CN101383661B - 光发射机及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了光发射机及其控制方法。一种光发射机对双脉冲进行相位和强度调制然后将它们发射，该光发射机包括：分支部分，将各个输入双脉冲分支到第一和第二路径；第一光调制器，被设在第一路径上；第二和第三光调制器，被串联地设在第二路径上；以及组合部分，用于对已经传播通过第一路径的双脉冲和已经传播通过第二路径的双脉冲进行组合以输出输出双脉冲。控制部分进行控制以使得第一和第二光调制器中的每一个对经过的双脉冲执行相对强度调制和相对相位调制中的任一个，并且第三光调制器对经过的双脉冲执行相对相位调制。

Description

光发射机及其控制方法
相关申请的交叉引用
本申请基于2007年9月4日提交的日本专利申请No.2007-228510并要求其优先权，该申请公开的内容通过引用而全部结合于此。
技术领域
本发明涉及对光脉冲进行相位调制和强度调制然后将其发送的光通信系统，更具体而言涉及光发射机(optical transmitter)和用于控制在光发射机中使用的复合调制器的方法。
背景技术
快速增长的因特网是很方便的，但是事实上，对其安全性抱有很大的担忧。高度密码技术的必要性一直在增加以便维持通信安全。当前通常使用的密码方法在广义上分成诸如数据加密标准(DES)和三重DES之类的私密密钥密码术以及诸如RAS(Rivest Shamir Adleman)和椭圆曲线密码术(ECC)之类的公共密钥密码术。但是，这些是基于计算复杂性来保证通信安全的密码通信方法。随着庞大的计算能力或者密码分析算法的出现，根据这些方法的密码常常处于被破译的危险中。在这种背景下，量子密钥分配(QKD)作为使得窃听绝对不可能的密码密钥分配技术正在吸引人们的注意。
在QKD中，通常使用光子来作为通信介质，并且通过叠加在光子的量子状态上来发射信息。如果在传输路径上存在的窃听者例如通过分接(tap)正被发送的光子来窃听信息，则根据海森博格(Heisenberg)的不确定性原理将无法完美地将被观测一次的光子的量子状态恢复到观测之前的状态。这导致了在由所授权接收者检测到的接收数据的统计值上的改变。所检测到的改变允许接收者检测在传输路径上的窃听者的存在性。
在利用光子相位的量子密钥分配方法的情况下，发送者和接收者(在下文中分别称为“Alice”和“Bob”)组成了光学干涉仪。Alice和Bob分别随机地对各个光子的相位进行调制。基于调制后的相位之间的深度差，可以获得“0”、“1”或者“不确定”的输出。之后，在Alice和Bob之间部分地对在输出数据被测得时使用的条件进行比较，由此最终可以在Alice和Bob之间共享随机数序列。这里所共享的随机数序列包括由诸如光子接收机噪声、从经典信道(classical-channel)信号泄漏的噪声、以及依据干涉仪的精度而导致的噪声之类的外部干扰导致的错误。另外，应当想到，该随机数序列还包括由窃听者(以下称为“Eve”)所进行的窃听行为导致的错误。因此，为了获得最终的密码密钥，Alice和Bob执行用于消除在共享的随机数序列中的错误的错误纠正以及用于筛除Eve可能拥有的信息的私密性增强。
对于最适合实际使用的配置，经常使用即插即用系统，其在Ribordy，G.、Gautier，J.-D.、Gisin，N.、Guinnard，O.和Zbinden，H.的(“Automated‘plug & play’quantum key distribution(自动“即插即用”量子密钥分配)”Electronics Letters，Vol.34，No.22，pp.2116-2117)等中被示出。在即插即用系统中，往返型光学干涉仪被构建成使得单个干涉仪用作用于在时间上分离光子脉冲的干涉仪，以及用于再次组合在时间上分离的光子脉冲对的干涉仪。因此，这个系统具有以下优点：如果在比光子脉冲的往返持续时段长的时间段内，在干涉仪中发生的光学路径差保持恒定，则可以实现高精度干涉。
但是，这种往返型的QKD方法并不适合增加密钥共享率，这是因为用于调制光子脉冲的相位的相位调制器需要在两个方向上使用。另外，还存在以下缺点：因为在传输路径中的后向散射光的发生是不可避免的，所以光子信号的信噪比被恶化。
另一方面，根据单向型的QKD方法，发送者和接收者分别具有不同的非对称干涉仪。即，用于在时间上分离光子脉冲的干涉仪和用于再次组合在时间上分离的光子脉冲对的干涉仪被放置于远距离处。因此，需要某些技术来保持在多个干涉仪中发生的光学路径差精确相等。例如，Yuan，Z.L.和Shields，A.J.的(“Continuous operation of a one-way quantum keydistribution system over installed telecom fibre(在所安装的电信光纤上的单向量子密钥分配系统的连续操作)”，Optics Express，Vol.13，pp.660-665)公开了一种系统，其中，对在Bob侧的非对称干涉仪的路径之一提供光纤延伸器(stretcher)，并且通过在监视干涉特性的同时控制光纤延伸器来调节非对称干涉仪的光学路径之间的长度差。
但是，因为光纤具有范围从10-6到10-5/K的线性膨胀系数，所以长度为100cm的光纤线(对应于5ns的延迟)在温度改变0.1度的情况下伸长/缩短约100到1000nm。因为将在QKD和一般光通信中使用的光信号具有1550nm的波长，所以如果使用具有几纳秒的延迟的非对称干涉仪，则无法获得稳定的干涉特性，除非以小于0.01度的粒度(granularity)来对用于延迟的整个光纤执行温度控制。根据Bonfrate，G.、Harlow，M.、Ford，C.、Maxwell，G.和Townsend，P.D.的(“Asymmetric Mach-Zehndergermano-silicate channel waveguide interferometers for quantum cryptographysystems(用于量子密码术系统的非对称马赫曾德(Mach-Zehnder)germano-silicate信道波导干涉仪)”Electronics Letters，Vol.37，No.13，pp.846-847)，通过使用平面光波电路(PLC)技术在小区域中安装光学路径，藉此辅助温度控制。
