CN107317636B - 一种用于量子通信系统的光源及编码装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于量子通信领域的光源及采用该光源的编码装置。本发明的光源在应用于Z基矢编码时可以提供高且稳定的消光比，并且可以提供具有稳定相位关系的连续两个光脉冲以用于X基矢下的编码。

Description

一种用于量子通信系统的光源及编码装置

技术领域

本发明涉及量子保密通信技术领域，特别涉及用于编码装置的光源及相应的编码装置。

背景技术

通信技术作为当代社会不可或缺的关键技术，其发展迅猛，日新月异。量子保密通信就是通信技术领域中极有应用前景的新兴技术。作为量子力学、现代通信和现代密码学的结晶，量子保密通信相较于经典通信方式有无可比拟的安全性优势。量子密钥分发就是量子保密通信所涵盖的诸多细分领域中，最为常用且最易推广的一个方向。量子密钥分发基于量子力学的基本原理，利用“一次一密”的方式对信息进行加密，从原理上保证了保密通信的不可破译的特性，这对保密性要求较高的国防单位、金融机构、政府部门，乃至高速发展的互联网金融都是开创性的一大进步。

自从1984年诞生以来，作为第一套量子密钥分发协议，BB84协议就日益发展，目前已经成为世界上应用最广泛，技术最成熟，综合效果最好的一套量子密钥分发协议。BB84协议基于四态编码，利用偏振或者相位的方式，对信息进行编码，将经过偏振或者相位编码的光子传输，再通过一套由波片、分束器、光电管、相应电路等器件组成的简单的解码装置对信息进行解码。其结构简单，系统技术要求不高，易于维护和大规模生产，工艺成熟，在成码率、成码距离上，相比其他协议有着无可比拟的优势。

然而，随着量子密钥分发系统的发展和理论的完善，人们发现，量子密钥分发所确保的所谓理论上的绝对安全性到了实际应用中，就会出现不少不符合理论假设的情况，从而使安全性大打折扣，系统的缺陷也逐渐暴露出来，成为量子黑客攻击的目标。其中，较为著名的是光子数分离攻击，它通过对非理想单光子源中的多光子成分进行截取和攻击，达到窃听的效果。应对的措施是利用诱骗态理论，通过调节发送端的光强来防止光子数分离攻击，也即诱骗态BB84 量子密钥分发系统。

诱骗态BB84 量子密钥分发系统的编码方案中主要采用偏振编码、相位编码和时间比特-相位编码等编码方式。对于偏振编码，其优势为成本低廉且结构简单，而其劣势为偏振系统容易受到光纤偏振扰动的影响，直接影响其误码率，由此而导致的对偏振的补偿措施，造成了时间上的浪费以致成码率降低或者不稳定。

相比于偏振编码，采用相位编码方式的方案通过不等臂干涉仪制备光脉冲，利用前后光脉冲的相位差作为信息载体，而光纤的偏振变化对相位差的影响较小，因此偏振变化不会造成误码率上升，有利于远距离传输或在有强烈外界干扰的环境使用。其劣势为传统相位系统的接收端插损很大，导致成码率以及最远成码距离低于偏振系统。

在上述背景下发展出的时间比特-相位编码方式，采用了2个基矢来编码，即：时间 基矢（Z基矢，其本征态为）；以及相位基矢（X或Y基矢，其本征态为或）。

图1示出了一种用于实现时间比特-相位编码的编码装置。如图1中所示，光源输出的激光脉冲经不等臂MZ干涉仪产生两个时间上分离的脉冲分量，这两个脉冲分量先后进入等臂干涉仪中。等臂干涉仪中包括两个相位调制器（PM），通过调节这两个相位调制器的相对相位差可以获得不同的干涉输出光强和相位结果，而且对于不同时间到达的脉冲分量，通过切换调制电压值可以调制出不同的光强和相位结果。图1中的编码装置能够进行3种基矢的编码。例如，等臂干涉仪的相位差为0、π时对应输出为消光和有光结果，此时为Z基矢编码；相位差为π/2、-π/2时都输出脉冲，脉冲之间的相位差则决定是X基矢编码或Y基矢编码。

