CN106375088A - 用于量子密码通信的编码器和解码器芯片 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了一种用于量子密码通信的编码器芯片。该编码器芯片包括：分别由各自的编码器、延迟线、可调衰减器构成的四路光路；1×4微环光开关，在一端处与编码器芯片的输入端相连并且在另一端处分别与四路光路相连，用于将入射光信号分为四路光信号，分别输入到所述四路光路；4×1合波器，在一端处与编码器芯片的输出端相连并且在另一端处分别与四路光路相连，用于将四路光路输出的编码后的光脉冲合为一路从输出端输出。另外，本发明的另一实施例还提供了用于量子密码通信的解码器芯片。

Description

用于量子密码通信的编码器和解码器芯片

技术领域

本发明属于量子通讯领域，尤其涉及量子密码通信的编码器芯片和解码器芯片。

背景技术

现代的人类社会是一个信息社会，光纤通讯技术作为信息通讯的载体，已被广泛地应用于军事医疗、航空航天、党政机关、科教娱乐等各个领域。随着信息在用户间大量的传递，信息的安全性变得越来越重要，信息的安全性已不仅仅是国家重要机关、金融信托系统交流信息的要求，同时由于互联网、物联网的普及，现在已经发展到每个人都需要绝对的信息安全。以量子密码技术为基础建立起来的量子通讯，它的理论基础是量子力学，以不确定关系和量子态不可复制原理保障信息通信的绝对安全，它的核心内容是如何利用量子技术实现量子密钥分配(QKD)。由C.H.Benett和G.Brassard(参见C.H.Bennett，G.BrassardIn：Proceedings of the IEEE International Conference on Computers，Systems，andSignal Processing，1984)于1984年提出的BB84协议【1】已经进入到实用化阶段。

目前的量子密码编码和解码设备是由各自独立的光电子元件和光纤器件组成，如，LiNbO₃电光调制器、光纤分束器、光纤延迟线、可调谐光衰减器、光纤环形器、法拉第反射镜等等。它们存在体积大、能耗高、稳定性能差等缺点，显然无法适应未来个人量子密码通信的要求。

发明内容

本发明的目的在于减少上述提及的问题的至少一部分，因此，本发明提供了一种具有新的结构的用于量子密码通信的编码器芯片和解码器芯片。

具体地，本发明利用集成光电子技术，设计了CMOS芯片工艺技术兼容的量子密码编码和解码系统结构。所有器件集成在芯片上，结构紧凑体积小，线路稳定，器件的能耗低。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于量子密码通信的编码器芯片，包括：

由第一编码器、第一延迟线、第一可调衰减器构成的第一光路；

由第二编码器、第二延迟线、第二可调衰减器构成的第二光路；

由第三编码器、第三延迟线、第三可调衰减器构成的第三光路；

由第四编码器、第四延迟线、第四可调衰减器构成的第四光路；

1×4微环光开关，在一端处与编码器芯片的输入端相连并且在另一端处分别与第一光路、第二光路、第三光路和第四光路相连，用于将入射光信号分为四路光信号，分别输入到所述第一光路、第二光路、第三光路和第四光路；

4×1合波器，在一端处与编码器芯片的输出端相连并且在另一端处分别与第一光路、第二光路、第三光路和第四光路相连，用于将第一光路、第二光路、第三光路和第四光路输出的编码后的光脉冲合为一路从输出端输出，

其中所述第一编码器、第二编码器、第三编码器和第四编码器中的每个编码器将输入到其中的脉冲光分成具有固定的相位差的前后两个子脉冲，并且每个编码器的前后两个子脉冲的相位差对于所述第一光路、第二光路、第三光路和第四光路中的每个光路是不同的且分别是2π×整数，π/2+2π×整数，π+2π×整数，3π/2+2π×整数中的任一个。

在一个示例中，所述编码器芯片还包括位于所述4×1合波器和编码器芯片的输出端之间的一个可调衰减器，配置成将从所述4×1合波器输出的每个光脉冲中的光子数减小到一个光子再输出。

在一个示例中，所述1×4微环光开关包括4组微环光开关，每组微环光开关由一个微环或由多个微环阵列构成，其中1×4微环光开关分出来的四路下路光作为1×4微环光开关的输出光，所述1×4微环光开关的上路光与一维光栅相连；