如上所述，已经逐渐地建立用于稳定多个干涉仪中的相对延迟量的技术，这已经成为实现单向QKD的挑战。响应于这种趋势，近年来单向QKD已经开始按各种方式发展。例如，Nambu，Y.、Yoshino，K.和Tomita，A.的(“One-Way Quantum Key Distribution System Based on PlanarLightwave Circuits(基于平面光波电路的单向量子密钥分配系统)”，Japanese Journal of Applied Physics，Vol.45，pp.5344-5348)提出了使用一般双输入、双输出马赫曾德干涉仪的第一单向QKD系统。在Nambu，Y.、Yoshino，K.和Tomita，A.的(“Quantum key distribution systems withoutoptical switching using planar lightwave circuit(基于平面光波电路的没有光交换的量子密钥分配系统)”，第8届量子通信国际会议(The8thInternational Conference on Quantum Communication，Measurement andComputing)，Measurement and Computing，pp.2-31)中还提出了不使用相位调制器的第二单向QKD系统。这两种方案都是使用四个量子状态的BB84协议的实施例(参见在IEEE计算机、系统和信号处理国际会议论文集(Proceedings of the IEEE International Conference on Computers，Systemsand Signal Processing)中的Bennett，C.H.和Brassard，G.的“QUANTUMCRYPTOGRAPHY：PUBLIC KEY DISTRIBUTION AND COIN TOS SING(量子密码术：公共密钥分配和硬币投掷)”，Bangalore(1984)，pp.175-179)。接下来，将描述第一和第二单向QKD系统。
图1A是示意性地示出第一单向QKD系统的框图。根据图1A所示的方案(以下称为“方案A”)，使用了四个相位状态。
首先，由Alice侧的光源11生成的光脉冲在时间上被PLC非对称马赫曾德(AMZ)干涉仪12分成时间上分离的脉冲对(以下称为双脉冲(double pulses))，并且这些双脉冲之间的相位差被相位调制器13和14调制成四个状态(0、π/2、π和3π/2)中的任意一个。以下，相位差为0和π的编码组将被称为“X基底(X basis)”，而相位差为π/2和3π/2的编码组将被称为“Y基底”。
在Bob中，从Alice接收的双脉冲之间的相位差被相位调制器16再次调制成0或-π/2。之后，经PLC AMZ干涉仪17组合的、双脉冲的干涉结果被光子检测器APD1和APD2之一检测到。
在方案A中，存在在Alice侧执行四状态相位调制的两种方法：利用四个值来驱动单个相位调制器的方法，和各自利用两个值来驱动两个相位调制器的方法。利用四个值来驱动单个相位调制器的前一种方法具有以下优点：因为仅需要一个相位调制器，所以降低了发送者的空间和功耗。但是，这种方法还具有如下所述的缺点。在系统重复率超过1GHz的高速传输系统中，很难以高精度来设置四值驱动信号的各个水平，并且0、π/2、π和3π/2中的各个相位状态的精度恶化，从而导致降低了密钥生成效率。另一方面，根据各自利用两个值来驱动两个相位调制器的后一种方法，通过分别控制双值信号的各个的幅度可以以高精度来生成四个相位状态。
图1B是示意性地示出第二单向QKD系统的框图。在图1B所示的方案(以下称为“方案B”)中，使用了两个相位状态和两个时间状态。
首先，在Alice侧，使用四输入、双输出PLC AMZ干涉仪21，来自光源LD1到LD4的光脉冲分别被输入到四个输入端口。在来自光源LD1的光脉冲输入的情况下，因为光脉冲仅沿干涉仪21的长路径传播，所以仅仅经时间延迟的单个脉冲被输出到传输线路。在来自光源LD4的光脉冲输入的情况下，因为光脉冲仅仅沿干涉仪21的短路径传播，所以仅仅相对超前的单个脉冲被输出到传输线路。在来自光源LD2和LD3的光脉冲输入的情况下，可以依据沿PLC AMZ干涉仪21的长路径和短路径传播的光脉冲之间的相位差来生成X基底或Y基底。在Bob侧，通过使用双输入、四输出PLC AMZ干涉仪23来解码并通过使用光子检测器APDz1、APD1、APD2和APDz2来检测各个基底。
以下，像在使用光源LD1或LD4的情况中一样，与仅仅存在双脉冲之一的情况相对应的编码组将被称为“Z基底”。注意，因为双脉冲的光强度的总和需要等于在Z基底被选择时的光强度，所以当X基底或Y基底被选择时的各个双脉冲的光强度是当Z基底被选择时的光强度的一半。
即，根据方案B，在Alice侧从四个光源LD1到LD4中选择以生成光脉冲，并且在Bob侧通过使用光子检测器APDz1、APD1、APD2和APDz2之一来检测光子，由此可以同时确定比特和基底。
关于接收机的配置，方案A和B各自具有优点和缺点。方案B具有以下优点：因为在Bob侧不需要相位调制器，所以可以将距离和速度增加与相位调制器所导致的损失相等效的量；但是方案B具有以下缺点：因为需要四个光子检测器，所以功耗很大。另一方面，方案A因为仅仅使用了两个光子检测器所以具有功耗方面的优点，但是因为由Bob侧的相位调制器导致的损失所以具有不适合增加距离和速度的缺点。因此，考虑到方案A和B的优点和缺点，所希望的发送者是适用于两种方案的发射机。但是，迄今为止尚未提出可以被应用于方案A和B两者的这种发射机。
而且，在图1B所示的方案B中，需要四个光源LD1到LD4。但是，作为一个实际问题，使从四个光源输出的光的光谱完美地匹配是非常难的。如果偏差很大，则Eve可以通过测量波长偏差来正确地确定正被传输的量子状态，因而可以复制量子状态而不会遗留窃听的任何痕迹。
为了使根据图1B所示的方案B的发送者配置适用于图1A所示的方案A，如果简单地将多个调制器放置于Alice侧的PLC AMZ干涉仪21的输出处，则需要四个调制器。这将参考图2A和2B来描述。
图2A是统一地示出准备X、Y和Z基底所需的调制的示意图。图2B是示出根据图2A所示的调制的信号点的信号星座图。参考图2A，来自根据方案A的双输入、双输出PLC AMZ干涉仪12的输出是相同强度的双脉冲。当执行Z基底的调制时，通过使用强度调制器来完全地消除这些双脉冲之一。当执行X基底或Y基底调制时，通过使用强度调制器将两种脉冲的强度减半，与此同时，需要通过使用相位调制器来产生双脉冲之间的相位差。即，需要四状态相位调制(以π/2为步长)以符合根据方案A的接收机，并且需要三状态(0、1/2、1)强度调制以符合根据方案B的接收机。在图2B中，所需的信号点被绘制在IQ平面上。
参考图2B，因为Z基底光脉冲的相位状态不受限制，所以点A的相位并不需要为零。因此，点A可以是在半径上与从IQ平面的原点到点A的距离等长的相同强度圆上的任意点。为了实现这种调制，可以利用记载在Hayase，S.、Kikuchi，N.、Sekine，K.和Sasaki，S.的(“Proposal of8-stateper Symbol (Binary ASK and QPSK)30-Gbit/s OpticalModulation/Demodulation Scheme(每符号8状态(2ASK和QPSK)30Gbit/s光调制/解调方案的提议)”，ECOC2003，Th.2.6.4)中的调制方法。Hayase等人公开了通过使用总共三个光调制器(两个相位调制器和一个强度调制器)来实现8状态(相位上的四个值以及强度上的两个值)幅度相移键控(APSK)调制。
图3A是示出Hayase等人所描述的ASK-QPSK发射机的配置的框图，并且图3B是示出根据这个发射机的信号点的信号星座图。
