CN104579641B - 量子通信系统中的相位编码装置 - Google Patents

Abstract

量子通信系统中的相位编码装置，包括如下元件：1个偏振分束器、1个相位调制器、1个强度调制器、1个法拉第旋转器和6个环形器，以上元件构成环路，其中：偏振分束器用于将入射光脉冲根据偏振不同分为两路信号，两路信号分别沿顺时针传输和逆时针传输；逆时针传输的光脉冲，先后经过法拉第旋转器、环形器1、环形器2、相位调制器、环形器5、环形器4、强度调制器、环形器3、环形器6，到达偏振分束器；顺时针传输的光脉冲，先后经过环形器6、环形器5、相位调制器、环形器2、环形器3、强度调制器、环形器4、环形器1、法拉第旋转器，到达偏振分束器。

Description

量子通信系统中的相位编码装置

技术领域

本发明涉及量子保密通信，具体讲的是通过设计一种优化的环形光路，实现量子通信系统中具备诱骗态功能的高速相位编码装置。

背景技术

量子保密通信的通信双方通过单光子加载和传输信息，由于单光子不可再分，且单光子的量子态不可克隆等物理特性，窃听者一旦对单光子进行窃听，分离，克隆等操作就会不可避免的引入大量的误码而被通信双方所发现，因此量子保密通信可以实现物理意义上绝对安全的数据通信。

现有的量子保密通信编码方案主要有偏振编码、相位编码与纠缠态编码等，其中“即插即用”的相位编码方案是目前光纤量子密钥分发广泛采用的方案。该方案采用双向结构，利用法拉第反射镜将光子信号反射，并将其偏振旋转90°，这样光子在双向传输过程中的偏振和相位抖动可以实现自动补偿，这种方案的最大优点就是无需主动控制元件即可实现长时间稳定，因此被许多商用量子通信系统采用。

最初的“即插即用”相位编码方案采用相位调制器加法拉第旋转镜的反射结构，通过相位调制器对单光子进行调制，并利用法拉第旋转镜将光子反射并旋转。这种方案的显著缺点是：由于相位调制器两个相互正交的特征轴具有不同的调制效率，为了让每一个光脉冲得到相同的相位调制，必须使脉冲在反射前和反射后均通过相位调制器进行调制。在这种情况下，由于相位调制器和法拉第旋转镜之间的熔接总是具有一定的长度，这段长度带来的延迟限制了整体系统的重复频率提升。

为解决这个弊端，后来又发展了环形结构：该结构利用偏振分束器将入射光脉冲按偏振分为两束，两束光同时连接到相位调制器的两端，从而形成一个sagnac环。控制相位调制器两端的光纤长度使PBS的两个输出信号同时到达相位调制器，可以实现对光信号的高频调制。但是该方案在实现“诱骗态”安全增强时会遇到困难。

所谓“诱骗态”，是针对量子通信中一种特有的攻击方式，即“光子数分离攻击”而提出的。该攻击方法利用了目前实际系统中所用的光源大多是弱相干光源，光源中包含了一定的多光子成分，窃听者通过光子数鉴别，将多光子脉冲中的一个光子截取，从而可以在双方无法发现的情况下实现窃听。为抵御“光子数分离攻击”，研究者们提出了诱骗态方案：该方案中发送方刻意的发送一些多光子脉冲作为诱饵，并通过分析最终成码中诱饵的比例来确定信道中是否存在窃听。目前，诱骗态对量子通信系统的安全性保障已经成为业内共识，成为系统不可或缺的一部分。

实际系统中实现诱骗态通常都是使用强度调制器对光脉冲进行随机的调制。但是这种方式使用在上述的sagnac结构中时会带来一个问题：由于强度调制器也存在着两个正交特征轴调制效率不同的缺陷，因此也需要两个偏振态均施加同样的调制，这就意味着强度调制器和相位调制器一样，必须熔接在sagnac环内部，这样，和反射型结构的缺陷类似，两个调制器之间的熔接距离又会限制系统的最高工作频率。

本发明正是针对上述不足，提出了一种新的相位编码装置，可以使得经偏振分束器输出的两个偏振分量的脉冲可以同时到达相位调制器和强度调制器，从而实现量子密钥分发中带有诱骗态功能的高速相位调制。

发明内容

本发明提出一种新的量子通信系统相位编码装置，设计了一种环形光路，将常用的单环结构改成了8字形结构，使得两个偏振态的信号可以同时到达相位调制器和强度调制器，从而达到更高的调制频率，以实现基于相位编码方式，并具备诱骗态功能的高速量子通信。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

利用偏振分束器将脉冲光分成两个正交的偏振态，通过6个环形器实现8字形的环形光路结构，利用环形器单向通过的特性，两路信号可以在环形腔内分别按顺时针和逆时针路径传输，并且将先后两次在8字腔中相遇，通过严格控制光纤的长度，可以控制这两次相遇的位置正好在调制器中间，在这种情况下，如果光脉冲的脉宽足够窄，调制器也可以施加很窄的调制脉冲，从而使整个装置能够在高频下运行，实现高速的相位和强度调制。

