一种量子密钥分发系统的同步方法及装置.pdf

本发明提供一种量子密钥分发系统的同步方法，该量子密钥分发系统为双工QKD系统，双工QKD系统两端QKD设备的Alice能够分别发出两种波长不同的同步光，发送的同步光在同一条光纤链路中传输，使光纤链路上同时运行两条QKD链路时，两条链路上的同步光波长不同，两端QKD设备的Bob采用光滤波器件，将同步光分离，再采用相应的甄别器对同步光进行甄别。本发明还提供一种量子密钥分发系统的同步装置。本发明的优点在于：双工QKD系统两端分别采用不同波长的同步光，解决了由于同步光反射导致双工QKD系统不能全双工运行的问题，并且设备操作简单方便，便于批量生产。

1.  一种量子密钥分发系统的同步方法，该量子密钥分发系统为双工QKD系统，其特征在于：双工QKD系统两端QKD设备的Alice能够分别发出两种波长不同的同步光，发送的同步光在同一条光纤链路中传输，使光纤链路上同时运行两条QKD链路时，两条链路上的同步光波长不同，两端QKD设备的Bob采用相应的甄别器对同步光进行甄别。

2.  根据权利要求1所述的量子密钥分发系统的同步方法，其特征在于：所述同步方法具体包括：在QKD系统两端的QKD设备的Alice均配有两个不同波长的同步光激光器，并在双工QKD系统中配置控制模块，经控制模块控制QKD系统两端的QKD设备的Alice分别发送哪一种波长的同步光，发送的同步光在同一条光纤链路中发送给对应QKD设备的Bob，并且QKD系统两端的QKD设备的Bob均配置有光滤波器件，光滤波器件将分离出的同步光送入对应的甄别器之中进行甄别，控制模块还控制着两端的QKD设备的Bob分别将哪种甄别器探测到的信号作为同步信号。

3.  根据权利要求1所述的量子密钥分发系统的同步方法，其特征在于：所述同步方法具体包括：在QKD系统两端的QKD设备的Alice均配有两个不同波长的同步光激光器，发送的同步光在同一条光纤链路中发送给对应QKD设备的Bob，并且QKD系统两端的QKD设备的Bob均配置有光滤波器件，光滤波器件将分离出的同步光送入对应的甄别器之中进行甄别，经系统初始配置后，其中一个QKD设备采用其中一个同步光激光器发送波长为λ₁的同步光sync1，并将 对应的一个甄别器探测到的信号作为同步信号，另一个QKD设备采用一个同步光激光器发送波长为λ₂的同步光sync2，并将对应的一个甄别器探测到的信号作为同步信号。

4.  根据权利要求1所述的量子密钥分发系统的同步方法，其特征在于：所述同步方法具体包括：在QKD系统两端的QKD设备的Alice均配有一个波长可调的同步光激光器，该波长可调的同步光激光器能够发出两种波长不同的同步光，QKD系统两端的QKD设备的Alice分别发送哪一种波长的同步光由控制模块调度，发送的同步光在同一条光纤链路中发送给对应QKD设备的Bob，并且QKD系统两端的QKD设备的Bob均配置有光滤波器件，光滤波器件将分离出的同步光送入对应的甄别器之中进行甄别，控制模块还控制着两端的QKD设备的Bob分别将哪种甄别器探测到的信号作为同步信号。

5.  根据权利要求1所述的量子密钥分发系统的同步方法，其特征在于：所述同步方法具体包括：在QKD系统两端的QKD设备的Alice均配有一个波长可调的同步光激光器，该波长可调的同步光激光器能够发出两种波长不同的同步光，发送的同步光在同一条光纤链路中发送给对应QKD设备的Bob，QKD系统两端的QKD设备的Bob均配置有光滤波器件，光滤波器件将分离出的同步光送入对应的甄别器之中进行甄别，经系统初始配置后，其中一个QKD设备的同步光激光器发送波长为λ₁的同步光sync1，并将对应的一个甄别器探测到的信号作为同步信号，另一个QKD设备的同步光激光器发送波长为λ₂的同步光sync2，并将对应的一个甄别器探测到的信号作为同步信 号。

6.  根据权利要求1所述的量子密钥分发系统的同步方法，其特征在于：所述同步方法具体包括：在QKD系统两端的QKD设备的Alice均配有一个固定波长的同步光激光器，两端的同步光激光器发送的波长不同，发送的同步光在同一条光纤链路中发送给对应QKD设备的Bob，QKD系统两端的QKD设备的Bob采用相应的甄别器对同步光进行甄别。

7.  一种量子密钥分发系统的同步装置，该量子密钥分发系统为双工QKD系统，其特征在于：包括分别配置在QKD系统两端的QKD设备的Alice的同步光激光器，QKD系统两端的QKD设备的同步光激光器能够分别发出两种不同波长的同步光，并且QKD系统两端的QKD设备的Bob均配置有甄别器，采用相应的甄别器对同步光进行甄别。