如图3A所示，总共三个调制器(用于(0，π)调制的相位调制器32，用于(0，π/2)调制的相位调制器33，以及用于(1/2，1)调制的强度调制器34)在光源31的输出侧级联连接，由此可以准备得到如图3B所示的在IQ平面上的所需信号星座。但是，当对图3B中的信号星座与图2B中的信号星座进行比较时，在图3B中不存在强度为0的信号点。因此，为了提供这个信号点，需要多添加一个强度调制器。具体而言，除了用于(0，π)调制的相位调制器32、用于(0，π/2)调制的相位调制器33以及用于(1/2，1)调制的强度调制器34之外，还需要在光源31的输出侧级联连接用于(0，1)调制的强度调制器。
如上所述，如果试图通过利用根据Hayase等人的发射机配置来获得图2B所示的信号星座，则总共需要四个光调制器。从节省功耗和空间的角度，希望将要使用的调制器的数目尽可能小。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有新配置的光发射机以及用于控制在该光发射机中使用的复合调制器的方法，其中，所述光发射机能够通过使用减少数目的调制器来实现在强度上具有三个值并且在相位上具有四个值的调制。
根据本发明，一种用于发射经相位调制和强度调制的光脉冲的光发射机包括：光源，用于生成光脉冲；双脉冲发生器，用于根据光脉冲来生成双脉冲，其中，所述双脉冲在时间上被分成光脉冲对；分支部分，用于将所述双脉冲中的每个分支到第一路径和第二路径；第一光调制器，被设在第一路径上；第二光调制器和第三光调制器，被串联地设在第二路径上；以及组合部分，用于对已经传播通过第一路径的双脉冲和已经传播通过第二路径的双脉冲进行组合以生成输出双脉冲；其中，第一光调制器和第二光调制器中的每一个在经过的双脉冲之间或者执行相对强度调制或者执行相对相位调制，其中，第三光调制器在经过的双脉冲之间执行相对相位调制。
根据本发明，可以通过使用三个光调制器来实现在强度上具有三个值并且在相位上具有四个值的调制。
附图说明
图1A是示意性地示出在Nambu，Y.、Yoshino，K.和Tomita，A.的“One-Way Quantum Key Distribution System Based on Planar Lightwave Circuits，”Japanese Journal of Applied Physics，Vol.45，pp.5344-5348中公开的单向QKD系统的框图。
图1B是示意性地示出在Nambu，Y.、Yoshino，K.和Tomita，A.的“Quantum key distribution systems without optical switching using planarlightwave circuit，”第8届量子通信国际会议，Measurement and Computing，pp.2-31中公开的单向QKD系统的框图。
图2A是统一示出准备X、Y和Z基底所需的调制的概念图。
图2B是表示根据图2A所示的调制的信号的信号星座图。
图3A是示出在Hayase，S.，Kikuchi，N.、Sekine，K.和Sasaki，S.的“Proposal of 8-state per Symbol(Binary ASK and QPSK)30-Gbit/s OpticalModulation/Demodulation Scheme，”ECOC2003，Th.2.6.4中记载的ASK-QPSK发射机的配置的示图。
图3B是示出根据图3A所示的ASK-QPSK发射机的信号点的信号星座图。
图4是示出作为本发明的一个应用示例的光发射机的示意配置的框图。
图5A是示出根据本发明第一示例性实施例的光发射机的示意配置的框图。
图5B是表示根据图5A所示的发射机的信号的信号星座图。
图6是示出在本发明第一示例性实施例所使用的复合调制器中的各个位置处的光强度的示图。
图7是概念性地示出在本发明的第一示例性实施例中使用的X切LN强度调制器的传递曲线(transfer curve)的图形。
图8是示出驱动电压和输出光强度/相位之间的关系的示意图，用以描述用于驱动在本发明第一示例性实施例中使用的复合调制器的方法。
图9A是示出根据本发明第二示例性实施例的光发射机的示意配置的框图。
图9B是表示根据图9A所示的发射机的信号的信号星座图。
图10是示出驱动电压和输出光强度/相位之间的关系的示意图，用以描述用于驱动在本发明第二示例性实施例中使用的复合调制器的方法。
图11A是示出根据本发明第三示例性实施例的光发射机的示意配置的框图。
图11B是表示根据图11A所示的发射机的信号的信号星座图。
图12是示出驱动电压和输出光强度/相位之间的关系的示意图，用以描述用于驱动在本发明第三示例性实施例中使用的复合调制器的方法。
图13是示出根据本发明第三示例性实施例的修改示例的光发射机的示意配置的框图。
具体实施方式
将在根据本发明的光发射机中使用的复合调制器包括设在复合调制器的输入端处的分支部分和设在其输出端的组合部分。分支部分将输入双脉冲的每一个分支为两条路径。组合部分将来自所述路径中的一条的双脉冲与来自所述路径的另一条的双脉冲组合起来。第一光调制器被放置于所述路径之一中，第二和第三光调制器被串联地放置于所述路径的另一条中。当需要时，光发射机在组合之后对双脉冲进行衰减并例如作为在单光子级别上的双脉冲来发送它们。以下，将通过使用其中马赫曾德干涉仪的主要配置被应用于复合调制器的示例来详细描述本发明。
图4是示出作为本发明的应用示例的光发射机的示意配置的框图。光源101所生成的光脉冲P0被双脉冲生成部分102分割成双脉冲P1和P2。双脉冲P1和P2被复合调制器103按X基底、Y基底或Z基底来调制。复合调制器103受到来自控制部分105(稍后将描述)的驱动信号RFA、RFB和RFC的控制。当需要时，经复合调制器103调制的双脉冲的光强度被衰减到单光子级别，然后双脉冲被输出到传输线路。
复合调制器103具有在光分支部分131和光组合部分135之间的两条路径(第一和第二路径)。第一光调制器132被置于第一路径中，第二光调制器133和第三光调制器134被置于第二路径中。从双脉冲生成部分102输入的双脉冲P1和P2中的每一个脉冲被光分支部分131分支到两条路径中。沿第一路径传播的双脉冲通过第一光调制器132，而沿第二路径传播的双脉冲通过第二光调制器133和第三光调制器134。沿各条路径传播的双脉冲在光组合部分135处被与它们的副本(counterpart)相组合，由此可以实现在强度上具有三个值(0、1/2、1)并且在相位上具有四个值(a、b、c、d)的调制。例如，第一光调制器132和第二光调制器133(或者第三光调制器134)中的每个被允许操作为强度调制器和相位调制器(该相位调制器将调制相位改变180°)中的任意一个。第三光调制器134(或者第二光调制器133)被允许操作为将调制相位改变90°的相位调制器。
在本应用示例中，在第二路径中的第二光调制器133和第三光调制器134中的至少一个是相位调制器，并且在第二路径中的另一个光调制器和在第一路径中的第一光调制器132是强度调制器和相位调制器的任意组合。优选的是，两条路径、光分支部分131和光组合部分135构成马赫曾德干涉仪。
