CN103618598A - 高速偏振编码的诱骗态量子光源制备方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速偏振编码的诱骗态量子光源制备方法及装置，其装置包括高速逻辑控制芯片、诱骗态光脉冲驱动模块、高速相位调制器驱动模块、激光二极管、高速相位调制偏振旋转模块及光衰减器，其中，所述诱骗态光脉冲驱动模块接收来自高速逻辑控制芯片的控制信号，依据诱骗态量子光源实施方案的比例要求随机调制产生三种脉冲幅度的诱骗态电脉冲信号，驱动所述激光二极管输出三种光强的诱骗态光脉冲，所述诱骗态光脉冲信号经高速相位调制偏振旋转模块由高速相位调制器随机调制出“线偏基”与“圆偏基”共四种偏振态，再经光衰减器衰减至单光子水平。本发明能够高速率随机调制产生三种平均光子数强度、四种偏振态共九种量子态中的任意一种，体积小、结构紧凑、易于集成并有效提高安全等级。

Description

高速偏振编码的诱骗态量子光源制备方法及装置

技术领域

本发明属于量子密钥分发类，具体涉及一种适用于高速偏振编码的量子密钥分发（QKD）系统的诱骗量子态的制备，即高速偏振编码的诱骗态量子光源制备方法及装置。

背景技术

量子密码术源于1984年Bennett 与 Brassard所提出“BB84协议”，相较于传统基于算法复杂度的加密方式，量子密钥分发（Quantum Key Distribution, QKD）的安全性是由物理学基本原理所保证的，因而是无法被破解的绝对安全的通信方式。现有主流的QKD系统主要有以下三种方案构成：基于“plug & play”的相位编码的QKD方案、基于偏振编码的QKD方案和基于纠缠光子对的QKD方案。基于纠缠光子对的QKD方案目前还在实验研究阶段，距离实用化的应用实施还有一段距离。基于“plug & play”的相位编码QKD方案因其系统结构具有偏振补偿的优势；但是，由于量子态光源与单光子探测器均在通信的一方，信息加载时序受限于单光子探测器的时间抖动，该方案不适用于超过吉赫兹的高速QKD。基于偏振编码的QKD方案光源与单光子探测器分别处在通信两端，属于端到端的通信，因而不存在“plug & play”相位编码QKD方案的时间控制上限，适合于高速量子密钥分发。

虽然基于偏振编码的QKD方案通信速率可以达到吉赫兹以上，但是该方案在截至目前的技术实施尚需很多主动控制元件，控制难度大，也缺乏高速偏振编码模块。近年来，单光子探测技术快速发展，例如，基于最近提出的自平衡探测方法或正弦门探测技术，近红外单光子探测器的探测速率已经提升到高于2GHz，基本达到InGaAs雪崩二极管的响应光子的速度极限。在吉赫兹高速单光子探测技术不断提升的情况下，人们亟需实现能够达到同等速率的量子编码解决方案，以提高量子密码的成码率。

单光子源是QKD系统的重要组成部分，通信双方要将密文加载到单光子的相位或偏振信息上。目前，真正的单光子源距离工程化实施还有很长的距离，现阶段实验与实用化工程实施过程中使用的大都是经过衰减的弱相干光源，该光源采用现有通信系统非常成熟的半导体激光二极管，具有成本低、体积小、易于集成等特点。但是，由于该光源不是理想的单光子源，每一个光子脉冲中存在一定的多光子概率，而实际的（非理想）量子信道存在一定的光子损耗，窃听者通过光子数分离攻击（PNS攻击）方法实施不被发现的窃听。为杜绝这一安全漏洞，科学家们提出了诱骗态量子编码方案，使得弱相干光源同样可以用于无安全漏洞的QKD。诱骗态方案要求发送端以特定比例 (具体根据计数统计涨落优化设计)随机产生每脉冲平均光子数为μ=0、μ=0.2、μ=0.6的光脉冲信号；其中，μ=0对应零光子态，μ=0.6对应信号态，μ=0.2对应诱骗态。该方案要求，信号态光脉冲与诱骗态光脉冲除平均光子数有差别外，其他特征参数均完全相同。现有系统中通常利用两个激光二极管来分别产生信号态和诱骗态，由于采用了两个激光二极管，所发射的光信号中心波长、光谱宽度、脉冲宽度等光学特征参数很难保持一致，攻击者便可以借助于该不一致性区分信号态与诱骗态，因而存在安全漏洞。另一方面，中心波长与光谱宽度的不一致性会导致光信号在长距离光纤传输中存在偏振色散，降低接受端单光子探测器的探测效率，进而降低系统成码效率。