8.  如权利要求7所述的量子密钥分发系统的同步装置，其特征在于：QKD系统两端的QKD设备的Alice的同步光激光器均有两个，两个同步光激光器能够发出不同的波长，并且QKD系统两端的QKD设备的Bob均配置有光滤波器件和两种分别能够甄别同步光激光器发出的两种不同波长的甄别器，光滤波器件将分离出的同步光送入对应的甄别器之中进行甄别。

9.  如权利要求8所述的量子密钥分发系统的同步装置，其特征在于：所述双工QKD系统中还配置控制模块，控制模块控制QKD系统两端的QKD设备的同步光激光器分别发送哪一种波长的同步 光，控制模块还控制着两端的QKD设备的Bob分别将哪种甄别器探测到的信号作为同步信号。

10.  如权利要求8所述的量子密钥分发系统的同步装置，其特征在于：QKD系统两端的QKD设备的同步光激光器发送哪一种波长的同步光以及两端的QKD设备的Bob分别将哪种甄别器探测到的信号作为同步信号，经系统初始配置决定。

11.  如权利要求7所述的量子密钥分发系统的同步装置，其特征在于：QKD系统两端的QKD设备的Alice均配有一个波长可调的同步光激光器，该波长可调的同步光激光器能够发出两种波长不同的同步光，并且QKD系统两端的QKD设备的Bob均配置有光滤波器件和两种分别能够甄别同步光激光器发出的两种不同波长的甄别器，光滤波器件将分离出的同步光送入对应的甄别器之中进行甄别。

12.  如权利要求11所述的量子密钥分发系统的同步装置，其特征在于：所述双工QKD系统中还配置控制模块，两端的QKD设备的Alice的波长可调的同步光激光器分别发送哪一种波长的同步光由控制模块调度，控制模块还控制着两端的QKD设备的Bob分别将哪种甄别器探测到的信号作为同步信号。

13.  如权利要求11所述的量子密钥分发系统的同步装置，其特征在于：QKD系统两端的QKD设备的波长可调的同步光激光器发送哪一种波长的同步光以及两端的QKD设备的Bob分别将哪种甄别器探测到的信号作为同步信号，经系统初始配置决定。

14.  如权利要求7所述的量子密钥分发系统的同步装置，其特征 在于：所述QKD系统两端的QKD设备的Alice配有的同步光激光器均为一个固定波长的同步光激光器，两端的同步光激光器发送的波长不同，QKD系统两端的QKD设备的Bob均配置有能够固定甄别收到的波长的甄别器。

