通过分析空间量子通信系统和经典光通信系统的误码率,设计了一种基于波分复用技术的空间量子-经典信号同传系统,并通过软件仿真分析其可行性。在256 ns内共传递15 bit量子密钥和128 bit经典信息,经典信息误码率为4.07×10 ^-15,结果表明该系统可以有效实现空间量子信号和经典信号的共信道同传,同时扩大空间量子密钥分发系统信道容量。

基于相位合成偏振技术,利用离散相位编码构建了自由空间量子密钥分配系统,在时域、空域、频域滤波的基础上,结合大气背景光的偏振度模型,通过偏振滤波抑制背景光。研究结果表明,当大气背景光的偏振度为0.6时,偏振滤波的背景光抑制比最高可达5;对比未加入偏振滤波的情况,由背景光引起的系统误码率降低了近80%。

在考虑大气湍流及气动光学效应的情况下,建立了航空平台连续变量量子通信系统的传播模型,数值分析了信道特性对系统安全密钥率的影响。结果表明,大气湍流的折射率结构常数越小,气动光学影响下折射率结构常数的变化对系统安全密钥率的影响越明显;大气湍流及气动光学效应对系统安全密钥率的影响不容忽视。根据大气信道特性,通过设计相应的系统补偿模块,自适应地调整量子通信系统的相关参数,可以增强系统的稳健性。

提高通信速率、实现全天候的空间量子通信是当前亟待解决的问题。概述了量子保密通信的发展历程及趋势,总结了自由空间量子密钥分配(QKD)的发展现状和研究意义。分析了自由空间QKD所存在的问题及其误码来源,讨论了背景光抑制的重要性,对抑制方法进行了分析介绍和对比研究,并对背景光抑制的下一步发展方向进行了简要探讨。

分析了点对点量子密钥分配协议的特点，在此基础上仿真研究了不同用户数量下量子-经典混合光网络量子密钥分配协议的网络性能，同时对比了三类协议的网络部署成本。仿真结果表明，对于中小型接入网（仿真用户数为32），制备-测量协议密钥生成率最高，安全传输距离最短，纠缠光协议密钥生成率最低，安全传输距离最长；对于较大规模网络，测量设备无关协议的网络部署成本最小，是建立混合光网络的最优选择。

针对高空平台不稳定性以及大气湍流对平台光通信性能的影响，提出利用空间分集技术改善高空平台光通信链路性能。在系统采用开关键控(OOK)调制条件下，利用矩母函数特性分别得到采用协作分集技术和多输入多输出(MIMO)技术的高空平台光链路误码率表达式，并求解协作通信系统中继平台的最优位置。仿真结果表明：协作分集技术与光MIMO技术对高空平台光链路性能的改善效果受到跟瞄误差的限制。采用发射选择分集的光MIMO技术对光链路的误码率性能最好。与采用重复码的MIMO方法相比，协作分集技术更适用于跟瞄误差大的通信系统。中继平台的最优位置与中继策略以及跟瞄误差无关。在中继平台最优位置附近，采用协作分集的光链路性能优于采用重复码MIMO光通信链路。

针对可变增益中继策略，推导高空平台多跳光链路中断概率的下限表达式，分析大气湍流、跟瞄误差以及中继节点位置对平台间多跳光链路性能的影响。仿真结果表明，高空平台特有的大气湍流特性对于平台光链路性能的影响较小，而跟瞄误差对链路的影响很大；中继节点位置对多跳光链路的影响，与跟瞄误差相关。跟瞄误差越大，中继节点位置对于光链路的影响越大；通过增加平均每跳信噪比能够有效降低中继平台位置对链路的影响的同时，还能改善链路性能。以跟瞄误差为20 m，2次中继为例，平均每跳信噪比增加1 dB，链路中断概率降低约2.2 dB。

给出了偏振编码副载波复用量子密钥分发方案中的信号边带严格的表达式，并分析了调制过程中量子误码率的主要来源。基于此提出了一种基于双光纤布拉格光栅的量子密钥分发滤波方案，该方案采用两个光纤布拉格光栅反射端对向放置的结构设计，利用其极窄的反射谱将所需的信号频率从较强的杂波频率中滤出。仿真结果表明，该滤波结构能够有效地滤除副载波复用量子密钥分发系统中信号频率以外的互调边带，从而降低量子误码率。

旋光双反射结构能够利用反射镜自身的偏振特性，配合旋光晶体实现光子偏振态的自动补偿，以减小移动量子密钥分发系统中反射镜引入的量子误码率。而该结构要求两面反射镜偏振特性完全相同，旋光晶体能够实现90°的完美旋光。从反射镜不匹配和旋光晶体旋转角度不准确两个方面对旋光双反射结构的误差进行了分析。研究结果显示，选择折射率相对大的反射镜，并且保证旋光晶体之间和反射镜之间的差异尽可能小，可以保证输出偏振态的稳定。

考虑到星间微波光子链路传输损耗大且多路微波信号之间交调干扰严重，利用前置光放大来提高链路的信号噪声失真比RSNDR。建立了两路输入前置光放大星间微波光子链路模型，推导出了RSNDR的解析表达式。通过优化马赫曾德尔调制器的直流偏置相移，使得在给定输入射频信号功率条件下RSNDR最大，并进一步分析了前置光放大器参数对最优直流偏置相移和RSNDR的影响。仿真结果表明，前置光放大改变了影响RSNDR的主要因素，使信号放大的倍数大于噪声和三阶交调（IM3）放大的倍数，从而提高了链路的RSNDR。当前置光放大器增益为20 dB、噪声系数为3 dB时，最优的RSNDR比不加前置光放大器时提高24 dB。前置光放大器增益和噪声系数对最优的RSNDR影响很大，而对最优的直流偏置相移几乎无影响。