此外，优选的是，强度调制器是使用马赫曾德干涉仪的强度调制器，稍后将进行描述。对于相位调制器，也可以使用马赫曾德型调制器，但是相位调制器并不限于这种类型。将在这里使用的马赫曾德型调制器是一般的马赫曾德型LN(LiNbO3)调制器，并且通过控制驱动电压RF可以对光脉冲执行强度调制或相位调制，稍后将进行描述。
复合调制器103受控制部分105的驱动。这里，分别通过使用驱动信号RFA、RFB和RFC来驱动第一光调制器132、第二光调制器133和第三光调制器134。控制部分105分别生成驱动信号RFA、RFB和RFC，各个光调制器根据该驱动信号来执行强度调制和相位调制。
此外，光源101例如是激光二极管，并输出光脉冲P0。双脉冲生成部分102例如是平面光波电路非对称马赫曾德(PLC AMZ)类型、迈克尔逊(Michelson)类型等的干涉仪。控制部分105也可以通过在诸如CPU之类的程序控制处理器上执行程序来实现。
如将在以下的示例性实施例中详细描述的，通过由上述三个光调制器组成的复合调制器103在具有强度上的三个值和相位上的四个值的情况下对双脉冲进行调制，由此可以实现既适用于图1A所示的方案A又适用于图1B所示的方案B的光发射机。
1.第一示例性实施例
根据本发明的第一示例性实施例，复合调制器包括被置于马赫曾德干涉仪的路径(干涉臂)之一上的马赫曾德强度调制器、以及被置于另一条路径(另一条干涉臂)上的马赫曾德强度调制器和相位调制器。即，在图4中，第一光调制器132和第二光调制器133是马赫曾德强度调制器，而第三光调制器134是相位调制器。
1.1)配置
图5A是示出根据本发明第一示例性实施例的光发射机的示意配置的框图，图5B是表示根据该发射机的信号的信号星座图。由光源101生成的光脉冲P0被双脉冲生成部分(这里，是PLC AMZ干涉仪)102分割成双脉冲P1和P2。在根据本示例性实施例通过复合调制器201对双脉冲P1和P2进行调制之后，双脉冲P1和P2的光强度被光衰减器104衰减到单光子级别，然后双脉冲P1和P2被输出到传输线路。
复合调制器201具有马赫曾德干涉仪的主要配置，并且包括输入侧Y分支231、被置于马赫曾德干涉臂之一上的马赫曾德强度调制器232、被置于另一干涉臂上的马赫曾德强度调制器233和相位调制器234、以及输出侧Y分支235。这里，优选的是，马赫曾德强度调制器232和233为使用铌酸锂(LiNbO3)的X切(X-cut)LN调制器。经复合调制器201调制的双脉冲被输出到光衰减器104。另外，在本示例性实施例中，假设在输出侧Y分支235处被组合的光被分支成两个部分，其中之一被输出作为Y分支235的输出光。
复合调制器201的马赫曾德强度调制器232和233以及相位调制器234分别由驱动信号RFA、RFB和RFC驱动。以下，为了简化信号生成电路，假设用于各个调制器的各个驱动电信号为二进制信号。注意，用于构成复合调制器201的调制器是可以在市场上购得的使用LiNbO3波导的SSB-SC调制器或者FSK调制器(例如，参见2007年1月的URL：http://www.socnb.com/report/pproduct/ln10.pdf)。
1.2)操作
图6是示出在本发明的第一示例性实施例中使用的复合调制器中的各个位置处的光强度的示图。假设A是在复合调制器201的输入点处的光的光强度，光强度在所述光在输入侧Y分支231处被分支之后变为A/2。光强度在马赫曾德强度调制器232和233中的各条路径上进一步变为A/4。
图7是概念性地示出在本发明的第一示例性实施例中使用的X切LN强度调制器的传递曲线的图示。在X切LN强度调制器中，当向电极施加电压时，光信号的相位在路径之一中超前，并且光信号的相位在另一条路径上被延迟。因此，这个调制器的输出相位没有改变，除非驱动电压被改变以至于到达传递曲线的最小点(点B)的另一侧。即，当驱动电压在0到+Vπ[V]的范围内变化时，仅当相位位于0处时输出光的强度才改变，并且当驱动电压在-Vπ到0[V]的范围内变化时，仅当相位位于π处时输出光的强度才改变。当驱动电压被改变为通过传递曲线的最小点B时，输出光的相位改变π。
在以下描述中，为了简化起见，假设对马赫曾德强度调制器232和233的偏置被调整为使得当驱动信号RFA和RFB的电压为0[V]时，输出光具有强度0。参考图7所示的传递曲线，将被施加给马赫曾德强度调制器232的驱动信号RFA的电压在点A处的电压和点B处的电压之间改变，并且将被施加给马赫曾德强度调制器233的驱动信号RFB的电压在点B处的电压和点C处的电压之间改变。因此，马赫曾德强度调制器232和233的输出光的相位可以精确地表示两个值，0和π。
此外，假设路径之间的光学路径之差被调整为使得当驱动信号RFA和RFB的电压被保持在图7中的点A处的电压(+Vπ[V])并且当将被施加到相位调制器234的驱动信号RFC为0[V]时，复合调制器201的输出光具有最大强度。另外，假设用于引起相位差π的驱动电压(Vπ[V])在调制器之间是相同的。
图8是示出驱动电压和输出光强度/相位之间的关系的示意图，用以描述用于驱动在本发明的第一示例性实施例中使用的复合调制器的方法。这里，为了简化说明，假设脉冲时间周期t1到t12中的每两个(t1&t2/t3&t4/...)对应于双脉冲的定时。在图8中，a)到c)分别示出了驱动信号RFA、RFB和RFC的波形；d)示意性地示出了输出光强度；e)示出了表示输出光强度的变化相对幅度的值；f)示出了表示双脉冲的变化输出光相位的值。但是，假设e)中的各个值表示输出光强度对图6中的A(＝1)的比率。
参考图8，在脉冲时间周期t1中，因为驱动信号RFA、RFB和RFC的电压分别为+Vπ[V]、0[V]和0[V]，所以马赫曾德强度调制器232的输出光具有0相位和1/2的强度，并且马赫曾德强度调制器233的输出光具有0强度。因为来自这些调制器的光在输出侧Y分支235处被组合，并且组合后的光被分支为两部分然后被输出，所以输出侧Y分支235的输出光具有0相位和1/4的强度。在各个脉冲时间周期t2、t3、t5和t8中的调制与上述脉冲时间周期t1相似地被执行。因此，在这些时间点处的输出光也具有0相位和1/4的强度。
在脉冲时间周期t4中，因为驱动信号RFA、RFB和RFC的电压分别为0[V]、-Vπ[V]和0[V]，所以马赫曾德强度调制器232的输出光具有0强度，并且马赫曾德强度调制器233的输出光具有π相位和1/2的强度。因此，输出侧Y分支235的输出光具有π相位和1/4的强度。
在各个脉冲时间周期t6和t7中，因为驱动信号RFA、RFB和RFC的电压分别为0[V]、-Vπ[V]和+V/2[V]，所以马赫曾德强度调制器232的输出光具有0强度，并且马赫曾德强度调制器233的输出光具有π相位和1/2的强度。因为马赫曾德强度调制器233的输出光进一步在相位调制器234处经过与+Vπ/2[V](RFC)相对应的相位调制，所以当该光进入输出侧Y分支235时其具有3π/2的相位和1/2的强度。来自这些调制器的光在输出侧Y分支235处被组合，由此输出侧Y分支235的输出光具有3π/2的相位和1/4的强度。