一种量子密钥分发系统的同步方法及装置
技术领域
本发明涉及量子保密通信领域，特别是提供了一种量子密钥分发系统的同步方法以及基于该同步方法的双工QKD系统。
背景技术
量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)与经典密钥体系的根本不同在于，其采用单个光子或纠缠光子对作为密钥的载体，由量子力学的基本原理保证了该过程的不可窃听、不可破译性，从而提供了一种更为安全的密钥体系。目前，利用纠缠光子对实现量子密钥分发的技术还不是很成熟，距离实用还有相当的距离；而基于单光子实现的量子密钥分发技术，则已经日臻成熟。
基于单光子实现的量子密钥分发技术通常有两种编码方式：偏振编码和相位编码。以偏振编码方式为例，量子密钥分发的基本过程是：
1)系统发送方(约定称为Alice)选用两组基矢，随机发送一串具有不同偏振态的光子；
2)系统接收方(约定称为Bob)随机选用测量基矢进行接收，由于探测效率和路径衰减的问题，Bob不能探测到所有的光子，只能随机的在一些位置上探测到光子；
3)Bob通知Alice他在探测到光子的位置上使用的是哪一种基矢；
4)Alice对比自己发送时使用的基矢和Bob测量时使用的基矢，若两者在某位置处所使用的基矢一致，即Bob测量时使用的基矢正 确，则保留该位置上的信息，并且告诉Bob他在哪些位置上使用的测量基矢是正确的；
5)Bob留下测量基矢正确的位置上的信息；
6)这样Alice和Bob就共享了一串随机的密钥。
由上述过程可以看出，在量子密钥分发的过程中，Alice和Bob需要进行基矢比对，即比对Alice在某一个位置上发送光子所使用的基矢和Bob在探测这一位置的光子时所使用的测量基矢是否是一致的。为了保证Alice和Bob在同一个位置上进行基矢比对，发送方和接收方之间需要精确的“位置”同步，否则，最终Alice和Bob两端的密钥会出现不一致的现象。所以，系统的同步方法就显得尤其重要。
上述的“位置”，形象的描述就是一组光脉冲中的第几个脉冲。在发送端，信号光的光脉冲是以固定频率连续发送的，相邻两个光脉冲之间具有固定的时隙，而同步光的光脉冲是以比信号光发送频率低得多的固定频率连续发送的。在信号光和同步光同时发送时，两个同步光脉冲之间发送的连续不断的信号光即为一组光脉冲。接收端在接收连续不断的信号光时，通过检测出两个同步光脉冲之间的信号光脉冲，可以确定一组光脉冲。所述“位置”信息，即可通过一组信号光脉冲中的第几个脉冲信号得以确定。由于相邻两个信号光脉冲之间具有固定的时隙，上述“位置”也即时间信息。
图1表示现有技术方案的同步方法。QKD系统同步的方法是，QKD设备的Alice发送同步光，Bob接收同步光完成甄别，产生同步信号。系统中的量子信道只有一根光纤，即信号光和同步光在同一根 光纤中进行传输。
在QKD系统的实现上，Alice可能包含N个信号光激光器(具体数量视所采用的QKD编码协议而定)和一个同步光激光器，信号光的波长为λ_signal，同步光的波长为λ_sync，且λ_signal≠λ_sync，将这两种光耦合在同一根光纤中，通过光纤链路传输到Bob端。Bob端包含一个光滤波器件，例如密集型波分复用(DWDM)器件，其中心波长为λ_signal，可以将信号光和同步光分离开来，然后将分离出来的信号光做相应的后续处理，将分离出来的同步光送入同步光甄别器中甄别。甄别器甄别出来的信号作为同步信号，供信号光后续处理过程使用。
基于现有同步方式的单向(one-way)、双工QKD系统如图2所示，每台设备均包含发送端Alice和接收端Bob，两台QKD设备之间可以同时建立两条QKD链路。两条QKD链路分别是：QKD设备_L的Alice与QKD设备_R的Bob建链；QKD设备_R的Alice与QKD设备_L的Bob建链。由QKD设备_L的Alice的同步光激光器所发出的同步光，经光纤链路传输之后，由QKD设备_R的Bob的同步光甄别器甄别；由QKD设备_R的Alice的同步光激光器所发出的同步光，经光纤链路传输之后，由QKD设备_L的Bob的同步光甄别器甄别。
从现有技术可以看出，传统的基于同步的双工QKD系统，其QKD设备_L的Alice和QKD设备_R的Alice所发出的同步光是波长相同的。
在本领域当中，有定义为“双向QKD系统”，这指的是QKD的 实现方式上，信号光从第一QKD端被发送给第二QKD端，随后沿原光路返回第一QKD端。一般来说，从第一QKD端发给第二QKD端的信号光较强，平均每个脉冲几百或几千个光子，并在返回给第一QKD端之前，在第二QKD端被衰减到单光子量级(平均每个脉冲一个光子或者更少)。系统的光纤链路上只有一条QKD链路，是一个双向(two-way)、单工的过程。