所述1×4微环光开关包括3组微环光开关，每组微环光开关由一个微环或由多个微环阵列构成，其中所述1×4微环光开关分出来的两路下路光和两路直通光作为所述1×4微环光开关的输出光，而所述1×4微环光开关的剩余的上路光与一维光栅相连。

在一个示例中，所述4组微环光开关中的每组微环光开关包括单个的或级联的微环谐振器，所述微环谐振器由载流子调制、电光调制或热光调制中至少一种调制。

在一个示例中，所述第一编码器、第二编码器、第三编码器和第四编码器中的每个编码器包括不等臂长的马赫贞德干涉仪；

其中，所述每个编码器具有2×2不等臂长的马赫贞德干涉仪的主体结构，所述每个编码器的输入部分和输出部分是2×2定向耦合器或多模干涉器。

在一个示例中，所述每个编码器包括对马赫贞德干涉仪的干涉臂进行加热的用于调节光的分配比例的微加热器，并且每个编码器的一个输入端口和一个输出端口分别与一维光栅相连；

其中，所述输入端口和输出端口处的一维光栅位于每个编码器的波导的同一侧或不同侧；

其中所述每个编码器是单个或级联的马赫贞德干涉仪。

在一个示例中，所述第一延迟线、第二延迟线、第三延迟线和第四延迟线中的每个延迟线是矩形光波导或脊形光波导；

所述第一可调衰减器、第二可调衰减器、第三可调衰减器、第四可调衰减器以及所述4×1合波器和编码器芯片的输出端之间的可调衰减器中的每个可调衰减器是电控的电吸收光衰减器或马赫贞德干涉仪光衰减器；

所述4×1合波器由级联的Y分叉构成的4×1合波器、1×2多模干涉器组合成的4×1合波器或一个4×1多模干涉器。

在一个示例中，所述编码器芯片由集成光电子技术制成，其中所述编码器芯片集成在芯片上。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于量子密码通信的解码器芯片，包括：

由第一解码器、第一光探测器和第二光探测器构成的第一光路；

由第二解码器、第三光探测器和第四光探测器构成的第二光路，

1×2分光器，在一端处与解码器芯片的输入端相连，并且在另一端处分别与第一光路和第二光路相连，用于将输入的单光子光脉冲分配到所述第一光路和第二光路，

其中所述第一解码器和第二解码器各自输出的前后两个子脉冲之间的相位差均为π，所述第一解码器和第二解码器中随机的一个解码器对应于{0，π}的一组集，所述第一解码器和第二解码器中的另一个解码器对应于{π/2，3π/2}的一组集，

其中所述第一解码器和第二解码器中的每个解码器包括一个不等臂长的马赫贞德干涉仪，其中两个干涉臂造成的时间延迟与根据权利要求1-11中任一项所述的编码器芯片中的编码器的时间延迟相同。

在一个示例中，所述1×2分光器由一个定向耦合器、一个多个干涉器、一个马赫贞德干涉仪中的任一个构成，

其中定向耦合器和马赫贞德干涉仪还设置有微加热器，用于调节光子的分配比例。

在一个示例中，不等臂长的马赫贞德干涉仪的一个输入端与一维光栅相连；

微加热器用于不等臂长的马赫贞德干涉仪的两个干涉臂的相位调节，以及用于马赫贞德干涉仪的输入端和输出端处调节光子的分配比例。

在一个示例中，所述解码器芯片由集成光电子技术制成，其中所述解码器芯片集成在芯片上。

附图说明

通过下面结合附图说明本发明的优选实施例，将使本发明的上述以及其它目的、特征和优点更加清楚，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的用于量子密码通信的编码器芯片的示意方框图；