在脉冲时间周期t9和t12的每个中，因为驱动信号RFA、RFB和RFC的电压分别为0[V]、0[V]和+Vπ/2[V]，所以各个马赫曾德强度调制器232和233的输出光具有0强度，并且输出侧Y分支235的输出光也具有0强度。
最后，在脉冲时间周期t10和t11的每个中，因为驱动信号RFA、RFB和RFC的电压分别为+Vπ[V]、-Vπ[V]和+Vπ/2[V]，所以马赫曾德强度调制器232的输出光具有0相位和1/2的强度，并且马赫曾德强度调制器233的输出光具有π相位和1/2的强度。因为马赫曾德强度调制器233的输出光还经过与+Vπ/2[V](RFC)相对应的相位调制，所以当该光进入输出侧Y分支235时其具有3π/2的相位和1/2的强度。具有0相位和1/2的强度的光以及具有3π/2的相位和1/2的强度的光在输出侧Y分支235处被组合，由此输出侧Y分支235的输出光具有7π/4的相位和1/2的强度。
基于前述内容，在包括脉冲时间周期t1和t2的时间段T1中，因为双脉冲具有相同的强度(1/4)并且还具有相同相位，所以这种状态对应于X基底中的“0”。在包括脉冲时间周期t3和t4的时间段T2中，因为双脉冲的强度相同(1/4)但是相位相差180°(π)，所以这种状态对应于X基底中的“1”。
在包括脉冲时间段t5和t6的时间段T3中，因为双脉冲的强度相同(1/4)但是相位相差270°(3π/2)，所以这种状态对应于Y基底中的“1”。在包括脉冲时间周期t7和t8的时间段T4中，因为双脉冲的强度相同(1/4)但是相位相差90°(π/2)，所以这种状态对应于Y基底中的“0”。
在包括脉冲时间周期t9和t10的时间段T5以及包括脉冲时间周期t11和t12的时间段T6的每一个中，双脉冲之一被消除而另一个脉冲具有在X/Y基底被选择时的强度的两倍那么大的强度(1/2)。因此，在时间段T5和T6中的状态对应于Z基底中的“0”和“1”。因此，可以实现如图4所示的强度上具有三个值(0、1/4、1/2)而相位上具有四个值(a＝0，b＝π，c＝3π/2，d＝π/2)的调制。
如上所述，使用三个驱动信号RFA、RFB和RFC，可以生成在X、Y和Z基底的每一个中的“0”和“1”。因此，可以通过选择这三个X、Y和Z基底中的任意两个来实现BB84协议。换而言之，如果随机地重复在时间段T1、T2、T3和T4中的调制，则可以实现符合根据方案A的接收机的四状态相位编码。
此外，当随机地重复在时间段T1、T2、T5和T6中的调制并且图1B中的双输入、四输出PLC AMZ23的马赫曾德干涉仪的两条路径之间的相位差被设置在0或π时，可以实现符合根据方案B的接收机的双状态相位和双状态时间编码。
而且，当随机地重复在时间段T3、T4、T5和T6中的调制并且图1B中的双输入、四输出PLC AMZ23的马赫曾德干涉仪的两条路径之间的相位差被设置在π/2或者π3/2时，还可以实现符合根据方案B的接收机的双状态相位和双状态时间编码。在这种情况下，对于驱动信号RFc，并不需要高速信号，并且连续地偏置在+Vπ/2[V]就足够了。因此，可以进一步降低调制器驱动器所消耗的功率。
注意，在本示例性实施例中，在脉冲时间周期t1至t3、t5、t8、t9和t12中，驱动信号RFC的电压可以是0[V]和+Vπ/2[V]中的任意一个，这是因为驱动信号RFB的电压为0[V]并且马赫曾德强度调制器233的输出光具有0强度。当在IQ平面上绘制可以在本示例性实施例中准备的输出光状态时，它们如图5B所示。
1.3)效果
如上所述，根据本发明的第一示例性实施例，可以配置能够与根据量子密码方案A和B的两种接收机通信的发射机。此外，可以防止由于光源之间的波长偏差而可能发生的安全性降低，这是在使用方案B时的问题。另外，根据本示例性实施例的光发射机还具有高通用性、空间节省和较低功耗的优点。
虽然在本示例性实施例中使用PLC马赫曾德干涉仪作为用于在时间上分离和组合光脉冲的装置，但是本发明并不限于这种实施例。也可以通过使用另一种类型(例如，迈克尔逊类型)的干涉仪来配置类似发射机。
此外，虽然用于驱动两个马赫曾德强度调制器232和233的各个驱动信号在幅度为Vπ[V]的电压方面改变，但是施加给强度调制器的驱动电压的幅度并不限于Vπ[V]。例如，假设Vmin[V]是获得图7中的传递曲线的最小点B所需的驱动电压，并且Va[V]是驱动电压的幅度，如果强度调制器之一在Vmin[V]和(Vmin+Va)[V]之间受驱动并且另一个强度调制器在Vmin[V]和(Vmin-Va)[V]之间受驱动，则可以获得类似的状态。
2.第二示例性实施例
根据本发明第二示例性实施例的复合调制器包括被置于马赫曾德干涉仪的路径(干涉臂)之一中的一个马赫曾德强度调制器，和被置于另一条路径(另一条干涉臂)中的两个相位调制器。即，在图4中，第一光调制器132是马赫曾德强度调制器，而第二光调制器133和第三光调制器134是相位调制器。
2.1)配置
图9A是示出根据本发明第二示例性实施例的光发射机的示意配置的框图，图9B是示出根据该发射机的信号点的信号星座图。第二示例性实施例与图5A所示的第一示例性实施例的不同之处仅在于复合调制器301的配置，而其它电路是相同的。因此，与图5A相同的电路元件被用与图5A相同的标号来表示，并且将省略对其的描述。
复合调制器301具有马赫曾德干涉仪的主要配置，并且包括输入侧Y分支331、被置于马赫曾德干涉臂之一上的马赫曾德强度调制器332、被置于另一条干涉臂上的相位调制器333和334、以及输出侧Y分支335。这里，优选的是，马赫曾德强度调制器332是使用铌酸锂(LiNbO3)的X切LN调制器。经复合调制器301调制的双脉冲被输出到光衰减器104。另外，在本示例性实施例中，假设在输出侧Y分支335处被组合的光被分支成两部分，其中之一被输出作为输出侧Y分支335的输出光。
复合调制器301的马赫曾德强度调制器332以及相位调制器333和334分别利用驱动信号RFA、RFB和RFC来驱动。假设马赫曾德强度调制器332具有图7所示的传递曲线。
2.2)操作
在以下描述中，为了简化起见，假设对马赫曾德强度调制器332的偏置被调整为使得当驱动信号RFA的施加电压为0[V]时输出光具有0强度。参考图7中的传递曲线，将被施加给马赫曾德强度调制器332的驱动信号RFA的电压在点A处的电压和点B处的电压之间改变。
顺便提及，假设路径之间的光学路径之差被调整为使得：当驱动信号RFA的电压保持在图7中的点A处的电压(+Vπ[V])并且将被施加给相位调制器333和334的驱动信号RFB和RFC的电压为0[V]时，复合调制器301的输出光具有最大强度。另外，假设用于引起π相位差的驱动电压(Vπ[V])在这些调制器之间是相同的。
图10是示出驱动电压和输出光强度/相位之间的关系的示意图，用以描述用于驱动在本发明第二示例性实施例中使用的复合调制器的方法。这里，为了简化说明，假设脉冲时间周期t1到t12中的每两个(t1&t2/t3&t4/...)对应于双脉冲的定时。在图10中，a)到c)分别示出了驱动信号RFA、RFB和RFC的波形；d)示意性地示出了输出光强度；e)示出了表示输出光强度的变化相对幅度的值；以及f)示出了表示双脉冲的变化输出光相位的值。但是，假设e)中的各个值表示输出光强度与进入复合调制器301的光脉冲的强度(＝1)的比率。