偏振编码QKD方案采用四个激光二极管加上四个起偏器进行编码，调制产生一对“线偏基”（45°线偏光与135°线偏光）与一对“圆偏基”（左旋圆偏光与右旋圆偏光），接受端再利用相应的偏振基解码，由此完成信息的传递。这里同样要使用四个激光二极管来产生四个偏振态，中心波长与光谱宽度不一致的缺点再一次凸显出来。结合诱骗态方案，系统共需要八个激光二极管，这无疑增加了系统的复杂度，降低了系统紧凑程度，不利于QKD系统的工程化集成。

如何实现高速的诱骗态量子编码是当前QKD技术向高速高成码效率发展的关键。 

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提出的一种适用于高速偏振编码QKD系统的诱骗量子态的制备，即高速偏振编码的诱骗态量子光源制备方法及装置，其解决了高速系统中存在的诱骗态信号产生、偏振态随机调制、高速窄脉冲产生、高速射频电脉冲耦合、系统时序逻辑控制等技术难题。

本发明的目的是这样实现的：

一种高速偏振编码的诱骗态量子光源制备方法，该方法包括以下具体步骤：

a）诱骗态光脉冲产生 

由高速逻辑控制芯片产生2 bit真随机信号，依据诱骗态量子光源实施方案的比例要求随机调制产生三种脉冲幅度的诱骗态电脉冲信号，并耦合成一路，再经过放大、直接对激光二极管进行强度调制，随机产生以下三种状态的光脉冲信号：空脉冲、每脉冲光强度比例1:3的光脉冲信号。

b）“线偏基”与“圆偏基”制备   

对步骤a）的诱骗态光脉冲信号通过光学器件控制分为两路幅度相等、初始相位相同的正交线偏振光，分别称为“A光”、“B光”，其中仅对“A光”进行调制，调制由四种不同幅度的电脉冲信号驱动，使得“A光”随机产生0、π/2、π、3π/2四种不同的相移，随后“A光”与“B光”经过相同长度的光学路径后叠加，叠加后得到“线偏基”与“圆偏基”共四种偏振态；

c）高速相位调制器驱动信号控制

对步骤b)中的四种不同幅度的电脉冲信号和诱骗态光脉冲信号的波形和控制时序作如下约束：要求所述诱骗态光脉冲信号调制到所述四种不同幅度的电脉冲信号的“平顶”居中位置，所述四种不同幅度的电脉冲信号“顶宽”大于所述诱骗态光脉冲信号“底宽”，所述四种不同幅度的电脉冲信号“底宽”小于所述诱骗态光脉冲信号周期与诱骗态光脉冲信号“底宽”的差值，保证高速相位调制器只对所述“A光”进行完全调制；

d）光信号强度衰减

“线偏基”与“圆偏基”产生三种光脉冲强度、四种偏振态共九种光脉冲信号，通过光纤衰减器后将量子态光信号中所包含的的平均光子数衰减至单光子水平，将步骤a）中强度比例为1:3的光脉冲衰减至每脉冲平均光子数为μ=0.2和μ=0.6，制备出三种光脉冲强度、四种偏振态共计9种量子态。

一种高速偏振编码的诱骗态量子光源产生装置，该装置包括高速逻辑控制芯片、诱骗态光脉冲驱动模块、高速相位调制器驱动模块、激光二极管、高速相位调制偏振旋转模块及光衰减器，所述高速逻辑控制芯片一路连接诱骗态光脉冲驱动模块，一路连接高速相位调制器驱动模块，诱骗态光脉冲驱动模块连接激光二极管，激光二极管输出光信号通过光纤连接高速相位调制偏振旋转模块，高速相位调制器驱动模块连接高速相位调制偏振旋转模块，高速相位调制偏振旋转模块连接光衰减器；其中，高速逻辑控制芯片为控制核心，诱骗态光脉冲驱动模块接收来自高速逻辑控制模块的控制信号，依据诱骗态量子光源实施方案的比例要求随机调制产生三种脉冲幅度的诱骗态电脉冲信号，驱动激光二极管输出三种光强的诱骗态光脉冲，诱骗态光脉冲信号经高速相位调制偏振旋转模块中的高速相位调制器随机调制出“线偏基”与“圆偏基”共四种偏振态，高速相位调制器由高速相位调制器驱动模块驱动，再经光衰减器将每脉冲光子数衰减至单光子水平产生三种光功率强度，四种偏振态共九种量子态。