图2是图1显示的编码器芯片的结构示意图；

图3a是图1显示的编码器芯片的1×4微环光开关的结构示意图；

图3b是图3a显示的1×4微环光开关的一种变形例的结构示意图；

图4a是用于图3a或图3b中显示的1×4微环光开关中的一组微环开关的载流子调制微环谐振器的结构示意图；

图4b是用于图3a或图3b中显示的1×4微环光开关中的一组微环开关的热光调制微环谐振器的结构示意图；

图4c是用于图3a或图3b中显示的1×4微环光开关中的一组微环开关的成级联形式的电光调制微环谐振器的结构示意图；

图5a是图1显示的编码器芯片的编码器的结构示意图，该编码器为具有单臂调制的马赫贞德干涉仪；

图5b是图1显示的编码器芯片的另一示例的编码器的结构示意图，该编码器为具有非等臂长的带有热光调控的马赫贞德干涉仪并且两个光栅耦合器分布在该编码器的两侧；

图5c是图1显示的编码器芯片的又一示例的编码器的结构示意图，该编码器为具有非等臂长的带有热光调控的马赫贞德干涉仪并且两个光栅耦合器分布在该编码器的同一侧；

图5d是图1显示的编码器芯片的还一示例的编码器的结构示意图，该编码器为具有成级联形式的非等臂长的带有热光调控的马赫贞德干涉仪并且两个光栅耦合器分布在该编码器的两侧；

图6a和6b分别是用于图1中的显示的可调光衰减器的两个可替代示例的结构示意图；

图7是根据本发明的另一实施例的用于量子密码通信的解码器芯片的示意性方框图；

图8是图7显示的解码器芯片的结构示意图；

图9a和9b分别是图8显示1×2分光器的两种可替代示例的结构示意图；

图10a和10b分别是图8显示的解码器的两种可替代示例的结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。

首先，参见图1和2，示出了根据本发明的一个实施例的用于量子密码通信的编码器芯片的方框示意图和立体结构示意图。该编码器芯片包括：

由第一编码器201、第一延迟线301、第一可调衰减器401构成的第一光路；

由第二编码器202、第二延迟线302、第二可调衰减器402构成的第二光路；

由第三编码器203、第三延迟线303、第三可调衰减器403构成的第三光路；

由第四编码器204、第四延迟线304、第四可调衰减器404构成的第四光路；

1×4微环光开关100，在一端处与编码器芯片的输入端相连并且在另一端处分别与第一光路、第二光路、第三光路和第四光路相连，用于将入射光信号分为四路光信号，分别输入到所述第一光路、第二光路、第三光路和第四光路；

4×1合波器500，在一端处与编码器芯片的输出端相连并且在另一端处分别与第一光路、第二光路、第三光路和第四光路相连，用于将第一光路、第二光路、第三光路和第四光路输出的编码后的光脉冲合为一路从输出端输出，

其中所述第一编码器201、第二编码器202、第三编码器203和第四编码器204中的每个编码器将输入到其中的脉冲光分成具有固定的相位差的前后两个子脉冲，并且每个编码器的前后两个子脉冲的相位差对于所述第一光路、第二光路、第三光路和第四光路中的每个光路是不同的且分别是2π×整数，π/2+2π×整数，π+2π×整数，3π/2+2π×整数中的任一个。

进一步地，该编码器芯片还包括所述4×1合波器500和编码器芯片的输出端之间的另一额外的可调衰减器405，配置成将从所述4×1合波器500输出的每个光脉冲中的光子数减小到一个光子或一个光子以下再输出。

在第一光路中，第一编码器201、第一延迟线301和第一可调衰减器401依次彼此连接。类似地，在第二光路中，第二编码器202、第二延迟线302和第二可调衰减器402依次彼此连接；在第三光路中，第三编码器203、第三延迟线303和第三可调衰减器403依次彼此连接；在第四光路中，第四编码器204、第四延迟线304和第四可调衰减器404依次彼此连接。

需要说明的是，在图1中为了简便的目的，将第一编码器简称为编码器1，将第二编码器简称为编码器2，类似地处理了第三、第四编码器，第一至第四延迟线，第一至第四可调衰减器，故在此不再累述。

在此需要说明的是，本发明中所提及的编码器芯片是把一个光子的量子态变成具有特定相位差的两个态的叠加态，特定相位差是2π×整数、π/2+2π×整数、π+2π×整数、3π/2+2π×整数的四个相位差中任意的一个，然后输出这个光子。

如图2和3a所示，所述1×4微环光开关100a包括串联连接的四组微环开关111、112、113、114。每组微环光开关由一个微环或由多个微环阵列构成。其中1×4微环光开关分出来的四路下路光作为1×4微环光开关的输出光，所述1×4微环光开关的上路光与光栅耦合器(例如一维光栅)121、122、123、124；最后一个微环光开关的直通光与光栅耦合器125相连。