参考图10，在脉冲时间周期t1中，因为驱动信号RFA、RFB和RFC的电压被设置为0[V]，所以马赫曾德强度调制器332的输出光具有0强度，并且相位调制器334的输出光具有0相位和1/2的强度。当来自这些调制器的光在输出侧Y分支335处被组合时，输出侧Y分支335的输出光具有0相位和1/4的强度。同样，在脉冲时间周期t2、t3、t5和t7的每一个中，因为与脉冲时间周期t1相似地执行调制，所以获得了具有0相位和1/4的强度的输出光。
接下来，在脉冲时间周期t4中，驱动信号RFA、RFB和RFC的电压分别为0[V]、+Vπ[V]和0[V]。因此，马赫曾德强度调制器332的输出光具有0强度，并且相位调制器334的输出光具有π相位和1/2的强度。因此，当来自这些调制器的光被组合时，输出侧Y分支335的输出光具有π相位和1/4的强度。
在脉冲时间周期t6中，驱动信号RFA、RFB和RFC的电压分别为0[V]、+Vπ[V]和+Vπ/2[V]。因此，马赫曾德强度调制器332的输出光具有0强度，并且相位调制器334的输出光具有3π/2相位和1/2的强度。因此，当来自这些调制器的光被组合时，输出侧Y分支335的输出光具有3π/2的相位和1/4的强度。
在脉冲时间周期t8中，驱动信号RFA、RFB和RFC的电压分别为0[V]、0[V]和+Vπ/2[V]。因此，马赫曾德强度调制器332的输出光具有0强度，并且相位调制器334的输出光具有π/2相位和1/2的强度。因此，当来自这些调制器的光被组合时，输出侧Y分支335的输出光具有π/2的相位和1/4的强度。
在脉冲时间周期t9和t12的每一个中，驱动信号RFA、RFB和RFC的电压分别为+Vπ[V]、+Vπ[V]和0[V]。因此，马赫曾德强度调制器332的输出光具有0相位和1/2的强度，并且相位调制器334的输出光具有π相位和1/2的强度。因此，当来自这些调制器的光被组合时，发生了抵消，并且输出侧Y分支335的输出光的强度变为零。
最后，在脉冲时间周期t10和t11的每一个中，驱动信号RFA、RFB和RFC的电压分别为+Vπ[V]、+Vπ[V]和+Vπ/2[V]。因此，马赫曾德强度调制器332的输出光具有0相位和1/2的强度，并且相位调制器334的输出光具有3π/2相位和1/2的强度。因此，当具有0相位和1/2的强度的光与具有3π/2的相位和1/2的强度的光被组合时，输出侧Y分支335的输出光具有7π/4的相位和1/2的强度。
基于前述内容，在包括脉冲时间周期t1和t2的时间段T1中，因为双脉冲具有相同的强度并且还具有相同相位，所以这种状态对应于X基底中的“0”。在包括脉冲时间周期t3和t4的时间段T2中，因为双脉冲的强度相同但是相位相差180°(π)，所以这种状态对应于X基底中的“1”。
在包括脉冲时间段t5和t6的时间段T3中，因为双脉冲的强度相同但是相位相差270°(3π/2)，所以这种状态对应于Y基底中的“1”。在包括脉冲时间周期t7和t8的时间段T4中，因为双脉冲的强度相同但是相位相差90°(π/2)，所以这种状态对应于Y基底中的“0”。
在包括脉冲时间周期t9和t10的时间段T5以及包括脉冲时间周期t11和t12的时间段T6的每一个中，双脉冲之一被消除而另一个脉冲具有在X/Y基底被选择时的强度的两倍那么大的强度。因此，在时间段T5和T6中的状态对应于Z基底中的“0”和“1”。因此，可以实现如图4所示的强度上具有三个值(0、1/4、1/2)而相位上具有四个值(a＝0，b＝π，c＝3π/2，d＝π/2)的调制。
如上所述，使用三个驱动信号RFA、RFB和RFC，可以生成在X、Y和Z基底的每一个中的“0”和“1”。因此，可以通过选择这三个X、Y和Z基底中的任意两个来实现BB84协议。换而言之，如果随机地重复在时间段T1、T2、T3和T4中的调制，则可以实现符合根据方案A的接收机的四状态相位编码。在这种情况下，对于驱动信号RFA，并不需要高速信号，并且仅仅连续地偏置在0[V]就足够了。因此，可以降低调制器驱动器所消耗的功率。
此外，当随机地重复在时间段T1、T2、T5和T6中的调制并且图1B中的双输入、四输出PLC AMZ23的马赫曾德干涉仪的两条路径之间的相位差被设置在0或π时，可以实现符合根据方案B的接收机的双状态相位+双状态时间编码。
而且，当随机地重复在时间段T3、T4、T5和T6中的调制并且图1B中的双输入、四输出PLC AMZ23的马赫曾德干涉仪的两条路径之间的相位差被设置在π/2或者π3/2时，还可以实现符合根据方案B的接收机的双状态相位+双状态时间编码。当在IQ平面上绘制可以在本示例性实施例中准备的输出光状态时，它们如图9B所示。
2.3)效果
本发明的第二示例性实施例也可以实现与第一示例性实施例相似的效果。即，根据第二示例性实施例，同样可以配置能够与根据量子密码方案A和B的两种接收机通信的发射机。此外，可以防止由于光源之间的波长偏差而可能发生的安全性降低，这是在使用方案B时的问题。另外，根据第二示例性实施例的光发射机还具有高通用性、空间节省、和较低功耗的优点。
虽然在第二示例性实施例中使用PLC马赫曾德干涉仪作为用于在时间上分离和组合光脉冲的装置，但是本发明并不限于这种实施例。也可以通过使用另一种类型(例如，迈克尔逊类型)的干涉仪来配置类似发射机。
此外，虽然用于驱动马赫曾德强度调制器332的驱动信号在幅度为Vπ[V]的电压方面改变，但是该驱动电压的幅度并不限于Vπ[V]。例如，假设Vmin[V]是获得图7中的传递曲线的最小点B所需的驱动电压，并且Va[V]是驱动电压的幅度，如果强度调制器在Vmin[V]和(Vmin+Va)[V]之间受驱动，则可以获得类似的状态。
顺便提及，对于相位调制器333而言，执行操作以在0和π之间改变输出光相位同时产生恒定强度就足够了。因此，通过使用图5所示的第一示例性实施例的、被配置为在-Vπ和+Vπ之间受驱动的马赫曾德强度调制器233可以执行等效的调制(从图7中的传递曲线可见)。
3.第三示例性实施例
根据本发明第三示例性实施例的复合调制器包括被置于马赫曾德干涉仪的路径(干涉臂)之一上的一个相位调制器和被置于另一条路径(另一条干涉臂)上的两个相位调制器。即，在图4中，第一光调制器132、第二光调制器133和第三光调制器134都是相位调制器。
3.1)配置
图11A是示出根据本发明第三示例性实施例的光发射机的示意配置的框图，图11B是示出根据该发射机的信号点的信号星座图。第三示例性实施例与图5A所示的第一示例性实施例的不同之处仅在于复合调制器401的配置，而其它电路都相同。因此，与图5A相同的电路元件被用与图5A相同的标号来表示，并且将省略对其的描述。
复合调制器401具有马赫曾德干涉仪的主要配置，并且包括输入侧Y分支431、被置于马赫曾德干涉臂之一上的相位调制器432、被置于另一条干涉臂上的相位调制器433和434、以及输出侧Y分支435。经复合调制器401调制的双脉冲被输出到光衰减器104。复合调制器401的相位调制器432、433和434分别利用驱动信号RFA、RFB和RFC来驱动。另外，在本示例性实施例中，假设在输出侧Y分支435处被组合的光被分支成两部分，其中之一被输出作为输出侧Y分支435的输出光。