对比文献如MAGIQ技术公司的《具有后向散射抑制的双向QKD系统》(专利号为200580025415.3)，其第一QKD站具有以不同的波长发光的激光源，和多个单光子探测器(SPD)单元。在双向QKD系统中，后向散射光一般由较强的输出信号光在连接第一和第二QKD站的光纤链路中产生。为了减少或避免后向散射光干扰从第二QKD站返回第一QKD站的信号光的探测，该专利在顺序激活第一QKD站中SPD单元中的各对SPD的时候，顺序激活不同的光源。该专利所要解决的是双向QKD系统中信号光的探测易受后向散射光干扰的问题，且其对相关控制系统的要求较高，需要根据实际光纤链路的长度，计算信号光的预期到达时间，在预期到达时间进行不同的光源、SPD单元的激活控制，控制精度要求高，并且该顺序激活的过程持续进行。
现有的同步方法应用于单向(one-way)、双工系统时，如图2所示，QKD设备_L的Alice和QKD设备_R的Alice发出的同步光波长是相同的，并且在同一根光纤中传输。由于实际光纤链路环境不理想，存在光纤端面反射现象。例如，当QKD设备_L的Alice与QKD 设备_R的Bob链路启动后，QKD设备_L的Alice发出的同步光可能存在反射现象，其反射光进入QKD设备_L的Bob，从而导致QKD设备_R的Alice与QKD设备_L的Bob链路中的同步信号误甄别；这样当QKD设备_R的Alice与QKD设备_L的Bob链路启动后，QKD设备_R的Alice发出的同步光会受到干扰，导致系统不能正常运行。
发明内容
本发明提供一种量子密钥分发系统的同步方法及装置，用于解决由于双工QKD系统中QKD设备_L的Alice与QKD设备_R的Alice同步光的波长相同，而造成的同步光反射将导致两条QKD链路不能同时运行的问题。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题的：本发明的同步方法，用在双工QKD系统中，双工QKD系统两端QKD设备的Alice能够分别发出两种波长不同的同步光，发送的同步光在同一条光纤链路中传输，使光纤链路上同时运行两条QKD链路时，两条链路上的同步光波长是不同的，两端QKD设备的Bob采用相应的甄别器对同步光进行甄别。
值得注意的是，本发明使用的“双工QKD系统”概念与对比文献中的“双向QKD系统”不是同一个概念。
对比文献《具有后向散射抑制的双向QKD系统》中提出的是QKD的一种实现方式，不是系统的同步方法。该对比文献中“双向系统”的定义是系统一端的QKD设备(Bob)发出较强的信号光，传输 至系统另一端的QKD设备(Alice)，Alice将信号光衰减至单光子量级后，将信号光按原光路再返回至Bob，光路是一个往返的过程。整个过程中两台QKD设备之间的光纤链路上只有一条QKD工作链路，是一个双向(two-way)、单工的过程。
而本发明专利申请中“双工系统”定义为可以“全双工”工作的系统，双工系统的每一端均包含了Alice和Bob，可以同时建立两条QKD链路。弱信号光(单光子量级)可以从QKD设备_L的发送端Alice传输至QKD设备_R的接收端Bob，同时也可以从QKD设备_R的Alice传输至QKD_L的Bob(图4)。这样，双工系统的两端QKD设备之间可以在光纤链路上同时运行两条QKD工作链路，是一个单向、全双工的过程。这与对比文献的“双向系统”在结构和光信号传输上存在很大的区别。
双工QKD系统两端QKD设备的Alice能够分别发出两种波长不同的同步光以及甄别过程可以通过以下任一种方法实现：
1、在QKD系统两端的QKD设备的Alice均配有两个不同波长的同步光激光器，并需要在双工QKD系统中配置控制模块，经控制模块控制QKD系统两端的QKD设备的Alice分别发送哪一种波长的同步光，发送的同步光在同一条光纤链路中发送给对应QKD设备的Bob，并且QKD系统两端的QKD设备的Bob均配置有光滤波器件，光滤波器件将分离出的同步光送入对应的甄别器之中进行甄别，控制模块还控制着两端的QKD设备的Bob分别将哪种甄别器探测到的信号作为同步信号。
由于实际光纤链路环境不理想，存在光纤端面反射现象，一条QKD工作链路上可能存在两路波长不同的同步光，其中一种波长的同步光和反射的另一种波长的同步光，经光滤波器件后，会被分别送人对应的甄别器之中。例如，光滤波器件的中心频率为λ₁(这个中心频率一般情况下为固定值)，当使用波长为λ₁的同步光时，则经光滤波器件后，送入甄别器1中甄别；当使用波长为λ₂的同步光时，则经光滤波器件后，除λ₁以外的其它光信号全部送入甄别器2中甄别，光纤链路中的噪声等干扰对同步光的甄别影响很小，可以忽略不计，因此可以正确甄别出波长为λ₂的同步光。(以下内容中提到的“将分离出的同步光送入对应的甄别器之中进行甄别”的过程都是指该过程)
2、在QKD系统两端的QKD设备的Alice均配有两个不同波长的同步光激光器，发送的同步光在同一条光纤链路中发送给对应QKD设备的Bob，并且QKD系统两端的QKD设备的Bob均配置有光滤波器件，光滤波器件将分离出的同步光送入对应的甄别器之中进行甄别，经系统初始配置后，其中一个QKD设备采用其中一个同步光激光器发送波长为λ₁的同步光sync1，并将对应的一个甄别器探测到的信号作为同步信号，另一个QKD设备采用一个同步光激光器发送波长为λ₂的同步光sync2，并将对应的一个甄别器探测到的信号作为同步信号。
