CN106254065B - 基于注入锁定技术的量子密钥分发光源 - Google Patents

基于注入锁定技术的量子密钥分发光源 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于注入锁定技术的量子密钥分发光源，由脉冲发生器、一个主激光器、第一至第四从激光器及光纤系统组成。光纤系统由保偏光纤、第一及第二偏振分束镜、偏振控制器、分束镜、第一及第二隔离器和四分之一波片组成。主激光器发出的光脉冲通过光纤系统注入从激光器，锁定激光模式使从激光器的波长同主激光器一致，从激光器发出的光脉冲通过偏振分束镜和分束镜用于输出四种偏振态密钥信息。本发明克服在使用多激光器的量子密钥分发光源设计中，波长不一致问题带来安全漏洞，同时，本发明无需使用外部主动调制器，光学结构简单，使量子密钥分发系统在调制速度和集成度上都能获得极大的提升空间。

Description

基于注入锁定技术的量子密钥分发光源
技术领域
本发明涉及量子通信领域，特别涉及一种基于注入锁定技术的量子密钥分发弱相干光源。
背景技术
量子通信领域是当今物理学的前沿领域之一，也是量子信息学最先走向实用化的一个发展方向。其中量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)技术通过操纵和传送量子比特的方法，可在两地间建立一串任意长度的相同随机数，使用该随机数通过“一次一密”的方式加密经典信息。量子保密通信有物理学基本原理作保证，故可以作为最有力的保密通信手段，受到了广泛关注。第一个QKD协议是BB84协议，方案最早由Bennett等人提出并得到了实现。在目前商用的量子保密通信网络中基本都采用诱骗态弱相干光源的BB84协议进行量子密钥分发系统构建，因为其高效实用的特点，很快就得到了发展。
BB84协议为保证安全性则必须使用单光子源，不过由于现实中没有理想的单光子源存在，所以目前广泛采用基于激光技术的诱骗态弱相干光源方案来代替单光子源。原始的BB84协议使用两个正交基矢的四个量子态对光源发出的信号进行偏振调制，后来又发展出了一种相位调制的方法。相位调制的QKD光源装置，要使用不等臂Mach-Zehnder干涉仪，虽然有一些补偿设计和反馈方案来保证干涉仪臂长差稳定，但是环境的影响还是会使臂长差漂移，这进而会使相位信息受到干扰，使用起来有诸多不便。
一种公知的量子密钥分发系统的编码调制装置是中国专利CN 102957533 A所揭示的，它包括用于发出慢轴光的保偏激光器，保偏激光器通过保偏偏振耦合器与用于输出相互非正交偏振态的旋转耦合器相连。该发明使用了四个保偏激光器，选择其中某一路发出光脉冲，通过之后的保偏偏振耦合器与其相正交的一路信号进行合束，之后通过旋转耦合器与非正交的两路进行合束，从而获得四种非正交的偏振状态，其中某一路保偏激光器发光的时候，在耦合出口输出四种偏振状态中的某一种。
上述发明的装置无需额外调节偏振，可以避免手动调节造成的不准确性及后期机械变化引起的错误，可以进行准确、简便的QKD系统搭建，并且可以提高系统长期运行的稳定性。然而上述发明涉及的装置使用了四个独立的激光器，由于不同激光器出射光的波长很难做到完全一致，因此窃听者可以通过测量偏振以外的自由度对四种信号态进行识别，从而对保密通信系统的安全性构成威胁。
