当前互联网飞速发展,信息安全的重要性不容忽视。日益增长的信息安全需求成为密码学研究的催化剂。经典密码学基于计算复杂度确保信息的安全传输,然而量子算法的出现和量子计算机的研究使经典密码体系的安全性面临威胁,在这个背景下诞生了量子密码学中一个最重要的领域——量子密钥分发（QKD）。QKD的安全性基于量子物理的基本原理,通过与一次一密的加密方法相结合,为通信双方提供了一种无条件安全的共享密钥的方式。自第一个QKD协议（BB84）被提出以来,其实用化进程在近几十年取得了重大进展,QKD已经成为量子计算时代最重要和有效的保密通信手段之一。QKD实用化的目标之一是实现全球范围内大规模的网络部署。然而,由于量子信号强度较弱、易受信道干扰的特点,采用独立光纤信道的QKD方案更有利于量子信号的安全传输,但这意味着资源消耗大、部署成本和复杂度高以及在经典通信中应用的可行性降低等问题,阻碍了 QKD的广泛部署。因此,借助现有经典网络体系的基础设施,进行QKD与经典信号的共纤传输,是实现QKD网络大规模部署目标的重要途径之一。根据目前的研究进展,实现经典—量子共纤系统的最大障碍是经典信号会严重降低QKD系统的信噪比,无法满足QKD正常通信的需求,主要体现在两个方面:一方面,因为向多用户提供服务的高速经典通信网络的发射光功率非常高,在光纤中产生的大量非线性噪声会严重限制QKD性能,使QKD系统与高功率、大容量的复杂经典通信网络如骨干网、城域网等的共存难以实现;另一方面,为了实现更低的传输损耗并满足QKD与现有经典通信基础设施兼容性更高的要求,实现QKD与经典通信在C波段的共存更为有利,然而更小的信道间隔所导致的更强的非线性噪声进一步限制了 QKD性能,采用复杂的抑制噪声方案会降低系统的部署效率,提高系统成本和复杂度。因此,同时满足QKD的性能、提高经典光功率、提升QKD与光纤通信网络的兼容性和降低系统复杂度的需求是共纤系统中亟待解决的挑战。在本文中,我们通过围绕降低量子信道非线性噪声的核心目标,系统开展了如何提高经典—量子共纤系统中QKD对高功率经典信号的容忍度研究,主要研究成果概括如下:1.通过结合波分复用的经典—量子共纤传输系统的非线性噪声理论、QKD系统实际安全性的有限长分析方法,以及多个纤芯信道的功率耦合机理,构建出一套适用于实际QKD系统量子信道噪声的理论模型,实现了对共纤系统非线性噪声的精确刻画。2.基于以上理论模型工具,搭建了基于法拉第—迈克尔逊干涉仪的QKD—光传送网的共纤传输系统,通过量子与经典信号的波段分离、高隔离度的宽带耦合和频域滤波技术,将基于标准单模通信光纤的共纤系统中的经典光功率相比于已有的工作提高了 1.5倍。系统不仅对大功率经典信号有很高的容忍度,还具有稳定、对信道偏振扰动不敏感的优势。3.为了进一步提升共纤系统中的经典光发射功率,在波分复用方式实现共纤方案的基础上搭建了基于超低损耗光纤的经典—量子共纤系统,利用超低损耗光纤更低的非线性效应特性,实现了共纤系统中迄今为止最高的经典光发射功率,约为其他波分复用共纤系统的2.5倍。4.为了进一步提高QKD与现有经典通信设施的兼容性,使量子与经典信号实现C波段的共存,结合多芯串扰的非线性噪声耦合模型,通过多芯光纤提供的空间隔离实现了基于空分复用的经典—量子共纤传输系统。相比其他空分复用共纤工作经典发射功率提高了将近19倍。系统无需额外的窄带滤波方案,降低了资源消耗,提高了 QKD在共纤系统中的部署效率、信号覆盖范围和实用性。