【摘要】：人類使用光進(jìn)行通信的歷史由來(lái)已久,特別是在衛(wèi)星和潛艇等不便于鋪設(shè)光纖和線纜的特殊環(huán)境中,自由空間光通信因其機(jī)動(dòng)靈活的特性而獲得了廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的微波無(wú)線通信技術(shù)相比,激光波束的寬度小、方向性好、抗截獲和抗電磁干擾的能力強(qiáng),在通信的保密性方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。并且當(dāng)把光衰減到單光子的尺度時(shí),還可以將信息編碼在光子的量子態(tài)上,利用量子通信技術(shù)從理論上實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全的保密光通信。在本論文中,主要針對(duì)自由空間保密光通信的應(yīng)用背景,分別著眼于星地量子通信和對(duì)潛艇保密激光通信的實(shí)際需求,進(jìn)行了星載量子光源和對(duì)潛光通信兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研究。量子通信是迄今為止唯一被嚴(yán)格數(shù)學(xué)證明的絕對(duì)安全通信方式,而基于衛(wèi)星平臺(tái)中繼的星地量子密鑰分發(fā),是實(shí)現(xiàn)全球化廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)最有前景和最具有可行性的方案。作為中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)性專項(xiàng)首批四顆科學(xué)衛(wèi)星之一,量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星將通過(guò)衛(wèi)星上所搭載的量子光源,與地面站共同組成天地一體化的空間量子實(shí)驗(yàn)平臺(tái),在國(guó)際上首次完成星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。針對(duì)星地量子通信的需求,本論文在星地鏈路高衰減和嚴(yán)酷外太空環(huán)境的背景下,設(shè)計(jì)研制了性能優(yōu)異、高可靠性的星載量子光源,光源的功能和性能滿足未來(lái)星地量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)的高要求。首先,針對(duì)量子密鑰分發(fā)的原理和空間高可靠性的應(yīng)用背景,通過(guò)理論分析總結(jié)了星地量子密鑰分發(fā)對(duì)光源的需求,并選擇技術(shù)簡(jiǎn)單、成熟、可靠性高的基于多激光器的方案用于實(shí)現(xiàn)量子光源。然后,在光源設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中,聯(lián)合奧康光通器件(中山)有限公司共同設(shè)計(jì)研制了一款專用于空間環(huán)境的激光器產(chǎn)品,對(duì)基于增益開(kāi)關(guān)技術(shù)的激光器動(dòng)態(tài)調(diào)制特性進(jìn)行了模擬分析,并在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了性能優(yōu)異的弱相干光源,多個(gè)激光器輸出的量子態(tài)在時(shí)間、強(qiáng)度、頻率和相位等維度不可區(qū)分。光源的重復(fù)頻率為100MHz,偏振消光比和信噪比均優(yōu)于25dB,所輸出光脈沖的時(shí)間寬度為123ps,長(zhǎng)時(shí)間的量子態(tài)強(qiáng)度穩(wěn)定性優(yōu)于99.4%。最后,作為量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星有效載荷的一部分,光源已順利通過(guò)了一系列的空間環(huán)境驗(yàn)證試驗(yàn),并參與了地面模擬在軌運(yùn)行的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn),取得了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。