所以，现在主流的QKD弱相干光源大多不会选择这种多激光器方案，而是选择使用一个激光器，进行外调制法，保证除需要调制的信息外，其他信息如光信号的波长达到完全的一致。但是这种外部调制器价格昂贵，使用复杂，数目繁多的外部调制器无疑大大增加了系统的成本和系统的复杂度，不利于工业化集成，严重阻碍QKD系统的实用化进程。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于，提供一种安全性得到保证的多激光器内调制的量子密钥分发光源，可以输出四种不同的线偏振态。能够克服专利CN 102957533 A不同激光器出射光波长很难严格一致问题所带来安全的漏洞，同时结构简单，利于工业化集成，同时，本发明能够克服量子密钥分发光源中必须要使用外部主动调制器的技术偏见，使量子密钥分发系统在调制速度、成本和集成度上都能获得极大的提升空间。
(二)技术方案
本发明提供一种基于注入锁定技术的量子密钥分发光源，包括脉冲发生器、主激光器、第一从激光器、第二从激光器、第三从激光器及第四从激光器，其中：
脉冲发生器用于发出同步的信号，以分别驱动主激光器和四个从激光器；
主激光器在脉冲发生器的驱动下发出光脉冲信号，该光脉冲信号分束为正交的四路线偏振光脉冲信号以分别注入第一从激光器、第二从激光器、第三从激光器、第四从激光器；
第一从激光器、第二从激光器、第三从激光器、第四从激光器分别响应于注入的光脉冲信号，输出相应的光脉冲信号，四个从激光器输出的四个光脉冲信号合束后输出。
进一步，主激光器与四个从激光器通过光纤系统连接，光纤系统包括第一偏振分束镜、第二偏振分束镜、偏振控制器、分束镜，其中：
主激光器发出的光脉冲信号进入所述分束镜后分成光强相同的两路光脉冲信号，两路光脉冲信号经由第一偏振分束镜、第二偏振分束镜后形成共四路线偏振光脉冲信号，以分别注入相应的从激光器，以使相应的从激光器输出相应的光脉冲信号；
第一从激光器和第二从激光器输出的光脉冲信号经由第一偏振分束镜合束后形成第一组正交偏振态，第三从激光器和第四从激光器输出的光脉冲信号经由第二偏振分束镜合束后形成第二组正交偏振态，第一组正交偏振态和第二组正交偏振态经由分束镜合束后输出，优选地，分束镜可以采用2进2出的50∶50分束镜。
光纤系统还包括偏振控制器、第一隔离器、第二隔离器和四分之一波片，其中：第一隔离器和四分之一波片依次置于主激光器和分束镜之间的光路上；偏振控制器置于分束镜和第二偏振分束镜之间的光路上；第二隔离器置于分束镜合束后输出的光路上；第一隔离器和四分之一波片依次置于主激光器和分束镜之间的光路上；
偏振控制器置于分束镜和第二偏振分束镜之间的光路上；
第二隔离器置于分束镜合束后输出的光路上。
进一步，第一组正交偏振态和第二组正交偏振态分别为H、V、P、N线偏振中的一种。
进一步，从激光器由脉冲发生器输出的经随机编码的四路相同的高速窄脉冲信号驱动，主激光器由脉冲发生器(13)输出的同步高速窄脉冲信号驱动，主激光器的驱动脉冲信号的脉冲宽度大于从激光器的驱动脉冲信号的脉冲宽度，并且，主激光器的驱动脉冲信号在时域上的平坦区域大于用于从激光器的驱动脉冲信号的脉冲宽度；其中，当主激光器发出的光脉冲信号进入从激光器之后，从激光器的驱动脉冲信号才到达从激光器(1、2、3、4)。
进一步，主激光器的输出功率PM与从激光器的输出功率PS满足下列公式：
其中，Δv代表光脉冲的啁啾，α代表激光器扩展因子，k代表光耦合效率。
进一步，主激光器发出的光脉冲信号进入所述从激光器之一时的注入光强为由从激光器之一发出的光脉冲信号的光强的3倍。
进一步，主激光器和从激光器上还设有温度控制装置，用于对从激光器的温度进行控制，以使得主激光器输出的光脉冲信号与从激光器输出的光脉冲信号的波长差小于等于0.3nm。
进一步，各个温度控制装置分别对主激光器和从激光器的温度进行控制，以使得主激光器输出的光脉冲信号的波长比所述从激光器输出的光脉冲信号的波长大0.15nm。
