(Bob2)，到了第二个时隙，Bob2执行与Bob1在第一个时隙内相同的操作；之后每个时隙，按照时隙分配表，不同的Bob用户在各自的时隙中进行操作。一帧之后，所有的Bob均完成一次密钥的分配过程。

[0044] 在每一帧的末尾，留有用于更新时隙分配表的时隙，便于系统能够动态调整，例如Bob用户的加入与退出。

[0045] 优选地，所述Bob用户包括入射透镜组、相位调制器、衰减器、随机数发生器和出射透镜组；

[0046] 所述随机数发生器通过产生信号电脉冲控制所述相位调制器的调制状态；

[0047] 所述入射透镜组接收激光光束后，传输到所述相位调制器中，所述相位调制器根据所述信号电脉冲对接收到的光束进行相位逆向调制，将密钥信息加载在激光光束的相位上得到调制后的激光光束并进入到衰减器将进行光强衰减后通过出射透镜组出射回Alice控制端。

[0048] 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相位调制器的输入端连接，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。

[0049] Bob端使用入射透镜组接收Alice的光线，光线通过相位调制器加载信息，而其中的信息利用随机数发生器产生；之后光线反射到达衰减器，对光线强度进行衰减，最后通过出射透镜组发射给Alice。Alice收到之后立即进行检测并得到初步信息。

[0050] 所述Alice控制端在本地生成时隙分配表，所述时隙分配表被配置为：根据Bob用户的数量n，将激光光束每一帧分为n+1个时隙，其中前n个时隙与n个Bob用户一一对应，最后一个时隙用于网络动态更新。

[0051] 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，[0052] 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；

[0053] 所述测量装置与所述Bob用户的出射透镜组进行连接。

[0054] 优选地，所述测量装置包括相位调制器，分束器BS，第一探测器D0和第二探测器D1；所述相位调制器接收参考光后输入到分束器BS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信号进入到分束器BS后分别进入到第一探测器D0和第二探测器D1中探测。

[0055] 基于以上的一种多用户时分复用自由空间QKD逆向调制密钥分发系统的时分复用通信方法如下：

[0056] 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；

[0057] S2、时隙资源分配：Alice为各个根据Bob的数量进行时隙划分，例如Bob有n个，则将每一帧分为n+1个时隙，并将这些时隙分配给Bob，前n个时隙与Bob一一对应，最后一个时隙用于网络动态更新；之后Alice在本地生成时隙分配表；

[0058] S3、时分复用通信：Alice持续发出激光光束，各个Bob在自己分配的时隙内接收光束对其进行调制反射，Alice也在同个时隙对反射信号进行接收检测就可完成一次通信过程。

[0059] S4、系统时隙表更新：在每一帧的最后一个U时隙内根据Bob端的变化，例如部分Bob终止通信或者新的Bob要加入通信，Alice对时隙划分进行调整，重新分配时隙并更新时隙分配表。

[0060] 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。

[0061] 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。