CN103475425A - 基于法拉第-萨格奈克环的单光子源及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于量子保密通信类，具体涉及基于法拉第-萨格奈克环的单光子源及其实现方法，其特征在于：所述单光子源的系统包括激光器、环形器、检偏器，以及一由四端口光纤分束器、相位调制器以及法拉第旋转镜构成的法拉第-萨格奈克环，所述激光器输出的连续光经所述环形器耦合进入所述四端口光纤分束器，所述四端口光纤分束器将所述连续光分为两束幅度相等、相位相同的正交线偏振光，所述线偏振光沿所述法拉第-萨格奈克环相向传输并在不同时刻接受所述相位调制器的调制，经过调制的所述线偏振光在所述四端口光纤分束器内叠加后，经所述环形器耦合进入所述检偏器。本发明的优点是：所产生的光脉冲具有高消光比、窄光谱宽度，降低了光脉冲在长距离光纤中传输时的偏振色散。

Description

基于法拉第-萨格奈克环的单光子源及其实现方法
技术领域
本发明属于量子保密通信类，具体涉及基于法拉第-萨格奈克环的单光子源及其实现方法。
背景技术
量子保密通信的出现是保密通信领域的一次革命，相较于传统的基于算法复杂度的密钥分发方法，量子保密通信的安全性是由物理学基本原理所决定的。“量子态不可克隆原理”保证了在量子信道传输的信息只能有唯一的脚本；与此同时，“海森堡测不准原理”使得任何第三方的攻击与窃听都会破坏原有的信息，收发两端可以通过校验误码率发现窃听者的存在，确保传输信息的绝对安全。因此，与现行的保密通信方式相比，量子保密通信在应对未来可能出现的安全性攻击方面将展现巨大的优势，以其先天的保密特性在在国防、银行、电子商务等领域发挥巨大的作用。
量子保密通信以单光子为载体传输信息，单光子源是量子保密通信系统的重要模块。虽然实验上已经可以产生真正意义上的单光子，如金刚石NV色心发光等，但该方法所需仪器复杂、体积庞大，短期内无法应用在量子保密通信的实用化过程中。由于理想的单光子源制备复杂，目前，人们大都利用弱相干光源作为单光子源，具体通过将半导体激光器所产生的激光脉冲衰减至单光子水平实现。弱相干光源具有体积小、结构简单、脉冲重复频率可调等优点。但是弱相干光不是严格的单光子源，其光子数符合泊松分布，如目前通用的平均光子数为0.1的弱相干光，多光子脉冲在非空脉冲中所占的比例大约是5%，多光子脉冲可能会被第三方通过光子数分离攻击截获密文而不被通信双方发现，“诱骗态”的发明巧妙地解决了这个问题，使得这种光源可以应用在实际的量子保密通信中。
在量子保密通信系统中，为了保证更高的成码效率与更远的通信距离，要求单光子源具有窄脉冲宽度、窄光谱宽度、高消光比等特点。弱相干光源一般通过电脉冲信号对激光器进行直接调制获得，由于激光器工作在高速调制模式，所获得的输出光光谱宽度远大于连续模式的工作条件下。同时，该方法要求恒流源为激光器预置一定的偏置电流，然后将调制电流加载在激光器上，通过增益开关机制输出光脉冲信号。如果激光器不施加偏置电流，在高调制速率下，仅靠调制调电流无法获得相干激光输出，这是因为目前的宽带功率放大器驱动能力有限。偏置电流的施加意味着激光器在没有调制电流时，仍有自发辐射光输出，这会降低输出脉冲的消光比，进而增大量子保密通信系统接收端单光子探测器的误码率，降低系统的成码效率。另一方面，上述方案在保证一定消光比的情况下，要求所加载的偏置电流在激光器阈值电流之下。此时，激光器所发出的光有一部分为自发辐射光，由于自发辐射谱很宽，会增大输出激光的光谱宽度，这在长距离量子保密通信系统中会带来严重的色散问题，带来偏振变化不一致等情况。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了基于法拉第-萨格奈克环的单光子源及其实现方法，该方法利用窄线宽激光器产生连续激光，通过调制萨格奈克环内一对相向传输的正交偏振光的相位获得不同的相位差，由振动方向相互垂直的光波叠加原理，不同的相位差可以获得不同输出光偏振态，输出端利用检偏器的偏振选择特性产生脉冲光。