CN101403824A - 适用于量子保密通信的实时偏振控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及量子保密通信类，具体涉及一种适用于量子保密通信的实时偏振控制方法，该方法首先在发出的信号光与参考光之间引入一固定的延迟差，在完成单光子信号探测时，对参考光和信号光实现区别探测，之后单光子探测器获得的光子计数，通过数据采集卡送到电脑，通过电脑对参考光的偏振进行分析，并计算出合适的反馈值，通过采集卡输出一模拟电压，通过电压放大后驱动偏振控制器，从而实现反馈控制，其优点是，结构简单，通过对参考光的实时监控，实现了信号光偏振的长期稳定，利用了探测门的时间不同，保证了参考光不会对信号光成码产生影响，有效和及时的对信号光偏振进行控制，提高偏振稳定质量。

Description

适用于量子保密通信的实时偏振控制方法

技术领域

本发明涉及量子保密通信类，具体涉及的是利用时分复用技术实现对单光子的偏振进行监控，在此技术的基础上可以实现实时稳定的量子保密通信系统。

背景技术

量子保密通信是基于光量子的通信，信息加载于单光子上，并由单光子进行传输，未知量子态是不可克隆的，测量量子会改变量子态，这样窃听者就不可能得到信息而不被发现，从而保证了信息交互的绝对安全。

量子保密通信的信息载体是单光子，对单光子的编码可以采用偏振编码的方式，这种方式所使用的编码器件具有较少的插入损耗，而且与相位编码相比，不需要对光程进行精密控制，结构简单。但是偏振编码面临的一个主要困难在于，在光纤系统中，由于光纤的制造工艺限制，不可能保证绝对的圆对称性，而且随着外界环境，比如温度和应力的变化都会导致光纤发生形变，这种形变会引入额外的双折射，从而导致偏振态发生改变，这种改变是随机的，如果不加以控制，将会使解码完全不能工作。

在经典的光通信中同样面临这个问题，通常的解决办法是牺牲一部分的光强，在信号光中分一部分出来用作反馈控制，但是这种方式显然不适合于量子通信，因为单光子不可再分，而且单光子水平的光强也根本无法被普通探测器响应。

解决这个问题的办法之一，是加入“中断”控制，即定期的停止单光子通信，转而用较强的光进行通讯，并以此为反馈信号控制偏振，当偏振调节完成以后，在切换回正常的通信状态，继续密钥生成。这种方式是以损失成码效率为代价的，而且无法实现对单光子偏振态的实时监控，具有一定的滞后性---可能偏振已经变差了，但是却必须等到下一个“中断”来临时，才能进行控制。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种适用于量子保密通信的实时偏振控制方法，该方法利用时分复用的方法将参考光和信号光在时域上分开，并通过单光子探测器不同的门延迟将两者分别探测，通过对参考光的控制，实现对单光子信号的实时偏振控制。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种适用于量子保密通信的实时偏振控制方法，其特征在于该方法首先在发出的信号光与参考光之间引入一同定的延迟差，在完成单光子信号探测时，对参考光和信号光实现区别探测，之后单光子探测器获得的光子计数，通过数据采集卡送到电脑，通过电脑对参考光的偏振进行分析，并计算出合适的反馈值，通过采集卡输出一模拟电压，通过电压放大后驱动偏振控制器，从而实现反馈控制。

延迟差的引入是将半导体激光器发出的脉冲光序列通过一个不等臂长的MZ干涉仪，从而在参考光和信号光之间引入一固定的延迟差。

所述的区别探测指的是单光子探测器工作在门脉冲模式，使用不同的门脉冲延迟，对应所述的延迟差，从而实现对参考光和信号光的区别探测。

本发明的优点是，利用时分复用的方法，通过对参考光的实时监控，实现了信号光偏振的长期稳定，这种方式结构简单，并且利用了探测门的时间不同，保证了参考光不会对信号光成码产生影响。对参考光的不间断监控可以更有效和及时的对信号光偏振进行控制，提高偏振稳定质量。利用这一技术，实现了无中断的长期稳定运行的偏振编码量子保密通信系统。

附图说明

附图1为本发明实时偏振控制装置示意图；

附图2为本发明实时偏振控制时序图；

附图3为本发明偏振控制程序流程图；

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-3所示，图中符号分别表示：半导体激光器LD、光纤耦合器C1、衰减器Attn1、衰减器Attn2、光纤耦合器C2、偏振分束器PBS1、手动偏振控制器PC、电压放大器AMP、电动偏振控制器EPC、偏振分束器PBS2、耦合器C3、耦合器C4、探测器D1、D2、D3、D4。

本实施例将半导体激光器发出的脉冲光序列通过一个不等臂长的MZ干涉仪，在参考光和信号光之间引入一固定的延迟差；单光子探测器工作在门脉冲模式，使用不同的门脉冲延迟，对应1中的延迟差，实现对参考光和信号光的区别探测；单光子探测器获得的光子计数，通过数据采集卡送到电脑，并由在Labview平台下编写的程序对参考光的偏振进行分析，并计算出合适的反馈值，通过采集卡输出一模拟电压，通过电压放大后驱动偏振控制器，从而实现反馈控制。

如图1所示，半导体激光器LD发出的频率为1MHz的脉冲光序列，经过光纤耦合器C1后进入MZ干涉仪，将通过干涉仪上路的光定义为信号光，将通过干涉仪下路的光定义为参考光光，干涉仪的上路比下路短10m，因此在参考光和信号光之间引入了约50ns的固定延迟。信号光通过衰减器Attn1后平均光子数降为0.1光子/脉冲，这是为了量子保密通信安全性的需要，参考光通过衰减器Attn2后平均光子数降为约10光子/脉冲，参考光的能量较高是为了在探测时能获得更多的计数，从而减少由于暗计数引起的测量误差，两路信号通过光纤耦合器C2后合束。偏振分束器PBS1的作用是使参考光和信号光具有相同的初始偏振，从而保证两者在经过长距离光纤后偏振的变化相同。