进一步地，每组微环开关包括单个或级联的微环谐振器。入射光波导串联耦合四个上下载微环谐振器，每个微环谐振器的下载端为一路光，而所述微环谐振器的其他端口或上路光与光栅耦合器相连，其中该光栅耦合器121、122、123、124、125具体为一维光栅，当然也可以是能够实现相同功能的其它可替代的器件。

具体地参见图4a-4c，所述微环谐振器可以是电光调制的微环谐振器110a(如图4a所示)、热光调制的微环谐振器110b(如图4b所示)、或者是电光调制和热光调制的组合的微环谐振器。在构成形式上，每组微环开关可以是上述的图4a或4b所示的单个微环谐振器或成级联形式的微环谐振器110c(如图4c所示)。在此需要说明的是，级联的微环谐振器可以是载流子调制的微环谐振器、电光调制的微环谐振器、也可是热光调制的微环谐振器，或是载流子调制、电光调制和热光调制的组合的微环谐振器。本领域技术人员可以根据实际需要选择微环谐振器的调制方式。

在图3b中示出了另一种形式的1×4微环光开关110b，该1×4微环光开关包括3组微环开关111、112、113，其中第一组微环开关111的下路光和直通光分别是另外两组微环开关112和113的输入光。每组微环光开关由一个微环或由多个微环阵列构成，其中所述1×4微环光开关分出来的两路下路光和两路直通光作为所述1×4微环光开关的输出光，而所述1×4微环光开关的剩余的上路光与一维光栅121、122、123相连。除了上述不同之外，考虑到图3b中形式的1×4微环光开关与图3a中的1×4微环光开关都大体相同，故在此不再重复累述。

图1中的所有部分的实线是光波导，光波导的材料可以是半导体材料，如Si、InP、InGaAsP等；可以是介质材料，如SiN、SiON、LiNbO₃，AlN等。微环谐振器的波导材料可以是半导体材料和电光材料。电光材料包括非线性光学材料、聚合物材料等。半导体的微环谐振器的电光调制可以是P-N结、P-i-N结，两个电极材料可以分别是P型和N型半导体；电光调制的微环谐振器的电光材料可以用两个金属电极。加热材料可以是Ti，TiN，TaN，掺杂半导体材料等。

再次参见图1，所述第一编码201、第二编码器202、第三编码器203和第四编码器204中的每个编码器包括不等臂长的马赫贞德干涉仪(MZI)。所述不等臂长的马赫贞德干涉仪可以是单臂调制的马赫贞德干涉仪200(如图5a所示)或具有不同臂长的双臂调制的马赫贞德干涉仪200a、220b、220c(如图5b-5d所示)。

在图5a-5d中，所述编码器具有2×2不等臂长的马赫贞德干涉仪的主体结构，所述每个编码器的输入部分和输出部分210可以是带有微加热器的2×2定向耦合器或多模干涉器MMI，也可以是带有微加热器的2×2MZI结构230。每个编码器包括对马赫贞德干涉仪的干涉臂进行加热的微加热器220。该微加热器可以设置成对每个干涉臂或其中的一个干涉臂进行加热，从而实现调节光的分配比例。每个MZI的一个输入端和一个输出端与光栅耦合器(例如一维光栅)120相连。在图5a、5b和5d中示出了两个光栅耦合器120设置在波导的不同侧，而在图5c中示出了两个光栅耦合器120设置在波导的同一侧。如图5d所示，每个编码器还可以设置成级联的MZI。如图2所示，在第一至第四光路中的延迟线301、302、303、304可以是一段特定长度的波导，并且在所述第一至第四光路中，每个光路中的延迟线的长度可以是不同的，以保障光子从器件开始的入射端到最后的出射端的光程是相同的。具体地，每个延迟线可以是矩形光波导或是脊形光波导。

所述第一可调衰减器401、第二可调衰减器402、第三可调衰减器403、第四可调衰减器404以及所述4×1合波器500和编码器芯片的输出端之间的可调衰减器405中的每个可调衰减器是波导电吸收光衰减器400a(如图6a所示)或马赫贞德干涉仪光衰减器400b(如图6b所示)。

所述4×1合波器500由级联(三个)的Y分叉构成的4×1合波器、(三个)1×2多模干涉器组合成的4×1合波器或一个4×1多模干涉器。

通过上述可知，本发明的编码器芯片由集成光电子技术制成，该编码器芯片的所有部件均集成在芯片上或单个硅片上。

由上述可知，本发明的用于量子密码通信的编码器芯片由高速光开关、四个可调的非等臂长马赫贞德干涉仪(MZI)、光延迟线、五个可调光衰减器和一个合波器构成。利用微环开关把入射光信号分成四路，同时起到光分束器和光调制器的作用。