该方法所产生的单光子信号具有高消光比、窄光谱宽度和宽重复频率调节范围等优点。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种基于法拉第-萨格奈克环的单光子源，其特征在于：所述单光子源的系统包括激光器、环形器、检偏器，以及一由四端口光纤分束器、相位调制器以及法拉第旋转镜构成的法拉第-萨格奈克环，所述激光器输出的连续光经所述环形器耦合进入所述四端口光纤分束器，所述四端口光纤分束器将所述连续光分为两束幅度相等、相位相同的正交线偏振光，所述线偏振光沿所述法拉第-萨格奈克环相向传输并在不同时刻接受所述相位调制器的调制，经过调制的所述线偏振光在所述四端口光纤分束器内叠加后，经所述环形器耦合进入所述检偏器。
所述连续光经由所述四端口光纤分束器分为两束所述正交线偏振光，是通过将所述四端口光纤分束器的输入端口的保偏尾纤慢轴与其内部的晶体S光成45°耦合。
所述激光器为处于连续输出模式的窄线宽半导体激光器，所述激光器的尾纤采用保偏光纤耦合输出并保证所述激光器输出的连续光的偏振态与所述保偏光纤的慢轴之间成平行。
所述保偏光纤可为熊猫光纤、椭圆光纤、领结光纤以及其它具有快轴和慢轴偏振保持效果的保偏光纤。
一种涉及上述的基于法拉第-萨格奈克环的单光子源的实现方法，其特征在于：所述方法至少包括以下步骤：
将所述窄线宽半导体激光器设置为连续输出模式使其输出连续光；
将所述连续光通过所述环形器与所述四端口光纤分束器的输入端口耦合，其中所述四端口光纤分束器将所述连续光分为两束幅度相等、相位相同的正交线偏振光；
两束所述正交线偏振光在所述法拉第-萨格奈克环中相向传输，并于不同时刻接受所述相位调制器的调制，其中所述相位调制器设置为由重复频率为f（周期为T）窄脉冲驱动，通过对长短两臂的光纤长度控制使两臂的群延时差为T/2；
所述线偏振光在所述四端口光纤分束器处耦合，此时从所述四端口光纤分束器输出的未经调制的光偏振态不变，仍沿保偏光纤慢轴传输；经过调制的偏振态改变90°，沿保偏光纤快轴传输；
从所述四端口光纤分束器输出的光经所述环形器耦合进入所述检偏器，且所述检偏器允许沿保偏光纤快轴传输的光透过，与之垂直的光全部被阻隔，由此产生重复频率为2f的光脉冲信号。
所述四端口光纤分束器是通过将其输入端口的保偏尾纤慢轴与其内部的晶体S光成45°耦合，以实现将所述激光器输出的连续光分为两束幅度相等、相位相同的正交线偏振光。
本发明的优点是：采用窄线宽半导体激光器且工作在连续模式，发射激光具有很窄的线宽，典型值<10KHz，降低了光脉冲在长距离光纤中传输时的偏振色散，所产生的光脉冲具有高消光比、窄光谱宽度。由于本方法规避了传统直接调制半导体激光器的偏置电流，利用光纤检偏器对偏振态受相位调制器调制的连续光进行滤波，能获得典型值为30dB的光脉冲消光比。整个系统除相位调制器均采用被动器件，无需外部调节便可自动工作，具有很强的抗干扰能力，且全部器件目前都已实现了光纤输出小型化，便于系统集成和且具有在复杂环境下工作的能力。目前市场上商售的相位调制器具有高达40Gbps的调制速率，使得该方案具有很宽的重复频率调节范围，适合于量子保密通信系统的未来的发展需要。 
附图说明
图1是本发明原理框图；
图2 是本发明中四端口PBS内部晶体光轴与尾纤光轴的关系图；
图3 是本发明中脉冲调制器加载波形与输出光相位、输出光强的关系图。
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1-8标记分别为：激光器1、保偏环形器2、检偏器3、四端口光纤分束器4、法拉第旋转镜5、保偏相位调制器6、保偏光纤7、单模光纤8。