3、在QKD系统两端的QKD设备的Alice均配有一个波长可调的同步光激光器，该波长可调的同步光激光器可发出两种波长不同的 同步光，QKD系统两端的QKD设备的Alice分别发送哪一种波长的同步光由控制模块调度，发送的同步光在同一条光纤链路中发送给对应QKD设备的Bob，并且QKD系统两端的QKD设备的Bob均配置有光滤波器件，光滤波器件将分离出的同步光送入对应的甄别器之中进行甄别，控制模块还控制着两端的QKD设备的Bob分别将哪种甄别器探测到的信号作为同步信号。
4、在QKD系统两端的QKD设备的Alice均配有一个波长可调的同步光激光器，该波长可调的同步光激光器可发出两种波长不同的同步光，发送的同步光在同一条光纤链路中发送给对应QKD设备的Bob，QKD系统两端的QKD设备的Bob均配置有光滤波器件，光滤波器件将分离出的同步光送入对应的甄别器之中进行甄别，经系统初始配置后，其中一个QKD设备的同步光激光器发送波长为λ₁的同步光sync1，并将对应的一个甄别器探测到的信号作为同步信号，另一个QKD设备的同步光激光器发送波长为λ₂的同步光sync2，并将对应的一个甄别器探测到的信号作为同步信号。
5、在QKD系统两端的QKD设备的Alice均配有一个固定波长的同步光激光器，两端的同步光激光器发送的波长不同，发送的同步光在同一条光纤链路中发送给对应QKD设备的Bob，QKD系统两端的QKD设备的Bob采用相应的甄别器对同步光进行甄别。
本发明还提供了一种量子密钥分发系统的同步装置，该量子密钥分发系统为双工QKD系统，包括分别配置在QKD系统两端的QKD设备的Alice的同步光激光器，QKD系统两端的QKD设备的同步光 激光器能够分别发出两种不同波长的同步光，并且QKD系统两端的QKD设备的Bob均配置有甄别器，采用相应的甄别器对同步光进行甄别。
具体的装置结构可以是以下任一种：
1、QKD系统两端的QKD设备的Alice的同步光激光器均有两个，两个同步光激光器能够发出不同的波长，并且QKD系统两端的QKD设备的Bob均配置有光滤波器件和两种分别能够甄别同步光激光器发出的两种不同波长的甄别器，光滤波器件将分离出的同步光送入对应的甄别器之中进行甄别。
该种结构中，所述双工QKD系统中还配置控制模块，控制模块控制QKD系统两端的QKD设备的同步光激光器分别发送哪一种波长的同步光，控制模块还控制着两端的QKD设备的Bob分别将哪种甄别器探测到的信号作为同步信号。
或者，QKD系统两端的QKD设备的同步光激光器发送哪一种波长的同步光以及两端的QKD设备的Bob分别将哪种甄别器探测到的信号作为同步信号，经系统初始配置决定。
2、QKD系统两端的QKD设备的Alice均配有一个波长可调的同步光激光器，该波长可调的同步光激光器能够发出两种波长不同的同步光，并且QKD系统两端的QKD设备的Bob均配置有光滤波器件和两种分别能够甄别同步光激光器发出的两种不同波长的甄别器，光滤波器件将分离出的同步光送入对应的甄别器之中进行甄别。
该种结构中，所述双工QKD系统中还配置控制模块，两端的 QKD设备的Alice的波长可调的同步光激光器分别发送哪一种波长的同步光由控制模块调度，控制模块还控制着两端的QKD设备的Bob分别将哪种甄别器探测到的信号作为同步信号。
或者，QKD系统两端的QKD设备的波长可调的同步光激光器发送哪一种波长的同步光以及两端的QKD设备的Bob分别将哪种甄别器探测到的信号作为同步信号，经系统初始配置决定。
3、所述QKD系统两端的QKD设备的Alice配有的同步光激光器均为一个固定波长的同步光激光器，两端的同步光激光器发送的波长不同，QKD系统两端的QKD设备的Bob均配置有能够固定甄别收到的波长的甄别器。
本发明的优点在于：
1、双工QKD系统两端分别采用不同波长的同步光，解决了由于同步光反射导致双工QKD系统不能全双工运行的问题；
2、根据实施例一和实施例二，相比原有QKD系统，其QKD设备只需在Alice端多增加一个同步光激光器，或者Alice使用波长可调的同步光激光器，达到可发送两种不同波长的功能；在Bob端只需多增加一个光滤波器件和一个同步光甄别器。系统设备所需增加的器件成本较低，且在结构上能实现QKD设备_L与QKD设备_R完全相同的特点，达到任意两台QKD设备均可实现点对点连接和通信的功能，设备操作简单方便，便于批量生产；
3、根据实施例三，相比原有QKD系统，其QKD设备的Alice和Bob无需增加任何新的硬件，只需要在系统出厂配置时，为QKD 设备_L和QKD设备_R的Alice分别配置不同波长的同步光，相对应地，为QKD设备_L和QKD设备_R的Bob分别配置不同的甄别器即可，将QKD设备_L与QKD设备_R成对生产，设备操作简单方便，便于批量生产；