所述诱骗态光脉冲驱动模块包括高速真随机数拓展模块和诱骗态电脉冲产生模块，所述高速真随机数拓展模块连接诱骗态电脉冲产生模块，诱骗态电脉冲产生模块接收高速真随机数拓展模块产生的真随机数信号，依据诱骗态量子光源实施方案的比例要求随机产生脉冲幅度不同的三种电脉冲信号，驱动激光二极管进行三种强度的直接调制，并由激光二极管输出三种状态的光脉冲信号：空脉冲、每脉冲光强度比例1:3的光脉冲信号。

所述诱骗态电脉冲产生模块由第一电脉冲产生模块、第二电脉冲产生模块、宽带功率合成器和RF级联驱动器构成，所述第一电脉冲产生模块与第二电脉冲产生模块随机产生两种不同幅度的窄电脉冲信号或者均不输出电脉冲信号，经宽带功率合成器耦合为一路再经RF级联驱动器放大后输出。

所述高速相位调制器驱动模块由高速真随机数拓展模块和四态随机电脉冲产生模块构成，所述高速真随机数拓展模块连接四态随机电脉冲产生模块，所述四态随机电脉冲产生模块接收高速随机数拓展模块产生的真随机数信号，依据相位调制偏振旋转光路的要求输出脉冲幅度不同的四种电脉冲信号，驱动高速相位调制器进行四种相位的直接调制。

所述高速相位调制偏振旋转模块由高速相位调制器和相位调制偏振旋转光路构成，所述高速相位调制器通过光纤与相位调制偏振旋转光路相连，相位调制偏振旋转光路接收激光二极管输出的诱骗态光脉冲信号，通过光学控制器件分为两路幅度相等、初始相位相同的正交线偏振光分别称为“A光”、“B光”，其中仅“A光”接受高速相位调制器的调制；其高速相位调制器由高速相位调制器驱动模块驱动，调制所述“A光”产生四种不同的相移，所述“A光”与“B光”经过相同长度的光学路径后在相位调制偏振旋转光路出口叠加，叠加后随机输出“线偏基”与“圆偏基”共四种偏振态。

所述相位调制偏振旋转光路为基于法拉第-萨格奈克环的结构或者“Plug & Play”结构，能将输入光进行偏振控制并分为两路振幅相等、初始相位相同的正交线偏振光；能够保证两路光在输出口叠加时通过相同长度的光学路径；高速相位调制器仅对相位调制偏振旋转光路中“A光”进行调制，对“B光”不调制。                      

所述四态随机电脉冲产生模块由四个电脉冲产生模块、宽带功率合成器和RF级联驱动器构成，所述四个电脉冲产生模块随机产生四种不同幅度的矩形电脉冲信号，经宽带功率合成器耦合为一路再经RF级联驱动器放大后输出。

所述电脉冲产生模块包括幅度稳定控制模块、时钟校准模块、短脉冲产生模块、脉冲幅度控制模块和数字控制模块，所述幅度稳定控制模块将高速真随机数拓展模块的输出数字信号进行幅度稳定控制并输出幅度恒定的信号，再经时钟校准模块精密对准延时，并由短脉冲产生模块依据应用要求产生窄脉冲信号或者矩形脉冲信号，最后经脉冲幅度控制模块对所述脉冲信号进行幅度的连续控制，数字控制模块产生控制信号对前述的模块自动化控制。

所述高速相位调制器的驱动信号要求为：光脉冲调制到电脉冲“平顶”居中位置，电脉冲“顶宽”大于光脉冲“底宽”，电脉冲“底宽”小于光脉冲周期与光脉冲“底宽”的差值。 

本发明的结构设计确保仅需一个激光二极管便可以高达吉赫兹或更高的速率随机调制产生三种平均光子数强度、四种偏振态共九种量子态中的任意一种，且不同量子态中心波长、光谱宽度、脉冲宽度等光学特性均具有一致性。其体积小、结构紧凑、易于集成。相较于传统方案中利用八个激光二极管产生九种量子态的方案，本发明解决了长期困扰偏振编码QKD系统中的不同量子态中心波长、光谱宽度、脉冲宽度等光学特性不一致的难题，有效规避了QKD系统未来可能存在的基于上述不一致性的量子攻击，提高了系统安全等级。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明诱骗态电脉冲产生模块结构示意图；