在一个示例中，微加热器与MZI前后分束器集成在一起，以调节光在两个干涉臂的分配比例。微加热器集成在MZI的干涉臂上还可以用于调节两个干涉臂的相位差。另外，可调光衰减器与MZI的输出波导相连，每路光都连有一个延迟线。

在本发明中编码器芯片的工作原理如下：

如图1所示，周期脉冲光耦合进波导，进入1×4微环光开关100，该1×4微环光开关的频率与入射脉冲光的脉冲频率相同并且由编码的电信号控制，根据该电信号的指令分别进入第一至第四四个光路。每个光路有一个独立的编码器，该编码器的作用是将一个光脉冲分成前后两个子脉冲，这两个子脉冲之间具有固定的相位差，这个相位差对于每个光路来说是不同的，他们分别是2π×整数，π/2+2π×整数，π+2π×整数，3π/2+2π×整数，(分别用i＝1～4表示)，四个中任意的一个，并且不可以重复。每路光信号都经过一个延迟线，延迟线的目的是使光从入射端到最后出射端所经历的四个光路保持相同的光程。每路光信号都经过一个可调光衰减器，可调光衰减器的目的是使每个光路的光损耗保持相同。一个1×4合波器将四路光信号合在一起，并进入可调光衰减器，该衰减器将每个光脉冲中的光子数减小到一个光子，并输出。

对于1×4微环光开关：其中的微环光开关是基于上下话路的微环谐振器，只有当微环谐振器的谐振频率等于入射光频率的时候，下路端才会有光子输出，否则只有直通端才会有光子输出。通过调节微环的谐振频率，可以起到在下路光与直通光之间的切换作用。

编码器是一个不等臂长的MZI，编码器的输入到输出光子可以选择两个干涉臂中任意一个，因此有两个路径，光脉冲将会由一个变成前后两个子脉冲。两个路径具有不同的相位差，这个相位差可以用微加热器调节为中的一个。对于一个出射光子来说，它是两个路径的叠加态，即|t>和|t+τ>分别表示前后两个子脉冲的光子态。调节每个MZI的入射和出射部分210的微加热器，可以使前后两个子脉冲的几率幅相同。MZI的输入和输出端各有一个端口与一维光栅相连，这两个一维光栅可以作为检查该MZI性能的输入和输出端口。

每个光路上的延迟线是光子无论从哪个光路通过，都具有相同的光程。每个光路上的可调衰减器可以使每个光路的光损耗相同。

1×4合波器将四个光路合并到一个光波导，最后一个光衰减器把每个光脉冲的光子数降到一个光子以下。

参见图7和8示出根据本发明的另一实施例的解码器芯片的方框示意图和结构示意图。该用于量子密码通信的解码器芯片包括：

由第一解码器701、第一光探测器801和第二光探测器802构成的第一分支；

由第二解码器702、第三光探测器803和第四光探测器804构成的第二分支，

1×2分光器600，在一端处与解码器芯片的输入端相连，并且在另一端处分别与第一分支和第二分支相连，用于将输入的单光子光脉冲分配到所述第一分支和第二分支，

其中所述第一解码器701和第二解码器702各自输出的前后两个子脉冲之间的相位差均为π，所述第一解码器701和第二解码器702中随机的一个解码器对应于{0，π}的一组集，所述第一解码器701和第二解码器702中的另一个解码器对应于{π/2，3π/2}的一组集，

其中所述第一解码器701和第二解码器702中的每个解码器包括一个不等臂长的马赫贞德干涉仪，其中每个马赫贞德干涉仪的干涉臂造成的时间延迟与上述的编码器芯片中的编码器的时间延迟相同。

需要说明的是，在图7中为了简便的目的，将第一解码器简称为解码器1，将第二解码器简称为解码器2，类似地处理了第一至第四光探测器，故在此不再累述。

参见图9a和9b，示出了该1×2分光器可以是1×2Y-分叉、1×2MMI、2×2的定向耦合器，或者是2×2MMI、1×2MZI或2×2MZI。图9a示出了带有热光调控的定向耦合器600a，而图9b示出了带有热光调控的MZI 600b。另外，还可以设置微加热器(未示出)用于调节定向耦合器和MZI中的光子分配比例。不等臂长的马赫贞德干涉仪的一个输入端与一维光栅相连；微加热器用于不等臂长的马赫贞德干涉仪的两个干涉臂的相位调节，以及用于马赫贞德干涉仪的输入端和输出端处调节光子的分配比例。