实施例：如图1所示，本实施例中的单光子源系统由激光器1（保偏尾纤输出）、保偏环形器2、四端口光纤分束器3、保偏相位调制器6、检偏器3、法拉第旋转镜5、以及保偏光纤7和单模光纤8构成。激光器1输出连续光经保偏环形器2耦合进入四端口光纤分束器4，四端口光纤分束器4的输入端口的保偏尾纤慢轴与其内部晶体S光成45°耦合，使沿慢轴入射的线偏光经光纤分束器分成两束幅度相等、相位相同相向传输的正交线偏振光。顺时针传输的光与逆时针传输的光经过相同的路径，并在不同时刻接受保偏相位调制器6的调制。保偏相位调制器6由重复频率为f（周期为T）、脉冲宽度为                                                
Figure 201310318452X100002DEST_PATH_IMAGE001
、脉冲幅度为相位调制器半波电压的窄脉冲驱动，通过控制长短两臂的光纤长度使两臂的群延时差为T/2，从而产生调制频率为2f的光信号。从萨格奈克环输出的未经调制的光偏振态不变，沿光纤慢轴传输；经过调制的光偏振态改变90°，沿光纤快轴传输。由萨格奈克环输出的光经保偏环形器2耦合进入检偏器3，检偏器3允许沿光纤快轴传输的光透过，所以与之垂直的光全部被阻隔，由此产生重复频率为2f的光脉冲信号。
本实施例中所使用的光源即激光器1为窄线宽激光器并工作在连续模式，激光器由外置恒流源驱动，由于该方法所产生的激光未经调制，光谱宽度极窄，典型全半高宽（FWHM）小于10KHz。激光器1尾纤采用保偏光纤耦合输出并保证激光偏振态与保偏光纤的慢轴平行。
连续激光通过保偏环形器2耦合进入萨格奈克环，萨格奈克环由四端口光纤分束器4（PBS）、单波导保偏相位调制器6、法拉第旋转镜5和保偏光纤7组成。四端口光纤分束器4采用尾纤输出，端口保偏光纤的快、慢轴与四端口光纤分束器的内部晶体S光/P光配置关系如图2所示：输入端（1端口）处保偏光纤7的快轴（慢轴）与四端口光纤分束器4的内部晶体S光45°耦合， 1端口进光时3端口处的单模光纤8出光与P光（黑色圆圈）平行，2端口处的保偏光纤慢轴与S光（黑色短线）平行（如图2实线所示）；4端口进光时2端口处的保偏光纤慢轴与P光垂直，3端口单模光纤出光与S光垂直（如图2虚线所示）。
端口1输入的沿保偏光纤7慢轴传输的线偏振光经四端口光纤分束器4之后分成两束幅度、相位相同的正交线偏振光。由于萨格奈克环结构的互易性和法拉第旋转镜5的偏振旋转特性，两束光沿着相同的路径反向传输。其中3端口输出线偏光经过一段单模光纤进入法拉第旋转镜，法拉第旋转镜将入射光偏振态旋转90°并沿原路返回，由于进入法拉第旋转镜5与从法拉第旋转镜5出来的光所走路径相同，该短光路实现了偏振自动补偿。沿3端口返回的光偏振态旋转了90°，经过四端口光纤分束器4后将由4端口输出沿萨格奈克环逆时针传播，经保偏相位调制器6时接受调制，返回四端口光纤分束器4。2端口输出线偏光沿萨格奈克环顺时针传播，经过保偏相位调制器6时接受调制，随后沿萨格奈克环传播一周后，由四端口进入四端口光纤分束器4，由3端口出射，偏振态经法拉第旋转镜5旋转90°后返回四端口光纤分束器4。两路正交偏振光经过了相同的路径后，在PBS端口1处叠加，合成光偏振态有其相位差决定。
由于萨格奈克环的互易性和法拉第旋转镜5的偏振旋转特性，两路相向传输的线偏振光经过相同的路径并且偏振态各自旋转了90°从1端口叠加。其中经过保偏相位调制器6调制的光具有π或者-π的相位差，未经调制的的光相位相同。由振动方向相互垂直的光波叠加原理，当两路正交偏振光相位差为0时，合成光的偏振态为线偏光；当正交偏振光相位差为π时，合成光的偏振态仍为线偏光，但偏振方向相对相位差为0时旋转了90°。当相位调制器施加重复频率为f（周期为T）、脉冲宽度为
Figure 495465DEST_PATH_IMAGE002
、调制幅度为半波电压Vπ的调制脉冲，则两束反向光受到相同的相位调制但不同时，其时延为PBS出射两路光到相位调制器的群传输延时差：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
                                                       （1）
式中，n为光纤折射率，L为长短臂之差，c为真空中的光速。发明中，控制长短臂的光纤长度差使得
Figure 412605DEST_PATH_IMAGE004