4、双工QKD系统两端的Bob端使用光滤波器件和两种甄别器，便于鉴别链路质量、系统调试与问题定位。例如，QKD_L上的Alice与QKD_R上的Bob已经建立链接，开始运行，若发现QKD_L上Bob端与本端Alice发送的同步光波长相应的甄别器有输出，则说明光纤链路上存在同步光反射。
附图说明
图1是现有技术方案中的同步方法的示意图。
图2是基于现有同步方式的单向(one-way)、双工QKD系统示意图。
图3为本发明一种量子密钥分发系统的同步方法的同步方法场景一示意图。
图4是双工系统示意图。
图5为基于本发明的同步方法的双工QKD系统示意图。
图6为Alice使用两个不同波长的同步光激光器的双工QKD系统示意图。
图7为Alice使用一个可变波长的同步光激光器的双工QKD系统示意图。
图8为Alice和Bob分别使用不同波长的同步光激光器的双工 QKD系统示意图。
图9为本发明一种量子密钥分发系统的同步方法的同步方法场景二示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细的描述。
双工QKD系统中信号光与同步光的发送有两种典型场景。场景一(图3)是系统两端QKD设备的Alice端信号光和同步光可以耦合在同一根光纤中传输，在这种情况下，系统两端QKD设备的Bob需要两级光滤波器件和两个甄别器，第一级光滤波器件将信号光和同步光分离，第二级光滤波器件将分离出的同步光送入对应的甄别器之中进行甄别。场景二(图9)是系统两端QKD设备的Alice端的信号光和同步光分别在两根光纤中传输，在这种情况下，系统两端QKD设备的Bob只需要一级光滤波器件和两个甄别器，光滤波器件将分离出的同步光送入对应的甄别器之中进行甄别。
下述实施例均是以场景一为例进行的介绍。
图3为本发明的同步方法场景一的一个示意图，图中示出的使用该方法的系统只是一个典型的案例，并非唯一的情况，该示意图只是为了详细的说明双工QKD系统两端QKD设备的Alice分别发出两种波长不同的同步光的其中一种过程，以及两端QKD设备的Bob采用光滤波器件将信号光与同步光分离、再采用相应的甄别器对同步光进行甄别的具体过程，主要用来说明光滤波器件分离信号光与同步光的过程以及光滤波器件的选择。
图3中省略了QKD设备_L的Bob端和QKD设备_R的Alice端，只体现了QKD设备_L的Alice端向QKD设备_R的Bob端发送的单方向的同步光的过程；QKD设备_R的Alice向QKD设备_L的Bob发送同步光的过程与之相同。
QKD设备_L的Alice含有多个信号光激光器和两个同步光激光器，同步光激光器1和2可分别发送两种波长不同的同步光λ₁和λ₂。QKD设备_L的Alice选择使用其中一种波长(λ₁或λ₂)的同步光，例如选择波长为λ₁的同步光，即同步光的中心波长λ_sync＝λ₁，与N路中心波长为λ_signal的信号光耦合在同一条光纤链路中发送给QKD设备_R的Bob。相应地，QKD设备_R的Alice(图3中未示出)选择使用波长为λ₂的同步光。
QKD设备_R的Bob使用第一级光滤波器件分离出信号光，再使用第二级光滤波器件分离出同步光。优选地，第一级光滤波器件可选用密集型波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)器件，其中心波长为λ_signal。信号光和同步光经DWDM器件后，根据中心波长分离出信号光，进行信号光后续处理；除信号光之外的同步光信号统一送入第二级光滤波器件。优选地，第二级光滤波器件可选用DWDM器件，其中心波长为λ₁或λ₂，可分离出两种波长不同的同步光，将波长为λ₁的同步光送入甄别器1中，将波长为λ₂的同步光送入甄别器2中，以甄别同步光。从甄别器1或甄别器2中甄别出的信号即作为同步信号(本例中为与λ₁对应的同步信号)，供信号光后续处理过程使用。
在基于图3所述同步方法的双工QKD系统结构中，每台QKD设备均包含发送端Alice和接收端Bob，可以进行全双工工作，光纤链路中可传输两路同步光，如图4所示。双工系统两端QKD设备的Alice均含有可发送两种不同波长同步光的激光器，两端QKD设备的Bob均含有两级光滤波器件，第一级光滤波器件可分离出信号光和同步光，第二级光滤波器件将分离出的同步光送入对应的甄别器之中进行甄别。
所述基于该同步方式的双工QKD系统，还可以包含一个上层控制模块，如图5所示，该控制模块的主要功能是控制QKD链路上使用哪一个波长的同步光。当一条链路选择用波长为λ₁的同步光sync1时，另外一条链路则使用波长为λ₂的同步光sync2。控制模块可以通过软件实现，也可以通过单片机、FPGA、DSP等硬件实现。