图3为本发明基于法拉第-萨格奈克(Faraday-Sagnac)环结构的相位调制偏振旋转光路结构示意图； 

图4为本发明基于“Plug & Play”结构的相位调制偏振旋转光路结构示意图； 

图5为本发明四态随机电脉冲产生模块结构示意图；

图6为本发明电脉冲产生模块结构示意图；

图7为本发明高速相位调制器驱动电脉冲时序关系图；

图8为本发明高速相位调制器调制光脉冲与驱动电脉冲参数图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解。

实施例

参阅图1，本发明装置包括高速逻辑控制芯片、诱骗态光脉冲驱动模块、高速相位调制器驱动模块、激光二极管、高速相位调制偏振旋转模块及光衰减器，所述高速逻辑控制芯片一路连接诱骗态光脉冲驱动模块，一路连接高速相位调制器驱动模块，诱骗态光脉冲驱动模块连接激光二极管，激光二极管输出光信号通过光纤连接高速相位调制偏振旋转模块，高速相位调制器驱动模块连接高速相位调制偏振旋转模块，高速相位调制偏振旋转模块连接光衰减器；其中所述诱骗态光脉冲驱动模块接收来自高速逻辑控制芯片的控制信号，依据诱骗态量子光源实施方案的比例要求随机调制产生三种脉冲幅度的诱骗态电脉冲信号，驱动所述激光二极管输出三种光强的诱骗态光脉冲，所述诱骗态光脉冲信号经高速相位调制偏振旋转模块由高速相位调制器随机调制出“线偏基”（45°线偏振态和135°线偏振态）与“圆偏基”（左旋圆偏光和右旋圆偏光）共四种偏振态，再经光衰减器衰减至单光子水平即可制备三种光功率强度，四种偏振态共九种量子态中的任意一种。

参阅图1-8，本发明具体实施包括如下步骤：

①诱骗态光脉冲产生：如图1所示，诱骗态光脉冲驱动模块包括高速真随机数拓展模块和诱骗态电脉冲产生模块，所述诱骗态电脉冲产生模块接收高速真随机数拓展模块产生的2 bit真随机信号，依据诱骗态量子光源实施方案的比例要求随机产生脉冲幅度不同的3种电脉冲信号并耦合成一路输出，再经过RF级联驱动器放大驱动激光二极管进行三种强度的直接调制，即可由激光二极管输出空脉冲、每脉冲光强度比例1:3的光脉冲信号。

高速真随机数拓展模块产生两路高速真随机数信号，依据诱骗态量子光源实施方案的比例要求随机产生00、01、10的3组随机信号，具体比例根据计数统计涨落优化设计。当随机数列为00时，PORT 1与PORT 2均不触发，此时诱骗态电脉冲产生模块无信号输出，相应激光二极管也无光脉冲产生，对应于诱骗态方案中的0光子态；当随机数列为01时，触发PORT 1，此时诱骗态电脉冲产生模块产生脉冲幅度为V1的短脉冲信号，经RF级联驱动器驱动激光二极管产生平均光功率为P1的光信号，对应于诱骗态方案中的诱骗态；当随机数列数为10时，触发PORT 2，此时诱骗态电脉冲产生模块产生脉冲幅度为V2（V2>V1）的短脉冲信号，经RF级联驱动器驱动激光二极管产生平均光功率为P2（P2=3P1）的光信号，对应于诱骗态方案中的信号态。

如图2所示，所述诱骗态电脉冲产生模块由电脉冲产生模块1～2、宽带功率合成器和RF级联驱动器构成。所述电脉冲产生模块1与电脉冲产生模块2分别产生两种不同幅度的窄电脉冲信号，经所述宽带功率合成器耦合为一路再经RF级联驱动器放大后输出。

该步骤解决了高速短脉冲的耦合难题，随着系统重复频率的提升，电路的设计需要采用射频电路的设计方法。在低速方案中，信号耦合通常采用的PCB布线直接相连的方法已不可取。本步骤采用RF级联驱动器将两路信号无失真耦合输出并保证较高的隔离度，同时实现两路信号输入端与输出端的传输线50欧姆阻抗匹配。RF级联驱动器要求带宽尽可能宽，带内平坦度高，以降低信号通过时出现的脉冲宽度展宽效应，具体可以采用电阻式（Resistive）功率合成器或者Reactive功率合成器。