目前衛(wèi)星有效載荷已經(jīng)順利交付,衛(wèi)星預(yù)計(jì)于2016年7月發(fā)射。由于傳統(tǒng)微波對(duì)潛通信在通信性能和安全性上的局限性,利用激光實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星(飛機(jī))對(duì)潛艇的保密通信也有著重要的戰(zhàn)略價(jià)值和研究意義。而通過(guò)理論研究復(fù)雜大氣-海水信道的固有光學(xué)特性,建立起基于真實(shí)環(huán)境的信道參數(shù)模型,并在此基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際的設(shè)備參數(shù)研究分析對(duì)潛光通信系統(tǒng)的通信性能,是實(shí)現(xiàn)對(duì)潛保密激光通信的必經(jīng)途徑。針對(duì)對(duì)潛保密激光通信的需求,本論文建立了基于真實(shí)大氣-海水信道參數(shù)模型的對(duì)潛光通信系統(tǒng)的蒙特卡羅仿真算法,并在此基礎(chǔ)上分別研究分析了機(jī)潛高速雙工通信系統(tǒng)和星潛光通信系統(tǒng)的通信性能。首先,針對(duì)真實(shí)的大氣-海水信道,分別建立了基于高度分層的大氣參數(shù)模型、波動(dòng)的大氣-海水界面模型以及基于深度分層的海水參數(shù)模型。海水參數(shù)由不同水質(zhì)類型的海水在特定深度下的葉綠素濃度分布來(lái)決定,可以比較好地模擬真實(shí)海水的固有光學(xué)特性。其次,采用光子傳輸?shù)拿商乜_模擬方法,建立了包含復(fù)雜大氣-海水信道的對(duì)潛光通信系統(tǒng)的仿真算法。再次,針對(duì)飛機(jī)對(duì)潛艇的高速雙工通信方案,分別建立了上下行鏈路的仿真算法,并在此基礎(chǔ)上研究分析了系統(tǒng)的通信性能。結(jié)果表明,在系統(tǒng)通信容量為1G印s的情況下,JWT I型的海水中潛艇的可通信深度達(dá)到了110m,并且系統(tǒng)的潛在通信容量將會(huì)隨著探測(cè)器帶寬的提高而有顯著的提升。最后,針對(duì)衛(wèi)星對(duì)潛艇激光通信的方案,分別建立了信號(hào)輻射和背景太陽(yáng)輻射的仿真算法,并結(jié)合實(shí)際的設(shè)備參數(shù)研究分析了系統(tǒng)的通信性能。結(jié)果表明,針對(duì)目標(biāo)10-4的通信誤碼率極限,在JWTI型海水中潛艇的最大可通信深度在140m左右,最大通信數(shù)據(jù)率可以達(dá)到8kbps。本論文的創(chuàng)新之處在于：1.針對(duì)星地鏈路高衰減和嚴(yán)酷外太空環(huán)境的背景,設(shè)計(jì)研制了性能優(yōu)異、高可靠性的星載量子光源。光源已順利通過(guò)了一系列的空間環(huán)境驗(yàn)證試驗(yàn),并參與了地面模擬在軌運(yùn)行的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn),取得了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,為量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前衛(wèi)星有效載荷已經(jīng)順利交付,衛(wèi)星預(yù)計(jì)于2016年7月發(fā)射。2.建立了基于真實(shí)環(huán)境的大氣-海水信道參數(shù)模型,并在此基礎(chǔ)上采用蒙特卡羅方法研究分析了對(duì)潛光通信系統(tǒng)的通信性能。文中包含復(fù)雜大氣-海水信道的對(duì)潛光通信系統(tǒng)的相關(guān)仿真分析和理論研究工作,朝向?qū)撏У膽?zhàn)略保密激光通信邁出了關(guān)鍵的一步,并為星(機(jī))潛光通信系統(tǒng)的最終實(shí)現(xiàn)提供了重要的設(shè)計(jì)指導(dǎo)和理論依據(jù)。
【圖文】：