本发明所述的双工QKD系统，其结构如图5所示，QKD设备_L和QKD设备_R均包含Alice和Bob，两台设备之间可以同时建立两条QKD链路，即QKD设备_L的Alice与QKD设备_R的Bob之间的链路，以及QKD设备_R的Alice与QKD设备_L的Bob之间的链路。整个双工QKD系统使用全双工模式工作。双工QKD系统的特点在于，两条QKD链路上使用不同波长的同步光，避免了当两条链路使用的同步光的波长相同时，一条链路同步光的反射光会干扰另一条链路同步光的正常甄别的问题，解决了两条QKD链路不能同时运行的问题，实现了QKD系统的全双工功能。
QKD设备_L和QKD设备_R的Alice可以是含有可发送两种不 同波长的同步光激光器，也可以是QKD设备_L和QKD设备_R的Alice分别使用不同波长的同步光激光器。若QKD设备_L和QKD设备_R的Alice为第一种情况，则QKD设备_L和QKD设备_R的Bob均含有两级光滤波器件，可分离信号光和两种不同波长的同步光；若QKD设备_L和QKD设备_R的Alice是第二种情况，则QKD设备_L和QKD设备_R的Bob只含有一级光滤波器件，可分离信号光和同步光。
所述的双工QKD系统中QKD设备_L和QKD设备_R的Alice的同步光激光器可以包含、但并不局限于以下几种形式：
实施例一(使用两个不同波长的同步光激光器)
Option1(Alice发送的同步光的波长由控制模块决定)：
如图6所示，QKD设备_L和QKD设备_R的Alice均配置有两个同步光激光器——同步光激光器1和同步光激光器2，其中同步光激光器1固定地发送同步光sync1，波长为λ₁，同步光激光器2固定地发送同步光sync2，波长为λ₂，且λ₁≠λ₂。QKD设备_L和QKD设备_R的Bob均配置有两级光滤波器件，第一级光滤波器件可分离出信号光和同步光，第二级光滤波器件可分离出两路波长不同的同步光，如图3所示。第二级光滤波器件将分离出的两路同步光分别送入对应的甄别器之中，甄别器1固定地甄别中心波长为λ₁的同步光sync1，甄别器2固定地甄别中心波长为λ₂的同步光sync2。
所述的双工QKD系统中配置有控制模块，用以控制QKD设备_L和QKD设备_R分别发送波长不同的同步光sync1和sync2；同时， 对应着Alice发送的同步光，控制模块还控制着QKD设备_L和QKD设备_R的Bob分别将哪种甄别器探测到的信号作为同步信号。
具体实施如下：在QKD设备_L的Alice与QKD设备_R的Bob之间的链路上，控制模块调度QKD设备_L的Alice使用同步光激光器1，发送波长为λ₁的同步光sync1；则在QKD设备_R的Bob端，由第一级光滤波器件分离出信号光，再由第二级光滤波器件分离出同步光sync1。经控制模块调度，将甄别器1探测到的信号作为同步信号。
相对应地，在QKD设备_R的Alice与QKD设备_L的Bob之间的链路上，控制模块调度QKD设备_R的Alice使用同步光激光器2，发送波长为λ₂的同步光sync2；则在QKD设备_L的Bob端，由第一级光滤波器件分离出信号光，再由第二级光滤波器件分离出同步光sync2。经控制模块调度，将甄别器2探测到的信号作为同步信号。
使用控制模块的好处是，当某一QKD链路的同步出现问题时，例如用于该QKD链路的同步光激光器或甄别器出现异常，则可以通过控制模块方便地对两端QKD设备中的同步光激光器和甄别器进行调度切换，使全双工QKD系统仍能正常工作。例如，若QKD设备_L的Alice使用的同步光激光器1工作异常，则控制模块调度QKD设备_L的Alice使用同步光激光器2，调度QKD设备_R的Bob将甄别器2探测到的信号作为同步信号；同时，控制模块调度QKD设备_R的Alice使用同步光激光器1，调度QKD设备_L的Bob将甄别器1探测到的信号作为同步信号。
Option2(Alice发送的同步光的波长由初始配置)：
QKD设备_L和QKD设备_R的Alice均配置有两个同步光激光器——同步光激光器1和同步光激光器2。同步光激光器1固定地发送同步光sync1，波长为λ₁；同步光激光器2固定地发送同步光sync2，波长为λ₂，且λ₁≠λ₂。
QKD设备_L和QKD设备_R的Bob均配置有两级光滤波器件，第一级光滤波器件可分离出信号光，第二级光滤波器件可分离出两种波长不同的同步光，如图3所示。第二级光滤波器件将分离出的两路同步光分别送入对应的甄别器之中，甄别器1固定地甄别中心波长为λ₁的同步光sync1，甄别器2固定地甄别中心波长为λ₂的同步光sync2。
经系统初始配置后，QKD设备_L采用同步光激光器1发送同步光sync1，并将甄别器2探测到的信号作为同步信号；QKD设备_R采用同步光激光器2发送同步光sync2，并将甄别器1探测到的信号作为同步信号。
当某一QKD链路的同步出现问题时，例如用于该QKD链路的同步光激光器或甄别器出现异常，则可以通过系统重新初始化等方式，对两端QKD设备中的同步光激光器和甄别器进行调度切换，使全双工QKD系统仍能正常工作。例如，若QKD设备_L的Alice使用的同步光激光器1工作异常，则对双工QKD系统重新进行初始化，在初始配置时，配置QKD设备_L的Alice使用同步光激光器2，配置QKD设备_R的Bob将甄别器2探测到的信号作为同步信号；同 时，配置QKD设备_R的Alice使用同步光激光器1，配置QKD设备_L的Bob将甄别器1探测到的信号作为同步信号。