②“线偏基”与“圆偏基”制备：本发明的高速相位调制偏振旋转模块由高速相位调制器和相位调制偏振旋转光路构成，激光二极管输出的诱骗态光脉冲信号进入相位调制偏振旋转光路，通过光学器件控制分为两路幅度相等、初始相位相同的正交线偏振光（分别称为“A光”、“B光”），其中仅“A光”接受所述高速相位调制器的调制。高速相位调制器由所述高速相位调制器驱动模块随机产生四种不同幅度的电脉冲信号驱动，调制所述“A光”随机产生0、π/2、π、3π/2共计四种不同的相移，随后“A光”与“B光”经过相同长度的光学路径后在相位调制偏振旋转光路出口叠加，依据振动方向相互垂直的线偏振光波叠加原理，具有不同相位差的正交线偏光叠加后即可随机输出“线偏基”与“圆偏基”共四种偏振态。

所述高速相位调制偏振旋转模块中的相位调制偏振旋转光路具有如下特性：能将输入光进行偏振控制并分为两路幅度相等、初始相位相同的正交线偏振光；能够通过光学结构设计保证两路光在输出口叠加时通过相同长度光学路径；高速相位调制器仅对相位调制偏振旋转光路中的“A光”进行调制，对“B光”不调制。相位调制偏振旋转光路选择基于法拉第-萨格奈克(Faraday-Sagnac)环的结构或者“Plug & Play”光学结构以及其它具有上述光学功能的光路。

如图3所示，相位调制偏振旋转光路为基于法拉第-萨格奈克(Faraday-Sagnac)环的结构，由光学路径选择模块、偏振控制模块、四端口偏振分束器（PBS）、法拉第旋转镜（FM）、单模光纤、保偏光纤构成。激光二极管输出的诱骗态光脉冲信号经光学路径选择模块耦合进入偏振控制模块产生线偏光，所述线偏光偏振方向与四端口PBS内部晶体S 光方向成45°夹角，确保经四端口PBS端口1入射的线偏振光分为两束幅度相等、初始相位相同的正交线偏振光。其中经四端口PBS透射的线偏振光（简称“B光”）经一段单模光纤进入FM，FM将入射光偏振态旋转90°并沿原路返回至四端口PBS，由于进入FM与FM出射的光所走路径相同，采用单模光纤即能实现偏振态自动补偿；“B光”经四端口PBS反射后将由4端口输出沿萨格奈克(Sagnac) 环逆时针传播，经高速相位调制器时不接受调制，最后返回四端口PBS。另一路经四端口PBS反射的线偏振光（简称“A光”）沿与“B光”完全相反的光路传播并在同一时刻与“B光”相会于四端口PBS，唯一不同之处在于“A光”在经过高速相位调制器时接受调制。由于“A光”与“B光”均沿萨格奈克(Sagnac) 环单向传输，该路径并不具有偏振补偿效果，因而连接四端口PBS与高速相位调制器之间的光纤采用具有偏振保持效果的保偏光纤，高速相位调制器采用保偏高速相位调制器，保证线偏振光沿萨格奈克(Sagnac) 环传输时偏振态不变。两路正交偏振光经过了相同的路径后，在四端口PBS端口1处叠加，依据振动方向相互垂直的线偏振光波叠加原理确定合成光的偏振态，合成光再沿原路返回经偏振控制模块并由光学路径选择模块3端口输出。

如图4所示，相位调制偏振旋转光路为基于“Plug & Play”的光学结构，由光学路径选择模块、偏振控制模块、偏振分束器1（PBS1）、偏振分束器1（PBS2）、法拉第旋转镜（FM）、单模光纤、保偏光纤构成。所述激光二极管输出的诱骗态光脉冲信号经光学路径选择模块耦合进入偏振控制模块产生线偏光，线偏光偏振方向与PBS1内部晶体S 光方向成45°夹角，确保经PBS1入射的线偏振光分为两束幅度相等、初始相位相同的正交线偏振光分别沿“Plug & Play”光路的长短两臂传输（长短两臂均由保偏光纤构成）。其中经PBS1透射的线偏振光（简称“B光”）沿短臂传输并由PBS耦合进一段单模光纤进入FM，FM将入射光偏振态旋转90°沿原路返回经PBS2进入“Plug & Play”光路的长臂并返回PBS1出口处。另一路经PBS1反射的线偏振光（简称“A光”）进入长臂，沿与“B光”完全相反的路径传播并在同一时刻与“B光”相会于PBS1，不同之处在于“A光”在经过高速相位调制器时接受调制，两路正交偏振光经过了相同的路径后，在PBS1处叠加，依据振动方向相互垂直的线偏振光波叠加原理确定合成光的偏振态，合成光再沿原路返回经偏振控制模块并由光学路径选择模块3端口输出。本实施例中，连接高速相位调制器的长短两臂均采用保偏光纤以保证线偏光的的偏振保持效果。