进一步，主激光器和从激光器均为可工作于脉冲模式的保偏光纤半导体激光器。
(三)有益效果
本发明具有以下优点：
1、本发明中四个从激光器采用相同类型的激光器，并且在激光器上设置有温度控制装置，通过温度控制装置调节从激光器温度使其自由振荡波长接近主激光器的波长，发生注入锁定现象，使得四个从激光器的波长均与主激光器一致，克服不同激光器出射光波长不一致问题所带来安全的漏洞。
2、本发明采用注入锁定技术，克服量子密钥分发光源中必须要使用一个激光器和外部主动调制器的技术偏见，使得简单和低成本的多激光器方案可以继续使用，使量子密钥分发系统在调制速度、成本和集成度上都能获得极大的提升空间。
3、本发明仅使用BS、PBS等无源光学器件以及半导体激光器，不含大体积的光调制器，故结构简单，利于工业化集成。
附图说明
图1为本发明实施例提供的量子密钥分发光源的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参阅附图1，本实施例的量子密钥分发光源包括脉冲发生器13、主激光器12、第一从激光器1、第二从激光器2、第三从激光器3、第四从激光器4及光纤系统。光纤系统包括第一偏振分束镜5、第二偏振分束镜6、偏振控制器7、2进2出的50∶50分束镜8、四分之一波片9、第一隔离器11、第二隔离器10以及用于连接上述无源光纤器件的保偏光纤。
具体地，第一从激光器1和第二从激光器2经过光纤与第一偏振分束镜5相连，第一偏振分束器5经光纤连接至2进2出的50∶50分束镜8的第一端；第三从激光器3和第四从激光器4经过光纤与第二偏振分束镜6相连，第二偏振分束器6经光纤与偏振控制器7相连，偏振控制器7经光纤连接至2进2出的50∶50分束镜8的第二端；主激光器12经光纤依次与第一隔离器11和四分之一波片9相连，四分之一波片9再经光纤连接至2进2出的50∶50分束镜8的第三端；2进2出的50∶50分束镜8的第四端经光纤依次与第二隔离器10和量子密钥分发光源的输出端相连。
在本实施例中，主激光器12、从激光器1、2、3、4可以采用相同的脉冲光激光器，具体可以是可工作于脉冲模式的保偏光纤输出半导体激光器，且所有光学器件的工作波长范围应当覆盖激光器所发出的激光波长。优选地，激光器所发出的激光波长可以为1550nm，以适合在光纤信道中传输。在本实施例中，由于采用脉冲激光器作为注入种子信号光，可以省略由于采用连续光激光器可能需要的斩波处理，从而简化光路系统。
脉冲发生器13输出经随机编码的四路高速窄脉冲电信号，对应于驱动从激光器1、2、3、4；同时，脉冲发生器13还向主激光器12输出与从激光器同步的信号以驱动主激光器12，其中该用于驱动主激光器12的信号脉冲宽度大于用于驱动从激光器的信号脉冲宽度。四个从激光器1、2、3、4都由经过随机编码的四路高速窄脉冲信号驱动，每次驱动信号选择从激光器1、2、3、4中的某一个从激光器出光，选定的从激光器由随机编码选择确定，且除此之外用于驱动各个从激光器的驱动信号别无差别。
主激光器12在同步信号驱动下发出光脉冲信号，该光脉冲信号从主激光器12的光纤端口传出后进入第一隔离器11，第一隔离器11用于防止光纤中的反射光或者其他杂散光进入主激光器12。接着，光脉冲信号经过四分之一波片9，四分之一波片9用于使该光脉冲信号的偏振状态从线偏振状态变成圆偏振状态。通过在主激光器12与分束镜之前设置四分之一波片，使主激光器12输出的光脉冲信号处于圆偏振状态下，进而可以在后续光路中以较少的光学器件(例如两个PBS5、6及一个45度偏振控制器7)同时实现两组四路线偏振光脉冲信号的注入光路和输出光路，最终实现在光路结构上非常简单有效的基于注入锁定技术的量子密钥分发光源结构。