参见图10a和10b，第一和第二解码器的主体结构是2×2的不等臂长的MZI结构700a，其输入和输出部分710是2×2定向耦合器或多模干涉器(MMI)。还可以设置微加热器，用于调节光的分配比例。该微加热器720对每个干涉臂或其中的一个干涉臂加热。每个MZI的一个输入端可以与一个光栅耦合器120相连700b。该MZI可以是单个或级联形式的MZI。

由上述可知，本发明提供的解码器芯片由一个光分束器、两个热光调相的非等臂长的MZI组成。在该光分束器中，由微加热器控制分光比。解码器芯片的每个MZI的两个输出段分别进入到两个光电探测器。用光栅耦合器连接微环光开关的一个端口或MZI的两个端口，用于检测和调试该器件的工作状态。

本发明的解码器芯片的工作原理如下：如图7和8所示，首先入射光子通过一个50∶50的光分束器，使这个光子随机地分配到两个波导中，再分别进入第一和第二编码器701和702，每个解码器是一个不等臂长的MZI，两个干涉臂造成的时间延迟与上述的编码器的相同。MZI的入射和出射端有微加热器调节分光比例。两个干涉臂上可以通过微加热器改变相位，其相位差一个是(0orπ)+2π×整数，另一个是(π/2or3π/2)+2π×整数。MZI的一个输入端与一维光栅相连，用于检测MZI的性能。MZI的两个输出端分别与光探测器相连。

本发明实施例所提供的编码器芯片和解码器芯片的具有以下有益效果：

1，体积小成本低。如，一个普通商用的LiNbO₃高速电光调制器要10cm长，而一个微环电光调制器，直径只有几十微米，面积可以缩小近一百万倍。用CMOS工艺制作的一片SOI晶片上，可以集成成百上千个器件，平均每个器件的成本非常低。

2，集成光学光波导，精度高性能稳定。如，普通的光纤器件，如果控制延迟线的长度到几十微米的范围内，非常困难，而集成光学光波导的长度可以控制在纳米量级。

3，适合批量生产，重复性好。用普通光纤和光电子器件，难于保障器件之间的差异，以及封装过程中带来的误差。集成光学器件完全在芯片上集成，免去了绝大部分的封装过程。

本领域的技术人员可以理解，上面所描述的实施例都是示例性的，并且本领域的技术人员可以对其进行改进，各种实施例中所描述的结构在不发生结构或者原理方面的冲突的情况下可以进行自由组合。

虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。

虽然本总体发明构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

应注意，措词“包括”不排除其它元件或步骤，措词“一”或“一个”不排除多个。另外，权利要求的任何元件标号不应理解为限制本发明的范围。

Claims (12)

1.一种用于量子密码通信的编码器芯片，包括：

由第一编码器、第一延迟线、第一可调衰减器构成的第一光路；

由第二编码器、第二延迟线、第二可调衰减器构成的第二光路；

由第三编码器、第三延迟线、第三可调衰减器构成的第三光路；

由第四编码器、第四延迟线、第四可调衰减器构成的第四光路；

1×4微环光开关，在一端处与编码器芯片的输入端相连并且在另一端处分别与第一光路、第二光路、第三光路和第四光路相连，用于将入射光信号分为四路光信号，分别输入到所述第一光路、第二光路、第三光路和第四光路；

4×1合波器，在一端处与编码器芯片的输出端相连并且在另一端处分别与第一光路、第二光路、第三光路和第四光路相连，用于将第一光路、第二光路、第三光路和第四光路输出的编码后的光脉冲合为一路从输出端输出，

其中所述第一编码器、第二编码器、第三编码器和第四编码器中的每个编码器将输入到其中的脉冲光分成具有固定的相位差的前后两个子脉冲，并且每个编码器的前后两个子脉冲的相位差对于所述第一光路、第二光路、第三光路和第四光路中的每个光路是不同的且分别是2π×整数，π/2+2π×整数，π+2π×整数，3π/2+2π×整数中的任一个。