一种量子通信系统中的相位编码装置，包括如下元件：1个偏振分束器、1个相位调制器、1个强度调制器、1个法拉第旋转器和6个环形器，以上元件构成环路，其中：

偏振分束器用于将入射光脉冲根据偏振不同分为两路信号，两路信号分别沿顺时针传输和逆时针传输；

逆时针传输的光脉冲，先后经过法拉第旋转器、环形器1、环形器2、相位调制器、环形器5、环形器4、强度调制器、环形器3、环形器6，到达偏振分束器；

顺时针传输的光脉冲，先后经过环形器6、环形器5、相位调制器、环形器2、环形器3、强度调制器、环形器4、环形器1、法拉第旋转器，到达偏振分束器。

如上所述的相位编码装置，其特征在于：

所述相位调制器用于调制脉冲相位，实现编码；

如上所述的相位编码装置，其特征在于：

所述强度调制器用于调制脉冲幅度，实现诱骗态功能。

如上所述的相位编码装置，其特征在于：

各元件之间均通过保偏光纤连接。

如上所述的相位编码装置，其特征在于：

法拉第旋转器使光信号偏振旋转90度，从而保证光信号经过环路后可以再次通过偏振分束器。

如上所述的相位编码装置，其特征在于：

从偏振分束器出来的顺时针信号和逆时针信号从偏振分束器到相位调制器的光纤长度相等；

从偏振分束器出来的顺时针信号和逆时针信号从偏振分束器到强度调制器的光纤长度相等。

附图说明

图1为本发明量子通信系统中的相位编码装置示意图。

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:

本发明为量子通信系统中的相位编码装置，包括1个偏振分束器、1个相位调制器、1个强度调制器、1个法拉第旋转器和6个环形器。

上述元件构成环路，元件之间均为单模保偏光纤连接。环路中的所有光纤均采用保偏光纤，以确保各偏振分量的偏振态不发生改变。其中，偏振分束器用于将入射光脉冲根据偏振不同分为两路；相位调制器用于调制脉冲相位，实现编码；强度调制器用于调制脉冲幅度，实现诱骗态功能；法拉第旋转器使偏振旋转90度，从而保证光信号经过环路后可以再次通过偏振分束器；环形器用于控制两路信号的传输路径。在本方案所设计的环形结构中，一路为顺时针传输方向，如图中黑色虚线和箭头所示，另一路为逆时针传输方向，如图中灰色实线和箭头所示。环路中的光路路径如下：逆时针传输的脉冲，先后经过法拉第旋转器、环形器1、环形器2、相位调制器、环形器5、环形器4、强度调制器、环形器3、环形器6，到达偏振分束器；顺时针传输的脉冲，先后经过环形器6、环形器5、相位调制器、环形器2、环形器3、强度调制器、环形器4、环形器1、法拉第旋转器，到达偏振分束器。

利用偏振分束器将脉冲光分成两个正交的偏振态，通过6个环形器实现8字形的环形光路结构，利用环形器单向通过的特性，两路信号可以在环形腔内分别按顺时针和逆时针路径传输，并且将先后两次在8字腔中相遇，通过严格控制光纤的长度，可以控制这两次相遇的位置正好在调制器中间，在这种情况下，如果光脉冲的脉宽足够窄，调制器也可以施加很窄的调制脉冲，从而使整个装置能够在高频下运行，实现高速的相位和强度调制。

严格控制光纤的长度是指的从偏振分束器PBS出来的两路信号(即顺时针信号和逆时针信号)从PBS到相位调制器或强度调制器的光纤长度。就光路图而言，到相位调制器的光纤长度相等，指的是：PBS-法拉第旋转镜-环形器1-环形器2-相位调制器，这一段光纤长度与PBS-环形器6-环形5-相位调制器段长度相等。同理，到强度调制器的光纤长度相等，指的是：PBS-法拉第旋转镜-环形器1-环形器2-相位调制器-环形器5-环形器4-强度调制器，这一段光纤长度与PBS-环形器6-环形5-相位调制器-环形器2-环形器3-强度调制器段长度相等。

由光路可见，两路信号都将通过相位调制器和强度调制器，因此，通过在熔接时控制两个方向传播的光纤长度，可以保证两路信号能够同时到达调制器，驱动调制器在两路脉冲重合的位置施加调制，可以在很短的时间内完成对两个脉冲的同时调制，从而实现高速相位编码。

Claims (5)

1.一种量子通信系统中的相位编码装置，包括如下元件：1个偏振分束器、1个相位调制器、1个强度调制器、1个法拉第旋转器和6个环形器，以上元件构成环路，其中：

偏振分束器用于将入射光脉冲根据偏振不同分为两路信号，两路信号分别沿顺时针传输和逆时针传输；

逆时针传输的光脉冲，先后经过法拉第旋转器、环形器1、环形器2、相位调制器、环形器5、环形器4、强度调制器、环形器3、环形器6，到达偏振分束器；

顺时针传输的光脉冲，先后经过环形器6、环形器5、相位调制器、环形器2、环形器3、强度调制器、环形器4、环形器1、法拉第旋转器，到达偏振分束器；

从偏振分束器出来的顺时针信号和逆时针信号从偏振分束器到相位调制器的光纤长度相等；

从偏振分束器出来的顺时针信号和逆时针信号从偏振分束器到强度调制器的光纤长度相等。

2.如权利要求1所述的相位编码装置，其特征在于：

所述相位调制器用于调制脉冲相位，实现编码。

3.如权利要求2所述的相位编码装置，其特征在于：

所述强度调制器用于调制脉冲幅度，实现诱骗态功能。

4.如权利要求1-3之一所述的相位编码装置，其特征在于：

各元件之间均通过保偏光纤连接。

5.如权利要求1-3之一所述的相位编码装置，其特征在于：

法拉第旋转器使光信号偏振旋转90度，从而保证光信号经过环路后可以再次通过偏振分束器。