光脉冲信号以圆偏振态沿分束镜8的第三端进入分束镜8后，分成光强相同的两路光脉冲信号，两路光脉冲信号中的一路信号从分束镜8的第一端口经一段保偏光纤到达第一偏振分束器5，另一路信号则从分束镜8的第二端口经相同长度的保偏光纤及偏振控制器7到达第二偏振分束镜6，两路光脉冲信号分别在偏振分束镜5、6处分光，从而形成两组共四路处于线偏振状态的光信号。其中，第一偏振分束镜5分光后的两路线偏振光线偏振方向相差90度，第二偏振分束镜6分光后的两路线偏振光线偏振方向也相差90度。这四路线偏振光分别经相同长度的保偏光纤传输进入四个从激光器1、2、3、4的谐振腔内，从激光器1、2、3、4在脉冲发生器13发出的电脉冲驱动信号的驱动下发光，即第一从激光器1、第二从激光器2、第三从激光器3、第四从激光器4输出的四路线偏振光脉冲信号。
第一从激光器1发出的第一从路激光和第二从激光器2发出的第二从路激光通过偏振分束镜5后可以组成第一组正交偏振态(即两个光脉冲信号的线偏振方向相差90度)，第三从激光器3发出的第三从路激光和第四从激光器4发出的第四从路激光通过偏振分束镜6后可以组成第二组正交偏振态。从偏振分束镜6输出的第二组正交偏振态的正交基通过偏振控制器7后旋转45度，因此，第一组正交偏振态与第二组正交偏振态之间存在45度的夹角。夹角为45度的第一组正交偏振态和第二组正交偏振态通过分束镜8经其第四端口输出从而耦合在一起，由此提供四路线偏振方向彼此不同的光脉冲信号，四种不同的线偏振态例如可以为H、V、P、N线偏振，从而输出QKD偏振编码所需的四种偏振态。
为使从激光器1、2、3、4发出的激光波长锁定在主激光器12发出的激光波长上，需要使两者的波长差在一定范围内(即波长锁定条件或波长锁定范围)。在本实施例中，为实现这种波长的锁定，主、从激光器12、1、2、3、4采用相同的激光器，并且设置温度控制装置对各个激光器进行温度控制，基于半导体的激光器的温度可以在小范围内改变激光的波长这一现象，通过调节从激光器温度使之接近主激光器的温度来使得两者的波长接近，从而满足波长锁定条件。对于本实施例的光源结构而言，由于采用了脉冲光，脉冲光信号自身存在一定的波长波动(即所谓“啁啾”)，因此，波长锁定条件需要根据脉冲激光器的啁啾来确定，即，允许的波长锁定范围要考虑脉冲光信号自身的波长波动。
在注入锁定技术中，可以借助调节主激光器12注入从激光器1、2、3、4谐振腔的光强和从激光器发出激光的光强来实现波长锁定条件，且人们普遍认为通过增大注入功率可以允许获得更大的波长锁定范围。然而，发明人发现，在采用脉冲光的情况下，由于随着光强的增大会导致脉冲上升沿和下降沿变缓，从而导致啁啾现象恶化，因此，通过增大脉冲光的强度并不能更好地实现波长锁定条件，即，在本实施例的光源结构中，光强并非越大越好。
针对本实施例的采用脉冲光的光源结构，主激光器12的输出功率PM与从激光器1、2、3、4的输出功率PS可以按照下列公式进行选择：
其中，Δv代表光脉冲的啁啾，α代表激光器扩展因子，k代表光耦合效率。
优选地，在本实施例所公开的光源结构中，选择主激光器12注入从激光器1、2、3、4的光强为从激光器发出激光的光强的3倍(即主激光器12的总输出功率为每个从激光器1、2、3、4输出功率的12倍)，从而实现小于或等于0.3nm的波长锁定范围，同时使主激光器12的波长比从激光器1、2、3、4的波长大且波长差为波长锁定范围的1/2，以便在有啁啾的情况下，整个脉冲过程也不失锁，获得更好的锁定效果。