2.根据权利要求1所述的编码器芯片，还包括位于所述4×1合波器和编码器芯片的输出端之间的一个额外的可调衰减器，配置成将从所述4×1合波器输出的每个光脉冲中的光子数减小到一个光子再输出。

3.根据权利要求1或2所述的编码器芯片，其中

所述1×4微环光开关包括4组微环光开关，每组微环光开关由一个微环或由多个微环阵列构成，其中1×4微环光开关分出来的四路下路光作为1×4微环光开关的输出光，所述1×4微环光开关的上路光与一维光栅相连；

所述1×4微环光开关包括3组微环开关，每组微环开关由一个微环或由多个微环阵列构成，其中所述1×4微环光开关分出来的两路下路光和两路直通光作为所述1×4微环光开关的输出光，而所述1×4微环光开关的剩余的上路光与一维光栅相连。

4.根据权利要求3所述的编码器芯片，其中

所述4组微环光开关中的每组微环光开关包括单个的或级联的微环谐振器，所述微环谐振器由载流子调制、电光调制和热光调制中的至少一种方式调制。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的编码器芯片，其中，所述第一编码器、第二编码器、第三编码器和第四编码器中的每个编码器包括不等臂长的马赫贞德干涉仪；

其中，所述每个编码器具有2×2不等臂长的马赫贞德干涉仪的主体结构，所述每个编码器的输入部分和输出部分是2×2定向耦合器或多模干涉器。

6.根据权利要求5所述的编码器芯片，其中，所述每个编码器包括对马赫贞德干涉仪的干涉臂进行加热的用于调节光的分配比例的微加热器，并且每个编码器的一个输入端口和一个输出端口分别与一维光栅相连；

其中，所述输入端口和输出端口处的一维光栅位于每个编码器的波导的同一侧或不同侧；

其中所述每个编码器是单个或级联的马赫贞德干涉仪。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的编码器芯片，其中，所述第一延迟线、第二延迟线、第三延迟线和第四延迟线中的每个延迟线是矩形光波导或脊形光波导；

所述第一可调衰减器、第二可调衰减器、第三可调衰减器、第四可调衰减器以及所述4×1合波器和编码器芯片的输出端之间的额外的可调衰减器中的每个可调衰减器是波导电吸收光衰减器或马赫贞德干涉仪光衰减器；

所述4×1合波器由级联的Y分叉构成的4×1合波器、1×2多模干涉器组合成的4×1合波器或一个4×1多模干涉器。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的编码器芯片，其中，所述编码器芯片由集成光电子技术制成，其中所述编码器芯片集成在芯片上。

9.一种用于量子密码通信的解码器芯片，包括：

由第一解码器、第一光探测器和第二光探测器构成的第一分支；

由第二解码器、第三光探测器和第四光探测器构成的第二分支，

1×2分光器，在一端处与解码器芯片的输入端相连，并且在另一端处分别与第一分支和第二分支相连，用于将输入的单光子光脉冲分配到所述第一分支和第二分支，

其中所述第一解码器和第二解码器各自输出的前后两个子脉冲之间的相位差均为π，所述第一解码器和第二解码器中随机的一个解码器对应于{0，π}的一组集，所述第一解码器和第二解码器中的另一个解码器对应于{π/2，3π/2}的一组集，

其中所述第一解码器和第二解码器中的每个解码器包括一个不等臂长的马赫贞德干涉仪，其中所述马赫贞德干涉仪的干涉臂造成的时间延迟与根据权利要求1-11中任一项所述的编码器芯片中的编码器的时间延迟相同。

10.根据权利要求9所述的解码器芯片，其中

所述1×2分光器由一个定向耦合器、一个多个干涉器、一个马赫贞德干涉仪中的任一个构成，

其中定向耦合器和马赫贞德干涉仪还设置有微加热器，用于调节光子的分配比例。

11.根据权利要求9或10所述的解码器芯片，其中

不等臂长的马赫贞德干涉仪的一个输入端与一维光栅相连；

微加热器用于不等臂长的马赫贞德干涉仪的两个干涉臂的相位调节，以及用于马赫贞德干涉仪的输入端和输出端处调节光子的分配比例。

12.根据权利要求9-11中任一项所述的编码器芯片，其中，

所述解码器芯片由集成光电子技术制成，其中所述解码器芯片集成在芯片上。