，则可以得到重复频率为2f的脉冲光输出。图3展示了当调制器加载幅度为半波电压的脉冲电压时，光相位和输出偏振态的变化。（a）图中B和A分别代表了顺时针方向传播（实线）和逆时针方向传播的光的相位变化。（b）图中C代表了经过萨格奈克环传输一周后出射正交偏振态的相位差ΔФ，表述如（2）-（4）：
                                                    （2）
                                       （3）
Figure DEST_PATH_IMAGE007
（c）图中D代表了经过检偏器输出的脉冲波形图，当正交偏振态的相位差为π或者-π时，有光输出，当相位差为0时，没有光输出，由此产生重复频率为2f的脉冲光。
本实施例中检偏器输入尾纤采用保偏光纤，输出端根据需要采用保偏光纤7和单模光纤8均可。检偏器3允许与保偏光纤7快轴平行的偏振光输出，对于与保偏光纤7慢轴平行的线偏光以很高的消光比阻隔。
发明中涉及的保偏光纤可由熊猫光纤、椭圆光纤、领结光纤等构成，其它具有快轴和慢轴偏振保持效果的保偏光纤也可。

Claims (6)

1.一种基于法拉第-萨格奈克环的单光子源，其特征在于：所述单光子源的系统包括激光器、环形器、检偏器，以及一由四端口光纤分束器、相位调制器以及法拉第旋转镜构成的法拉第-萨格奈克环，其中所述激光器输出的连续光经所述环形器耦合进入所述四端口光纤分束器，所述四端口光纤分束器将所述连续光分为两束幅度相等、相位相同的正交线偏振光，所述线偏振光沿所述法拉第-萨格奈克环相向传输并在不同时刻接受所述相位调制器的调制，经过调制的所述线偏振光在所述四端口光纤分束器内叠加后，经所述环形器耦合进入所述检偏器。
2.根据权利要求1所述的一种基于法拉第-萨格奈克环的单光子源，其特征在于：所述连续光经由所述四端口光纤分束器分为两束所述正交线偏振光，是通过将所述四端口光纤分束器的输入端口的保偏尾纤慢轴与其内部的晶体S光成45°耦合。
3.根据权利要求1所述的一种基于法拉第-萨格奈克环的单光子源，其特征在于：所述激光器为处于连续输出模式的窄线宽半导体激光器，所述激光器的尾纤采用保偏光纤耦合输出并保证所述激光器输出的连续光的偏振态与所述保偏光纤的慢轴之间成平行。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于法拉第-萨格奈克环的单光子源，其特征在于：所述保偏光纤可为熊猫光纤、椭圆光纤、领结光纤以及其它具有快轴和慢轴偏振保持效果的保偏光纤。
5.一种涉及权利要求1-4所述的基于法拉第-萨格奈克环的单光子源的实现方法，其特征在于：所述方法至少包括以下步骤：
将所述窄线宽半导体激光器设置为连续输出模式使其输出连续光；
将所述连续光通过所述环形器与所述四端口光纤分束器的输入端口耦合，其中所述四端口光纤分束器将所述连续光分为两束幅度相等、相位相同的正交线偏振光；
两束所述正交线偏振光在所述法拉第-萨格奈克环中相向传输，并于不同时刻接受所述相位调制器的调制，其中所述相位调制器设置为由重复频率为f（周期为T）窄脉冲驱动，通过对长短两臂的光纤长度控制使两臂的群延时差为T/2；
所述线偏振光在所述四端口光纤分束器处耦合，此时从所述四端口光纤分束器输出的未经调制的光偏振态不变，仍沿光纤慢轴传输；经过调制的偏振态改变90°，沿光纤快轴传输；
从所述四端口光纤分束器输出的光经所述环形器耦合进入所述检偏器，且所述检偏器允许沿保偏光纤快轴传输的光透过，与之垂直的光全部被阻隔，由此产生重复频率为2f的光脉冲信号。
6.根据权利要求5所述的一种基于法拉第-萨格奈克环的单光子源的实现方法，其特征在于：所述四端口光纤分束器是通过将其输入端口的保偏尾纤慢轴与其内部的晶体S光成45°耦合，以实现将所述激光器输出的连续光分为两束幅度相等、相位相同的正交线偏振光。
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