高速相位调制器的原理是基于线性电光效应（普克尔效应），即光波导的折射率正比于外加电场的变化的效应。电光效应使得高速相位调制器中的光波导折射率线性变化，导致通过该波导的光波产生相位移动，从而实现相位调制。通过在高速相位调制器上加载不同幅度的电压信号，即可实现对输入光相位的连续调制。

所述高速相位调制器驱动模块由高速真随机数拓展模块和四态随机电脉冲产生模块构成，所述高速真随机数拓展模块接受高速逻辑控制芯片产生的2bit随机控制信号，随机触发PORT1～4端口由四态随机电脉冲产生模块产生四种不同幅度的矩形电脉冲信号，驱动高速相位调制器对调制光脉冲产生四种不同的相移。表1列出了合成光偏振态、两路正交线偏振光相位差、高速相位调制器调制电压与随机信号的关系（其中V_∏为高速相位调制器产生π相移所对应的半波电压）：

表1 高速相位调制偏振旋转模块输出光偏振态、两路正交线偏振光相位差、PM调制电压与随机信号的关系

由表1可知，当随机信号为00时，高速相位调制器驱动模块无电压输出，此时高速相位调制器不产生相移，两路正交线偏振光相位差为0，合成光偏振态为45°线偏振光；当随机信号为01时，高速相位调制器驱动模块产生幅度为V_π/2的脉冲信号，此时两路正交线偏振光相位差为π/2，合成光偏振态为左旋圆偏振光；当随机信号为10时，高速相位调制器驱动模块产生幅度为V_π的脉冲信号，此时两路正交线偏振光相位差为π，合成光偏振态为135°线偏振光；当随机信号为11时，高速相位调制器驱动模块产生幅度为3V_π /2的脉冲信号，此时两路正交线偏振光相位差为3π/2，合成光偏振态为右旋圆偏振光。其中，45°线偏振光与135°线偏振光构成一对正交基，称为“线偏基”；左旋圆偏振光与右旋圆偏振光构成正交基，称为“圆偏基”，由此制备成符合偏振编码QKD系统要求的两对偏振基共四种偏振态。

如图5所示，四态随机电脉冲产生模块由电脉冲产生模块（四个）、宽带功率合成器和RF级联驱动器构成，所述电脉冲产生模块3～6分别产生四种不同幅度的矩形电脉冲信号，经所述宽带功率合成器耦合为一路再经RF级联驱动器放大后输出，随机产生0、V_π /2、V_π、3V_π/2共四种不同电压幅度的电脉冲信号驱动高速相位调制器。

如图6所示，电脉冲产生模块包括幅度稳定控制模块、时钟校准模块、短脉冲产生模块、脉冲幅度控制模块和数字控制单元，所述幅度稳定控制模块将高速真随机数拓展模块的输出数字信号进行幅度稳定控制并输出，再经时钟校准模块精密对准延时，并由短脉冲产生模块依据应用要求产生窄脉冲信号或者矩形脉冲信号，其中窄脉冲信号用于诱骗态电脉冲产生模块，矩形脉冲信号用于四态随机电脉冲产生模块。最后经脉冲幅度控制模块对脉冲幅度进行连续控制以满足不同模块的要求，所述数字控制模块产生控制信号负责上述模块的自动化控制。

③高速相位调制器驱动信号控制：如图7所示，矩形波形为相位调制驱动电脉冲，高斯波形（实线）为“A光”脉冲，高斯波形（虚线）为“B光”脉冲。图示光脉冲从左至右分别为诱骗态方案中的诱骗态光信号、信号态光信号、零光子态光信号、零光子态（上述序列不代表真实顺序，实际实施过程中，三种光信号的调制时序完全随机）。图示调制电脉冲从左至右分别为高速相位调制器驱动模块产生的电压幅度为V_π /2、V_π、3V_π/2、0的矩形电脉冲（上述序列不代表真实顺序，实际实施过程中，四种调制电压时序完全随机）。