在探测端，光脉冲经过偏振分束器PBS2检偏后，按照其偏振态分为垂直分量(上路)和水平分量(下路)，两路光分别被耦合器C3和C4均分为两份。探测器D1和D3负责探测信号光，D2和D4负责探测参考光，实现对两者的区别探测并没有使用任何专门的解复用器件，而是利用单光子探测器的门探测模式，即只有当光脉冲出现在探溅门脉冲以内时，才会产生计数，由于在参考光和信号光中存在50ns的延迟，因此只需在探测器上分别调节到相应的门脉冲延迟，即可以实现对参考光和信号光的区别探测。这种探测方法的时序关系由图2所示。

实现这种区别探测也可以采用主动调制的方法，即通过两个有时延差的电脉冲驱动激光器，这种方式对驱动电路和激光器带宽有一定要求；另外探测端也可以让单光子探测器工作在连续模式，在数据分析中通过“软门”实现对信号的区别探测。但是相比之下，这些方法都不如本文所采用的方法简单有效。

本实施例反馈控制的流程如下：

本实施例实时偏振控制的基本原理是通过监控参考光的偏振态实现对信号光偏振态的控制。探测器将参考光的光子计数通过数据采集卡NI6251送到计算机，并通过在Labview平台下编写的反馈控制程序对参考光的偏振态进行分析，按照分析结果给出相应的模拟电压偏移量，经过电压放大器AMP后驱动电动偏振控制器EPC(PolaRATE-II，General Photonic.co.)。通过电动偏振控制器EPC内的压电陶瓷，从不同角度挤压光纤，即可以引入不同的双折射，通过这样的环路即可以实现偏振稳定控制。

反馈控制程序的具体思想如下：探测器D2和D4的光子计数分别表征了参考光的垂直偏振分量和水平偏振分量的大小，假设初始偏振态为水平线偏振，那么偏振控制的目的，就是使D2的计数最小，D4的计数最大，我们把D2计数/D4计数定义为偏振对比度P，P越小则参考光越近似于水平线偏振。在每一个控制周期内，控制程序给出一个模拟电压驱动EPC，然后通过接收到的D2和D4的计数得到P值，并与上一次的控制周期得到的P值比较，如果P值减小，则说明程序给出的模拟电压偏移量方向是正确的，可继续进行此方向的调整尝试；如果P值增加，则需要改变电压偏移量的方向。

我们使用的偏振控制器内部由挤压方向互成45度排列的三个压电陶瓷组成，分别对应三个驱动电压，由邦加球理论可知，这样的构造可以等同于一个全波片，可以将输入偏振态调节至任意偏振态，根据反馈信号的变化情况及时调节压电陶瓷的驱动电压，从而达到稳定偏振态的目的。控制阈值和电压步长可以通过程序设定，控制阈值决定了何时启动偏振调节程序，因为实现了对偏振态的实时检测，当偏振对比度高出控制阈值时就开始偏振调节。对于电压步长，由于需要实时稳定，并且参考光的计数比较多，所以一般选用较小的步长就可以观察到偏振变化，同时也保证了偏振态不会远离最佳偏振态。

需要指出的是，在长期的稳定过程中，EPC的驱动电压可能超出工作电压，进而对压电陶瓷造成损坏，这时需要对EPC进行复位操作，即在当前电压值基础上加减(依照当前电压处在EPC工作电压范围的下限或者上限)一个半波电压。所使用的EPC，其三个光纤挤压器的半波电压分别为52.2V，49.0V，51.3V。加减半波电压的操作不会引起偏振态的变化，因此保证了偏振控制的稳定运行。

由于参考光和信号光具有相同的波长和初始偏振态，因此只要控制了参考光的偏振态，即可以保证信号光的偏振稳定。

本发明的特点在于：将信号光的一部分通过光纤耦合器分出来用作参考光，并将两者在时域上复用。在接收端利用单光子探测器的门脉冲探测模式，调整门脉冲延迟，即可实现对参考光的单独探测。整个复用解复用过程没有使用任何主动调制器件，结构简单。并利用反馈控制环路稳定参考光的偏振，从而实现了对单光子信号脉冲偏振的实时监测和控制。利用这项技术可以实现无中断的偏振编码量子保密通信，有效的提高成码效率，增加系统稳定性。

Claims (3)

1.一种适用于量子保密通信的实时偏振控制方法，其特征在于该方法首先在发出的信号光与参考光之间引入一固定的延迟差，在完成单光子信号探测时，对参考光和信号光实现区别探测，之后单光子探测器获得的光子计数，通过数据采集卡送到电脑，通过电脑对参考光的偏振进行分析，并计算出合适的反馈值，通过采集卡输出一模拟电压，通过电压放大后驱动偏振控制器，从而实现反馈控制。

2.根据权利要求1所述的一种适用于量子保密通信的实时偏振控制方法，其特征在于延迟差的引入是将半导体激光器发出的脉冲光序列通过一个不等臂长的MZ干涉仪，从而在参考光和信号光之间引入一固定的延迟差。

3.根据权利要求1所述的一种适用于量子保密通信的实时偏振控制方法，其特征在于所述的区别探测指的是单光子探测器工作在门脉冲模式，使用不同的门脉冲延迟，对应所述的延迟差，从而实现对参考光和信号光的区别探测。

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