[论文解读] PMD-Tolerant 20 krad/s Endless Polarization and Phase Control for BB84-Based QKD with TDM Pilot Signals

Benjamin Koch, R. Noé|arXiv (Cornell University)|May 20, 2020

Optical Network Technologies参考文献 1被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种适用于基于BB84的量子密钥分发（QKD）系统的PMD耐受、高带宽偏振与相位控制方案，采用时分复用（TDM）导频信号。通过在600 ns间隔内嵌入0°和45°偏振的导频音，系统实现了20 krad/s的跟踪速度，并在63 km光纤上具备35 ps的PMD耐受能力，从而实现无漂移的连续、不间断控制。

ABSTRACT

TDM-based polarization and differential phase control with 35ps PMD tolerance and 20krad/s tracking speed is demonstrated. 600ns intervals are reserved for QKD and for 0°- and 45°-polarized pilot signals. ECLs are modulated directly, with high extinction. Power budget is 17dB, fiber length is 63km.

研究动机与目标

• 解决由环境波动引起的基于BB84的QKD系统中的偏振与相位漂移问题。
• 实现实时、高速、连续的偏振与相位状态控制，以维持安全密钥生成。
• 通过将TDM导频信号与高消光比调制相结合，克服传统导频音方法的局限性。
• 在显著的偏振模色散（PMD）条件下实现稳健性能，这对长距离光纤QKD至关重要。
• 展示一种可扩展、实用的解决方案，用于在具有动态信道损伤的真实光纤网络中部署基于BB84的QKD。

提出的方法

• 采用时分复用（TDM）技术，在QKD帧内以600 ns间隔插入0°和45°偏振的导频信号。
• 使用高消光比的直接调制外腔激光器（ECL）生成稳定、可区分的导频音。
• 实施反馈控制回路，实时跟踪导频信号状态，以估计并校正偏振与相位漂移。
• 设计系统时预留17 dB功率预算，以支持63 km单模光纤传输。
• 利用两个导频信号之间的差分相位测量，估计QKD信号状态，而无需干扰量子信道。
• 通过20 krad/s的控制带宽实现PMD耐受，能够跟踪高达35 ps的PMD引起的相位变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 TDM导频信号能否在基于BB84的QKD系统中实现连续、高带宽的偏振与相位控制？
• RQ2 该TDM导频控制方案可实现的最大PMD耐受能力是多少？
• RQ3 在真实光纤条件下，该控制回路能以多快的速度跟踪动态偏振与相位漂移？
• RQ4 在实际部署中，该系统的可实现传输距离与功率预算分别是多少？
• RQ5 导频信号插入方法能否保持高消光比，并避免与量子信号产生串扰？

主要发现

• 系统实现了20 krad/s的偏振与相位控制带宽，能够实时跟踪快速变化的信道条件。
• 该方案展示了35 ps的PMD耐受能力，可在具有显著偏振模色散的光纤中实现稳定运行。
• 系统支持63 km光纤链路，功率预算为17 dB，证实了其在长距离QKD部署中的可行性。
• 在600 ns间隔内使用TDM导频信号，实现了不间断控制，且不中断QKD数据传输。
• 通过高消光比直接调制ECL，确保了导频信号的清晰检测与反馈控制中的低误码率。
• 该方法通过持续校正偏振与相位状态，实现了“无限”控制——时间上无漂移累积。