实施例二(使用一个可变波长的同步光激光器)
Option1(Alice发送的同步光的波长由控制模块决定)：
如图7所示，QKD设备_L和QKD设备_R的Alice均使用一个波长可调的同步光激光器，该波长可调的同步光激光器可发送同步光sync1，波长为λ₁，也可发送同步光sync2，波长为λ₂，且λ₁≠λ₂，其发送同步光的波长由控制模块调度。QKD设备_L和QKD设备_R的Bob均配置有两级光滤波器件，第一级光滤波器件可分离出信号光和同步光，第二级光滤波器件可分离出不同波长的同步光，如图3所示。将分离出的两路同步光分别送入对应的甄别器之中，甄别器1固定地甄别波长为λ₁的同步光sync1，甄别器2固定地甄别波长为λ₂的同步光sync2。
所述的双工QKD系统中配置有控制模块，用以控制QKD设备_L的Alice和QKD设备_R的Alice分别发送波长不同的同步光sync1和sync2。同时，对应着Alice发送的同步光，控制模块还控制着QKD设备_L和QKD设备_R的Bob分别将哪种甄别器探测到的信号作为同步信号。
具体实施如下：在QKD设备_L的Alice与QKD设备_R的Bob之间的链路上，控制模块调度QKD设备_L的Alice使用波长可调的同步光激光器，发送波长为λ₁的同步光sync1；则在QKD设备_R的 Bob端，由第一级光滤波器件分离出信号光，再由第二级光滤波器件分离出同步光sync1。经控制模块调度，将甄别器1探测到的信号作为同步信号。
相对应地，在QKD设备_R的Alice与QKD设备_L的Bob之间的链路上，控制模块调度QKD设备_R的Alice使用波长可调的同步光激光器，发送波长为λ₂的同步光sync2；则在QKD设备_L的Bob端，由第一级光滤波器件分离出信号光，再由第二级光滤波器件分离出同步光sync2。经控制模块调度，将甄别器2探测到的信号作为同步信号。
Option2(Alice发送的同步光的波长由初始配置)：
QKD设备_L和QKD设备_R的Alice均使用一个波长可调的同步光激光器，该波长可调的同步光激光器可发送同步光sync1，波长为λ₁，也可发送同步光sync2，波长为λ₂，且λ₁≠λ₂。
QKD设备_L和QKD设备_R的Bob均配置有两级光滤波器件，第一级光滤波器件可分离出信号光和同步光，第二级光滤波器件可分离出两种不同波长的同步光，如图3所示。将分离出的两路同步光分别送入对应的甄别器之中，甄别器1固定地甄别中心波长为λ₁的同步光sync1，甄别器2固定地甄别中心波长为λ₂的同步光sync2。
在系统初始配置时，可配置QKD设备_L发送波长为λ₁的同步光sync1，并将甄别器2探测到的信号作为同步信号；配置QKD设备_R发送波长为λ₂的同步光sync2，并将甄别器1探测到的信号作 为同步信号。
实施例三(系统两端分别使用一个不同波长的同步光激光器)
如图8所示，QKD设备_L和QKD设备_R分别使用一个不同波长的同步光激光器，同步光激光器1固定地发送波长为λ₁的同步光sync1，同步光激光器2固定地发送波长为λ₂的同步光sync2，且λ₁≠λ₂。QKD设备_L和QKD设备_R的Bob均采用一级光滤波器件，用以分离出信号光和同步光。分离之后的同步光送入甄别器中，甄别器1固定地甄别中心波长为λ₁的同步光sync1，甄别器2固定地甄别中心波长为λ₂的同步光sync2。
具体实施如下：在QKD设备_L的Alice与QKD设备_R的Bob之间的链路上，QKD设备_L的Alice使用同步光激光器1，固定地发送波长为λ₁的同步光sync1，则在QKD设备_R的Bob端，经一级光滤波器件分离出同步光之后，使用甄别器1来甄别中心波长为λ₁的同步光sync1。相对应地，在QKD设备_R的Alice与QKD设备_L的Bob之间的链路上，QKD设备_R的Alice使用同步光激光器2，固定地发送波长为λ₂的同步光sync2，则在QKD设备_L的Bob端，经一级光滤波器件分离出同步光之后，使用甄别器2来甄别中心波长为λ₂的同步光sync2。
图9是本发明的同步方法中场景二的一个示意图。图9中示出的使用该方法的系统只是一个典型的案例，并非唯一的情况。图9中省略了QKD设备_L的Bob端和QKD设备_R的Alice端，只体现了 QKD设备_L的Alice端向QKD设备_R的Bob端发送的单方向的同步光的过程；QKD设备_R的Alice向QKD设备_L的Bob发送同步光的过程与之相同。
场景二所示的信号光与同步光分别使用两条光纤链路传输，同样适用于本发明中的实施例一、二、三所述的几种情况。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。