由于注入锁定的激光器的时间抖动和频率啁啾都会降低，为了改善频率响应情况，本实施例中采用高达GHz的调制速度。因此，在本实施例中，脉冲发生器13可选用量子通信领域使用的窄脉冲信号发生装置，但工作在1GHz的高速重复频率上。同时，用于驱动从激光器1、2、3、4的四路驱动窄脉冲信号应当没有直流分量，具有相同的脉冲宽度且到达各个从激光器的时间一致；由于脉冲光的啁啾现象，用于驱动主激光器12的同步驱动脉冲信号的脉冲宽度被设置成大于用于驱动从激光器1、2、3、4的脉冲信号的脉冲宽度，且在时域上保证同步驱动脉冲的平坦区域大于用于驱动从激光器的脉冲信号的脉冲宽度。优选地，在实施例所公开的光源结构中，用于驱动从激光器的脉冲信号的脉冲宽度可以小于100ps，用于驱动主激光器的脉冲信号的脉冲宽度大于200ps且时域上的平坦区域大于100ps。
在另一个方面，用于主激光器12的驱动信号与用于从激光器1、2、3、4的驱动信号之间必须确保同步性，因此，在实施例中还设置有驱动信号延迟机构，用于调节主激光器12的驱动信号和从激光器1、2、3、4的驱动信号之间的时间延迟，以保证主激光器输出的激光脉冲信号进入从激光器的谐振腔且度过上升沿时间后，从激光器1、2、3、4的驱动信号正好驱动从激光器发出激光。该驱动信号延迟机构可以例如借助脉冲发生器内部走线或者外部传输线调节传输时间来实现。优选地，该驱动信号延迟机构在时间精度为几十皮秒。
在实施例中，温度控制装置可以包括TEC(半导体制冷器)、ADC、DAC和FPGA，用来调节和稳定主激光器12和各个从激光器1、2、3、4的工作温度。其中，FPGA可通过串口连接PC机，且可以使用Labview程序对工作温度进行设定。温度控制装置的温度调节精度可以与采用的激光器及工作波长等因素有关。例如，在采用半导体激光器的情况下，由于半导体激光器的温度和波长有近似的线性关系，当均使用1550nm的工作波长时，通过调节温度就可以细微的调节激光器波长，温度调节精度可以要求在1℃以内，保证调节波长差范围控制在0.1nm内。
上述参数调节工作在装置实施前进行，可以通过光纤端外接示波器和光谱仪辅助进行调节，确认是否达到了本装置的工作要求，使本实施例装置注入锁定功能得到实现。
本实施例的光源也可以通过集成光学的工艺实现，把该系统集成在一个衬底上，更能保证各器件相对位置稳定，传输环境可靠，也可以使装置体积进一步缩小。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于注入锁定技术的量子密钥分发光源，其特征在于，包括脉冲发生器(13)、主激光器(12)、第一从激光器(1)、第二从激光器(2)、第三从激光器(3)及第四从激光器(4)，其中：
所述脉冲发生器(13)用于发出同步的信号，以分别驱动主激光器(12)和四个从激光器(1、2、3、4)；
所述主激光器(12)在所述脉冲发生器(13)的驱动下发出光脉冲信号，该光脉冲信号分束为正交的四路线偏振光脉冲信号以分别注入第一从激光器(1)、第二从激光器(2)、第三从激光器(3)、第四从激光器(4)；
所述第一从激光器(1)、第二从激光器(2)、第三从激光器(3)、第四从激光器(4)分别响应于所述注入的光脉冲信号，输出相应的光脉冲信号，四个从激光器(1、2、3、4)输出的四个光脉冲信号合束后输出；
所述第一至第四从激光器(1、2、3、4)由所述脉冲发生器(13)输出的经随机编码的四路相同的高速窄脉冲信号驱动，所述主激光器(12)由所述脉冲发生器(13)输出的同步高速窄脉冲信号驱动，所述主激光器(12)的驱动脉冲信号的脉冲宽度大于所述从激光器(1、2、3、4)的驱动脉冲信号的脉冲宽度，并且，所述主激光器(12)的驱动脉冲信号在时域上的平坦区域大于所述从激光器(1、2、3、4)的驱动脉冲信号的脉冲宽度；其中，当所述主激光器(12)发出的光脉冲信号进入所述从激光器(1、2、3、4)之后，所述用于从激光器(1、2、3、4)的驱动脉冲信号才到达所述从激光器(1、2、3、4)。