如图8所示，由于高速相位调制器所加载的调制电脉冲并非理想脉冲，而是存在一定时间长度的上升/下降沿（T_r/T_f）；同时，高速相位调制器通过的光脉冲一般为高斯波形，典型半高宽为30ps。当光脉冲调制到驱动电脉冲的上升/下降沿时，会出现光脉冲不同位置所对应的调制电脉冲幅度不同，即光脉冲不同位置产生的相移不同，进而使得在相位调制偏振旋转光路出口处叠加合成的光脉冲偏振态不一致，影响偏振态制备的精准度。另一方面，光脉冲与调制电脉冲均存在无法避免的时间抖动，当调制到上升/下降沿时，时间抖动会加剧输出偏振态的不一致性。因此，对高速相位调制器通过光脉冲与调制电脉冲参数与时序严格控制：要求光脉冲调制到电脉冲的中间“平顶”居中部分，同时电脉冲“顶宽”(δ)大于所述光脉冲“底宽”(г)，使得调制电脉冲对整个高斯光脉冲产生相同的相移，即达到对光脉冲的完全调制。通过以上手段消除电脉冲时间抖动和幅度抖动对调制不一致性的影响。电脉冲“底宽”小于光脉冲周期与光脉冲“底宽”的差值，保证高速相位调制器只对沿相位调制偏振旋转光路的“A光”进行调制。

④光信号强度衰减： 

“线偏基”与“圆偏基”产生三种光脉冲强度、四种偏振态共九种光脉冲信号，通过光纤衰减器后将量子态光信号中所包含的的平均光子数衰减至单光子水平，将强度比例为1:3的光脉冲衰减至每脉冲平均光子数为μ=0.2和μ=0.6，制备出三种光脉冲强度、四种偏振态共计9种量子态。

本发明实现了适用于高速偏振编码QKD系统的量子态制备，为量子保密通信向更高速率发展提供了解决方案。

Claims (10)

1.一种高速偏振编码的诱骗态量子光源制备方法，其特征在于该方法包括以下具体步骤：

a）诱骗态光脉冲产生 

由高速逻辑控制芯片产生2 bit真随机信号，依据诱骗态量子光源实施方案的比例要求随机调制产生三种脉冲幅度的诱骗态电脉冲信号，并耦合成一路，再经过放大、直接对激光二极管进行强度调制，随机产生以下三种状态的光脉冲信号：空脉冲、每脉冲光强度比例1:3的光脉冲信号；

b）“线偏基”与“圆偏基”制备       

对步骤a）的诱骗态光脉冲信号通过光学器件控制分为两路幅度相等、初始相位相同的正交线偏振光，分别称为“A光”、“B光”，其中仅对“A光”进行调制，调制由四种不同幅度的电脉冲信号驱动，使得“A光”随机产生0、π/2、π、3π/2四种不同的相移，随后“A光”与“B光”经过相同长度的光学路径后叠加，叠加后得到“线偏基”与“圆偏基”共四种偏振态；

c）高速相位调制器驱动信号控制

对步骤b)中的四种不同幅度的电脉冲信号和诱骗态光脉冲信号的波形和控制时序作如下约束：要求所述诱骗态光脉冲信号调制到所述四种不同幅度的电脉冲信号的“平顶”居中位置，所述四种不同幅度的电脉冲信号“顶宽”大于所述诱骗态光脉冲信号“底宽”，所述四种不同幅度的电脉冲信号“底宽”小于所述诱骗态光脉冲信号周期与诱骗态光脉冲信号“底宽”的差值，保证高速相位调制器只对所述“A光”进行完全调制；

d）光信号强度衰减

“线偏基”与“圆偏基”产生三种光脉冲强度、四种偏振态共九种光脉冲信号，通过光纤衰减器后将量子态光信号中所包含的平均光子数衰减至单光子水平，将步骤a）中强度比例为1:3的光脉冲衰减至每脉冲平均光子数为μ=0.2和μ=0.6，制备出三种光脉冲强度、四种偏振态共计9种量子态。

2.一种高速偏振编码的诱骗态量子光源产生装置，其特征在于该装置包括高速逻辑控制芯片、诱骗态光脉冲驱动模块、高速相位调制器驱动模块、激光二极管、高速相位调制偏振旋转模块及光衰减器，所述高速逻辑控制芯片一路连接诱骗态光脉冲驱动模块，一路连接高速相位调制器驱动模块，诱骗态光脉冲驱动模块连接激光二极管，激光二极管输出光信号通过光纤连接高速相位调制偏振旋转模块，高速相位调制器驱动模块连接高速相位调制偏振旋转模块，高速相位调制偏振旋转模块连接光衰减器；其中，高速逻辑控制芯片为控制核心，诱骗态光脉冲驱动模块接收来自高速逻辑控制模块的控制信号，依据诱骗态量子光源实施方案的比例要求随机调制产生三种脉冲幅度的诱骗态电脉冲信号，驱动激光二极管输出三种光强的诱骗态光脉冲，诱骗态光脉冲信号经高速相位调制偏振旋转模块中的高速相位调制器随机调制出“线偏基”与“圆偏基”共四种偏振态，高速相位调制器由高速相位调制器驱动模块驱动，再经光衰减器将每脉冲光子数衰减至单光子水平产生三种光功率强度，四种偏振态共九种量子态。