并在此基礎(chǔ)上結(jié)合地面己有的光纖量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，初步構(gòu)建一個(gè)廣逡逑域量子通信體系。該衛(wèi)星預(yù)計(jì)于２０１６年７月發(fā)射。逡逑圖１．２表示了一種通過(guò)衛(wèi)星平臺(tái)中繼實(shí)現(xiàn)星地量子通信和全巧化景子保密網(wǎng)逡逑絡(luò)的不意圖。在裔精度捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)（Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，邋Ｔｒａｃｋｉｎｇ邋ａｎｄ邋Ｐｏｉｎｔｉｎｇ，逡逑ＡＴＰ）系統(tǒng)的輔助下，建立起衛(wèi)星平臺(tái)和地面站平臺(tái)之間的超遠(yuǎn)距離低損耗量逡逑子信道，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)星地之間的量子密鑰分發(fā)，開(kāi)展絕對(duì)安全的量子通信實(shí)歐。逡逑同時(shí)衛(wèi)星分別與不同的地面站建立量子密鑰，并利用經(jīng)典信道將與不同地面站逡逑之間建立的量子密鑰進(jìn)行異或處理并公開(kāi)發(fā)布結(jié)果，進(jìn)而在兩個(gè)地面站之間建逡逑立絕對(duì)安全的共享量子密鑰。通過(guò)這樣的方式能夠?qū)蓚�(gè)分隔遙遠(yuǎn)的地面光纖逡逑網(wǎng)絡(luò)相互聯(lián)通，真正的實(shí)現(xiàn)廣域巧蓋量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。逡逑圖１．２星地量子通信和全球化量子保密通信網(wǎng)絡(luò)示意圖逡逑＾邐在量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)中，量子光源［４３，４４］主要完成基于真隨機(jī)數(shù)的量子態(tài)逡逑的制各工作，光源的性能參數(shù)，包括重復(fù)頻率、脈沖時(shí)間寬度、信噪比（Ｓｉｇｎａｌ逡逑化邋Ｎｏｉｓｅ邋Ｒａｔｉｏ

量子密鑰分發(fā)是量子信息學(xué)科中最貼近于實(shí)用化也是最為成熟的一個(gè)發(fā)展逡逑方向，其中廣泛采用的是基于ＢＢ８４協(xié)議［６］的通信方案，一個(gè)典型的基于偏振逡逑編碼和ＢＢ８４協(xié)議的ＱＫＤ實(shí)驗(yàn)原理框圖如圖２．１所示。逡逑Ｉ邋Ｈ／ＶＢａｓＵ逡逑ｉ瞧逡逑化ｌａｎｚｅｒｓ邐一＾化，！邐？邐４５？邋Ｂａｓｉｓ逡逑Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ邋－邋Ｖｅｒｔｉｃａｌ逡逑防ｇｇ？旭ＵＷ．＋廣）感ｉ邋化ｂ逡逑廣六盧叫３Ｔ邋ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邐Ｉ逡逑Ｂｉｔ邋Ｓｅｑｕｅｎｃｅ邋｜邋１邋ｌＯＯＯｌＯＯｌＯｌＯｊ逡逑Ｐｈｏｔｏｎ邋Ｓｅｑｕｅｎｃｅ邋｜邋＾邋Ｊ邋＼一八一八ｊ邋＼邋１逡逑ｉ凸曰巧田凸巧ＤＥＣ凸凸田ｉ邋Ｂａｓｅｓ邋Ｓｅｑｕｅｎｃｅ逡逑Ｉ邋０邐１邐１０邐０邐１邐Ｉ邐０邐）邐０邐１邐０邋Ｉ邐Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ邋Ｒｅｓｕｌｔｓ逡逑Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ邋；邋ｘ邐？邐ｘ邐？邐Ｊｔ邐Ｘｖ＾ｘ／ｖ＾！邐Ｃｏｍｐａｌ邋化邋ｉｌｉｔｙ逡逑Ｋｅｙ；邋－邐Ｉ邐－邐０邐０邐！邐－邐－邐１邐－邋ｉ邋０邋；邐Ｋｅｙ逡逑圖２．１基于偏振編碼和ＢＢ８４協(xié)議的ＱＫＤ實(shí)驗(yàn)巧理示意圖［８４］逡逑偏振編碼使用單個(gè)光子的偏振態(tài)作為信息載體，，包括兩種基矢下的四種偏逡逑振態(tài)，分別為＂Ｗ／＂基矢下的Ｉ巧態(tài)和Ｗ態(tài)、基矢下的１＋＞態(tài)和１－〉逡逑態(tài)，同時(shí)存在如下關(guān)系式：逡逑ｌ±）邋＝邋＾（｜／／）±｜ｙ））邐口．１）逡逑Ｉ：；：邐發(fā)送方（通常稱為Ａｌｉｃｅ）和接收方（通常稱為Ｂｏｂ）通過(guò)量子信道來(lái)傳輸逡逑＾邐量子態(tài)。Ａｌｉｃｅ隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)比特（＂０＂或＂１＂），并隨機(jī)選擇一個(gè)基矢（＂邋＋邋＂逡逑或＂Ｘ＂），來(lái)制備量子態(tài)（Ｉ好〉、｜Ｖ0、｜＋＞、Ｉ一〉）。光子的量子態(tài)被制備好之逡逑后
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN929.1

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本文編號(hào)：2536696