3.2)操作
在以下描述中，为了简化起见，假设路径之间的光学路径之差被调整为使得：当驱动信号RFA的施加电压为0[V]时相位调制器432的输出光具有0相位，当驱动信号RFB的施加电压为0[V]时相位调制器433的输出光具有0相位，并且当驱动信号RFA、RFB和RFC的电压被设置在0[V]时复合调制器401的输出光具有最大强度。另外，假设用于引起π相位差的驱动电压(Vπ[V])在这些调制器之间是相同的。
图12是示出驱动电压和输出光强度/相位之间的关系的示意图，用以描述用于驱动在本发明第三示例性实施例中使用的复合调制器的方法。这里，为了简化说明，假设脉冲时间周期t1到t12中的每两个(t1&t2/t3&t4/...)对应于双脉冲的定时。在图12中，a)到c)分别示出了驱动信号RFA、RFB和RFC的波形；d)示意性地示出了输出光强度；e)示出了表示输出光强度的变化相对幅度的值；f)示出了表示双脉冲的变化输出光相位的值。但是，假设e)中的各个值表示输出光强度与进入复合调制器401的光脉冲的强度(＝1)的比率。
参考图12，在脉冲时间周期t1中，因为驱动信号RFA和RFB的电压被设置为0[V]并且驱动信号RFC的电压被设置在+Vπ/2[V]，所以相位调制器432的输出光具有0相位和1/2的强度，并且相位调制器434的输出光具有π/2的相位和1/2的强度。当来自这些调制器的光被组合时，输出侧Y分支435的输出光具有π/4的相位和1/2的强度。同样，在脉冲时间周期t2、t3、t5和t7的每一个中，因为与脉冲时间周期t1相似地执行调制，所以获得了具有π/4的相位和1/2的强度的输出光。
接下来，在脉冲时间周期t4中，驱动信号RFA、RFB和RFC的电压分别为+Vπ[V]、+Vπ[V]和+Vπ/2[V]。因此，相位调制器432的输出光具有π的相位和1/2的强度，并且相位调制器434的输出光具有3π/2的相位和1/2的强度。因此，当来自这些调制器的光被组合时，输出侧Y分支435的输出光具有5π/4的相位和1/2的强度。
在脉冲时间周期t6中，驱动信号RFA、RFB和RFC的电压分别为0[V]、+Vπ[V]和+Vπ/2[V]。因此，相位调制器432的输出光具有0相位和1/2的强度，并且相位调制器434的输出光具有3π/2的相位和1/2的强度。因此，当来自这些调制器的光被组合时，输出侧Y分支435的输出光具有7π/4的相位和1/2的强度。
在脉冲时间周期t8中，驱动信号RFA、RFB和RFC的电压分别为+Vπ[V]、0[V]和+Vπ/2[V]。因此，相位调制器432的输出光具有π的相位和1/2的强度，并且相位调制器434的输出光具有π/2相位和1/2的强度。因此，当来自这些调制器的光被组合时，输出侧Y分支435的输出光具有3π/4的相位和1/2的强度。
在脉冲时间周期t9和t12的每一个中，驱动信号RFA、RFB和RFC的电压分别为+Vπ[V]、0[V]和0[V]。因此，相位调制器432的输出光具有π的相位和1/2的强度，并且相位调制器434的输出光具有0相位和1/2的强度。因此，当来自这些调制器的光被组合时，输出侧Y分支435的输出光的强度变为零。
最后，在脉冲时间周期t10和t11的每一个中，驱动信号RFA、RFB和RFC的电压各自为0[V]。因此，相位调制器432的输出光具有0相位和1/2的强度，并且相位调制器434的输出光具有0相位和1/2的强度。因此，当来自这些调制器的光被组合时，输出侧Y分支435的输出光具有0相位和1的强度。
基于前述内容，在包括脉冲时间周期t1和t2的时间段T1中，因为双脉冲具有相同的强度并且还具有相同相位，所以这种状态对应于X基底中的“0”。在包括脉冲时间周期t3和t4的时间段T2中，因为双脉冲的强度相同但是相位相差180°(π)，所以这种状态对应于X基底中的“1”。
在包括脉冲时间段t5和t6的时间段T3中，因为双脉冲的强度相同但是相位相差270°(3π/2)，所以这种状态对应于Y基底中的“1”。在包括脉冲时间周期t7和t8的时间段T4中，因为双脉冲的强度相同但是相位相差90°(π/2)，所以这种状态对应于Y基底中的“0”。
在包括脉冲时间周期t9和t10的时间段T5以及包括脉冲时间周期t11和t12的时间段T6的每一个中，双脉冲之一被消除而另一个脉冲具有在X/Y基底被选择时的强度的两倍那么大的强度。因此，在时间段T5和T6中的状态对应于Z基底中的“0”和“1”。因此，可以实现如图4所示的强度上具有三个值(0、1/2、1)而相位上具有四个值(a＝π/4，b＝5π/4，c＝7π/4，d＝3π/4)的调制。
如上所述，使用三个驱动信号RFA、RFB和RFC，可以生成在X、Y和Z基底的每一个中的“0”和“1”。因此，可以通过选择这三个X、Y和Z基底中的任意两个来实现BB84协议。换而言之，如果随机地重复在时间段T1、T2、T3和T4中的调制，则可以实现四状态相位编码，该四状态相位编码符合根据方案A的接收机。在这种情况下，对于驱动信号RFC，并不需要高速信号，并且仅仅连续地偏置在+Vπ/2[V]就足够了。
此外，当随机地重复在时间段T1、T2、T5和T6中的调制并且图1B中的双输入、四输出PLC AMZ23的马赫曾德干涉仪的两条路径之间的相位差被设置在0或π时，可以实现符合根据方案B的接收机的双状态相位+双状态时间编码。
而且，当随机地重复在时间段T3、T4、T5和T6中的调制并且图1B中的双输入、四输出PLC AMZ23的马赫曾德干涉仪的两条路径之间的相位差被设置在π/2或者π3/2时，还可以实现符合根据方案B的接收机的双状态相位+双状态时间编码。当在IQ平面上绘制可以在本示例性实施例中准备的输出光状态时，它们如图11B所示。
2.3)效果
本发明的第三示例性实施例也可以实现与第一示例性实施例相似的效果。即，根据第三示例性实施例，同样可以配置能够与根据量子密码方案A和B的两种接收机通信的发射机。此外，可以防止由于光源之间的波长偏差而可能发生的安全性降低，这是在使用方案B时的问题。另外，根据第三示例性实施例的光发射机还具有高通用性、空间节省、和较低功耗的优点。
虽然在第三示例性实施例中使用PLC马赫曾德干涉仪作为用于在时间上分离和组合光脉冲的装置，但是本发明并不限于这个实施例。也可以通过使用另一种类型(例如，迈克尔逊类型)的干涉仪来配置类似发射机。
顺便提及，关于相位调制器433，可以在0和π之间改变输出光的相位而不改变其强度就足够了。因此，还可以利用如以下修改示例所示的马赫曾德强度干涉仪来替代相位调制器433。
3.4)修改示例
图13是示出根据本发明第三示例性实施例的修改示例的光发射机的示意配置的框图。这个修改示例与图11A所示的第三示例性实施例的不同之处仅在于复合调制器的第二相位调制器被替换成马赫曾德强度调制器，而其余电路相同。因此，与图11A相同的电路元件被用与图11A相同的标号来表示，并且将省略对其的描述。