3.根据权利要求2所述的诱骗态量子光源产生装置，其特征在于所述诱骗态光脉冲驱动模块包括高速真随机数拓展模块和诱骗态电脉冲产生模块，所述高速真随机数拓展模块连接诱骗态电脉冲产生模块，诱骗态电脉冲产生模块接收高速真随机数拓展模块产生的真随机数信号，依据诱骗态量子光源实施方案的比例要求随机产生脉冲幅度不同的三种电脉冲信号，驱动激光二极管进行三种强度的直接调制，并由激光二极管输出三种状态的光脉冲信号：空脉冲、每脉冲光强度比例1:3的光脉冲信号。

4.根据权利要求3所述的诱骗态量子光源产生装置，其特征在于所述诱骗态电脉冲产生模块由第一电脉冲产生模块、第二电脉冲产生模块、宽带功率合成器和RF级联驱动器构成，所述第一电脉冲产生模块与第二电脉冲产生模块随机产生两种不同幅度的窄电脉冲信号或者均不输出电脉冲信号，经宽带功率合成器耦合为一路再经RF级联驱动器放大后输出。

5.根据权利要求2所述的诱骗态量子光源产生装置，其特征在于所述高速相位调制器驱动模块由高速真随机数拓展模块和四态随机电脉冲产生模块构成，所述高速真随机数拓展模块连接四态随机电脉冲产生模块，所述四态随机电脉冲产生模块接收高速随机数拓展模块产生的真随机数信号，依据相位调制偏振旋转光路的要求输出脉冲幅度不同的四种电脉冲信号，驱动高速相位调制器进行四种相位的直接调制。

6.根据权利要求2所述的诱骗态量子光源产生装置，其特征在于所述高速相位调制偏振旋转模块由高速相位调制器和相位调制偏振旋转光路构成，所述高速相位调制器通过光纤与相位调制偏振旋转光路相连，相位调制偏振旋转光路接收激光二极管输出的诱骗态光脉冲信号，通过光学控制器件分为两路幅度相等、初始相位相同的正交线偏振光分别称为“A光”、“B光”，其中仅“A光”接受高速相位调制器的调制；其高速相位调制器由高速相位调制器驱动模块驱动，调制所述“A光”产生四种不同的相移，所述“A光”与“B光”经过相同长度的光学路径后在相位调制偏振旋转光路出口叠加，叠加后随机输出“线偏基”与“圆偏基”共四种偏振态。

7.根据权利要求6所述的诱骗态量子光源产生装置，其特征在于：所述相位调制偏振旋转光路为基于法拉第-萨格奈克环的结构或者“Plug & Play”结构，能将输入光进行偏振控制并分为两路振幅相等、初始相位相同的正交线偏振光；能够保证两路光在输出口叠加时通过相同长度的光学路径；同时高速相位调制器仅对相位调制偏振旋转光路中的“A光”进行调制，对“B光”不调制。

8.根据权利要求5所述的诱骗态量子光源产生装置，其特征在于所述四态随机电脉冲产生模块由四个电脉冲产生模块、宽带功率合成器和RF级联驱动器构成，所述四个电脉冲产生模块随机产生四种不同幅度的矩形电脉冲信号，经宽带功率合成器耦合为一路再经RF级联驱动器放大后输出。

9.根据权利要求4或8所述的诱骗态量子光源产生装置，其特征在于所述电脉冲产生模块包括幅度稳定控制模块、时钟校准模块、短脉冲产生模块、脉冲幅度控制模块和数字控制模块，所述幅度稳定控制模块将高速真随机数拓展模块的输出数字信号进行幅度稳定控制并输出幅度恒定的信号，再经时钟校准模块精密对准延时，并由短脉冲产生模块依据应用要求产生窄脉冲信号或者矩形脉冲信号，最后经脉冲幅度控制模块对所述脉冲信号进行幅度的连续控制，数字控制模块产生控制信号对前述的模块自动化控制。

10.根据权利要求6所述的诱骗态量子光源产生装置，其特征在于所述高速相位调制器的驱动信号要求为：光脉冲调制到电脉冲“平顶”居中位置，电脉冲“顶宽”大于光脉冲“底宽”，电脉冲“底宽”小于光脉冲周期与光脉冲“底宽”的差值。

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