2.根据权利要求1所述的基于注入锁定技术的量子密钥分发光源，其特征在于，所述主激光器(12)与四个从激光器(1、2、3、4)通过光纤系统连接，所述光纤系统包括第一偏振分束镜(5)、第二偏振分束镜(6)、偏振控制器(7)及分束镜(8)，其中：
所述主激光器(12)发出的光脉冲信号进入所述分束镜(8)后分成光强相同的两路光脉冲信号，所述两路光脉冲信号经由第一偏振分束镜(5)、第二偏振分束镜(6)后形成共四路线偏振光脉冲信号，以分别注入相应的从激光器(1、2、3、4)，以使所述相应的从激光器(1、2、3、4)输出相应的光脉冲信号；
所述第一从激光器(1)和第二从激光器(2)输出的光脉冲信号经由第一偏振分束镜(5)合束后形成第一组正交偏振态，第三从激光器(3)和第四从激光器(4)输出的光脉冲信号经由第二偏振分束镜(6)合束后形成第二组正交偏振态，所述第一组正交偏振态和第二组正交偏振态经由分束镜(8)合束后输出。
3.根据权利要求2所述的基于注入锁定技术的量子密钥分发光源，其特征在于，所述光纤系统还包括偏振控制器(7)、第一隔离器(11)、第二隔离器(10)和四分之一波片(9)，其中：
所述第一隔离器(11)和四分之一波片(9)依次置于主激光器(12)和分束镜(8)之间的光路上；
所述偏振控制器(7)置于分束镜(8)和第二偏振分束镜(6)之间的光路上；
所述第二隔离器(10)置于分束镜(8)合束后输出的光路上。
4.根据权利要求2所述的基于注入锁定技术的量子密钥分发光源，其特征在于，所述第一组正交偏振态和所述第二组正交偏振态分别为H、V、P、N线偏振中的一种。
5.根据权利要求1所述的基于注入锁定技术的量子密钥分发光源，其特征在于，所述主激光器(12)的输出功率PM与从激光器(1、2、3、4)的输出功率Ps满足下列公式：
其中，Δv代表光脉冲的啁啾，α代表激光器扩展因子，k代表光耦合效率。
6.根据权利要求1所述的基于注入锁定技术的量子密钥分发光源，其特征在于，所述主激光器(12)发出的光脉冲信号进入所述从激光器(1、2、3、4)之一时的注入光强为由所述从激光器(1、2、3、4)之一发出的光脉冲信号的光强的3倍。
7.根据权利要求1所述的基于注入锁定技术的量子密钥分发光源，其特征在于，所述主激光器(12)和所述从激光器(1、2、3、4)上还设有温度控制装置，用于对所述从激光器(1、2、3、4)的温度进行控制，以使得所述主激光器(12)输出的光脉冲信号与所述从激光器(1、2、3、4)输出的光脉冲信号的波长差小于等于0.3nm。
8.根据权利要求7所述的基于注入锁定技术的量子密钥分发光源，其特征在于，所述各个温度控制装置分别对主激光器(12)和从激光器(1、2、3、4)的温度进行控制，以使得所述主激光器(12)输出的光脉冲信号的波长比所述从激光器(1、2、3、4)输出的光脉冲信号的波长大0.15nm。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的基于注入锁定技术的量子密钥分发光源，其特征在于，所述主激光器(12)和从激光器(1、2、3、4)均为可工作于脉冲模式的保偏光纤半导体激光器。
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