复合调制器402具有马赫曾德干涉仪的主要配置，并且包括输入侧Y分支431、被置于马赫曾德干涉臂之一上的相位调制器432、被置于另一条干涉臂上的马赫曾德强度调制器436和相位调制器434、以及输出侧Y分支435。经复合调制器402调制的双脉冲被输出到光衰减器104。复合调制器402的相位调制器432、马赫曾德强度调制器436和相位调制器434分别利用驱动信号RFA、RFB和RFC来驱动。
关于马赫曾德强度调制器436，与图11A所示的相位调制器433的情况一样，可以在0和π之间改变输出光的相位而不改变其强度就足够了。因此，通过在-Vπ[V]和+Vπ[V]之间改变驱动信号RFB的电压可以执行等效调制。
4.本发明的各个方面
根据本发明的光发射机包括：生成光脉冲的光源、根据该光脉冲来生成在时间上被分割的双脉冲的双脉冲发生器、以及复合光调制器。复合光调制器包括：将双脉冲中的每一个分支为第一和第二路径的分支部分；被置于第一路径上的第一光调制器；被串联地置于第二路径上的第二和第三光调制器；以及组合部分，该组合部分将已经传播通过第一路径的双脉冲与已经传播通过第二路径的双脉冲组合起来以生成输出双脉冲。第一和第二光调制器各自对经过的双脉冲执行相对强度调制和相对相位调制中的任一个。第三光调制器对经过的双脉冲执行相对相位调制。因此，例如可以通过使用三个调制器来实现X、Y和Z基底的量子状态。
根据本发明的第一示例性实施例，在第三光调制器处的调制相位在0°和90°之间改变。第一和第二光调制器中的每一个都是具有预定传递曲线的马赫曾德强度调制器。第一光调制器的操作在传递曲线的最小点和传递曲线的第一操作点之间改变，并且第二光调制器的操作在传递曲线的最小点和传递曲线的第二操作点之间改变，其中，第一和第二操作点相对传递曲线的最小点对称地布置。
根据本发明的第二示例性实施例，在第三光调制器处的调制相位在0°和90°之间改变。第一光调制器是具有预定传递曲线的马赫曾德强度调制器，并且第二光调制器是光相位调制器。第一光调制器的操作在传递曲线的最小和最大点之间改变，并且在第二光调制器处的调制相位在0°和180°之间改变。
根据本发明的第三示例性实施例，在第三光调制器处的调制相位在0°和90°之间改变。第一和第二光调制器中的每一个是调制相位在0°和180°之间改变的光相位调制器。
根据本发明，当使用图1B所示的方案B时，可以防止由于四个光源之间的波长偏差而可能发生的安全性降低。这是因为例如X、Y和Z基底的量子状态是通过使用来自一个信号光源的光脉冲来生成的，因此由光源之间的个体差异造成的波长偏差不会发生。
此外，当配置高通用性的发射机时，可以实现空间节省和功率节省。这是因为与试图通过使用根据图1A所示的方案A的发射机配置来生成与通过使用图1B所示的方案B生成的X、Y和Z基底的量子状态相同的量子状态的情况相比，可以将所需调制器的数目减少一个。
注意，虽然在上述示例性实施例中已经作为一个示例来示出了用作量子密钥分配技术的BB84协议，但是本发明并不限于这种协议。例如，本发明也可以适用于6状态协议。
本发明适用于对光脉冲执行相位调制的类型的通用光调制器。例如，本发明可以被应用于利用单光子级别的光信号的量子密钥分配技术的发射机。
本发明可以在不脱离其精神或实质特性的情况下以其它具体形式来实现。因此，上述示例性实施例无论从哪一点来看都应当被视为是例示性的而非限制性的，本发明的范围由权利要求而非由以上描述来指示，并且在权利要求的含义和等同物范围内的所有改变因而都应当包括在此。

Claims (15)

1.一种光发射机，用于发射光脉冲，所述光发射机包括：
光源，用于生成光脉冲；
双脉冲发生器，用于根据光脉冲来生成双脉冲，其中，所述双脉冲在时间上被分成光脉冲对；
分支部分，用于将所述双脉冲中的每一个分支到第一路径和第二路径；
第一光调制器，该第一光调制器被设在所述第一路径上；
第二光调制器和第三光调制器，所述第二光调制器和第三光调制器被串联地设在所述第二路径上；以及
组合部分，用于对已经传播通过所述第一路径的双脉冲和已经传播通过所述第二路径的双脉冲进行组合以生成输出双脉冲；
其中，所述第一光调制器和所述第二光调制器中的每一个在经过的双脉冲之间或者执行相对强度调制或者执行相对相位调制，其中，所述第三光调制器在经过的双脉冲之间执行相对相位调制。
2.如权利要求1所述的光发射机，其中，所述第三光调制器在0°和90°之间切换其调制相位。
3.如权利要求1或2所述的光发射机，其中，所述第一光调制器和所述第二光调制器中的每一个均是具有预定传递曲线的马赫曾德光强度调制器。
4.如权利要求3所述的光发射机，其中，所述第一光调制器在所述传递曲线的最小点和第一操作点之间切换其操作点，并且所述第二光调制器在所述传递曲线的所述最小点和第二操作点之间切换其操作点，其中，所述第一操作点和所述第二操作点在所述传递曲线上相对于所述最小点呈对称地布置。
5.如权利要求1或2所述的光发射机，其中，所述第一光调制器是具有预定传递曲线的马赫曾德光强度调制器，而所述第二光调制器是光相位调制器。
6.如权利要求5所述的光发射机，其中，所述第一光调制器在所述传递曲线的最小点和最大点之间切换其工作点，并且所述第二光调制器在0°和180°之间切换其调制相位。
7.如权利要求1或2所述的光发射机，其中，所述第一光调制器和所述第二光调制器中的每一个均是光相位调制器。
8.如权利要求7所述的光发射机，其中，所述第一光调制器和所述第二光调制器中的每一个均在0°和180°之间切换其调制相位。
9.如权利要求1所述的光发射机，还包括用于衰减所述输出双脉冲的光强度的光衰减器。
10.一种量子密钥分配系统，该量子密钥分配系统使用如权利要求9所述的光发射机。
11.一种复合调制器的控制方法，所述复合调制器被构造为使得第一光调制器被连接在马赫曾德干涉仪的第一路径上，并且第二光调制器和第三光调制器被串联地连接在所述马赫曾德干涉仪的第二路径上，所述控制方法包括：
输入根据光脉冲生成的双脉冲，其中，所述双脉冲是时间上分离的光脉冲对；
所述第一光调制器和所述第二光调制器中的每一个在经过的所述双脉冲之间或者执行相对强度调制或者执行相对相位调制；以及
所述第三光调制器在经过的所述双脉冲之间执行相对相位调制。
12.如权利要求11所述的控制方法，其中，所述第三光调制器在0°和90°之间切换其调制相位。
13.如权利要求11或12所述的控制方法，其中，所述第一光调制器和所述第二光调制器中的每一个是具有预定传递曲线的马赫曾德光强度调制器，
其中，所述第一光调制器在所述传递曲线的最小点和第一操作点之间切换其操作点，并且所述第二光调制器在所述传递曲线的所述最小点和第二操作点之间切换其操作点，其中，所述第一操作点和所述第二操作点在所述传递曲线上相对于所述最小点呈对称地布置。
14.如权利要求11或12所述的控制方法，其中，所述第一光调制器是具有预定传递曲线的马赫曾德光强度调制器，并且所述第一光调制器在所述传递曲线的最小点和最大点之间切换其工作点，并且所述第二光调制器是光相位调制器，在0°和180°之间切换其调制相位。
15.如权利要求11或12所述的控制方法，其中，所述第一光调制器和所述第二光调制器中的每一个均是光相位调制器，其中，所述第一光调制器和所述第二光调制器中的每一个在0°和180°之间切换其调制相位。
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