图2示出了另一种用于实现时间比特-相位编码的编码装置。如图2所示，光源输出的激光脉冲经不等臂MZ干涉仪产生两个时间上分离的脉冲分量。为了获得X和Y基矢下的相位编码，通过相位调制器在两个脉冲分量之间加载四种相位0、π、π/2和3π/2.为了获得Z基矢下的时间比特编码，通过强度调制器（IM）对前或后脉冲分量分别调制，控制通过或消光，保留前一个或者后一个脉冲分量以得到时间态|t₀>或|t₁>。如果是X或Y基矢编码，则强度调制器对两个脉冲分量均通光1/2。由于强度调制器可以看做是一个等臂干涉仪，因此，图1和图2的编码装置在编码原理上是一致的。

由此可见，在已知的用于实现时间比特-相位编码的编码装置中均需要基于等臂干涉仪原理的元件参与到编码过程中，其时间和相位基矢的稳定性、成码率及成码率的稳定性均要依赖于这种等臂干涉仪元件的稳定性。然而，光纤搭建的等臂干涉仪由于相位变化会受到环境温度、应力、震动等各种影响，无法保证其干涉结果的稳定性，从而导致诸如Z基矢和X基矢的不稳定性和消光比不佳等问题。因此，已知的用于时间比特-相位编码的编码装置在基矢稳定性、成码率及其稳定性方面存在不足，特别在恶劣的编码环境下需要频繁的强度反馈用于稳定时间编码，或相位反馈用于稳定相位编码，而这也导致需要引入其他反馈装置和结构，会增加系统的成本，信息传输效果不佳，因此实用范围有所限制。

目前的可同时用于时间编码和相位编码的编码装置存在编码不稳定、消光比不佳的问题，这直接导致最终的通信传输效率低下，传输距离有限。而现有的诸多相关文献也未能对此问题提出很好的解决方法，即使简化了结构或是改进了编码方案，优化了整体通信系统，在一定程度上提升了最终的通信效果，但是治标不治本，对于上述问题仍然如鲠在喉，受制于此。

例如东芝公司曾经提出过在量子通信系统中采用脉冲注入锁定技术来实现脉冲光源的方案。这种基于脉冲注入锁定技术的光源方案可以使得光脉冲光谱性能更好，能提高编码态的干涉性能，最终提高成码性能。然而，在东芝公司所公开的方案中，其采用的是偏振编码方式，这种编码方式会受到传输过程中光纤的偏振变化影响，需要通过偏振反馈来补偿偏差。此外，在这种基于脉冲注入锁定技术的脉冲光源方案中，光源输出的仍然是相位随机的光脉冲，其改进之处仅在于提高了光脉冲的光谱性能，减小了光脉冲的时间抖动（time jitter）现象，使得最终的干涉效果得到增强。这种光源方案不能解决上面提及的用于时间比特-相位编码的编码装置中的不足，只是在一定程度上使得光脉冲干涉效果增强，对整体通信系统效能的提升仍然有限。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种可同时用于时间编码和相位编码的光源以及应用这种光源的编码装置，其能够允许进行高稳定性和高消光比的时间-相位编码。

根据本发明的光源可以包括：主激光器，其在一个系统周期内基于主驱动信号源提供的主驱动信号的驱动输出一个主激光器脉冲，以用于形成种子光；以及从激光器，其基于从驱动信号源提供的从驱动信号的驱动在所述种子光的激励下以注入锁定的方式输出从激光器脉冲，用于编码信号光脉冲。

在本发明中，从驱动信号可以包括第一、第二和第三从驱动信号，且在一个系统周期内，所述第一、第二和第三从驱动信号中的一个可以被随机地输出以驱动所述从激光器。其中，在一个系统周期内，所述从激光器可以在所述第一从驱动信号的驱动下仅输出一个第一从激光器脉冲，且所述第一从激光器脉冲是源于一个所述主激光器脉冲的位于第一时间位置的脉冲部分激励的；在一个系统周期内，所述从激光器可以在所述第二从驱动信号的驱动下仅输出一个第二从激光器脉冲，且所述第二从激光器脉冲是源于一个所述主激光器脉冲的位于第二时间位置的脉冲部分激励的；并且，在一个系统周期内，所述从激光器在所述第三从驱动信号的驱动下输出连续两个第三从激光器脉冲，且所述两个第三从激光器脉冲是分别源于一个所述主激光器脉冲的位于第三时间位置和第四时间位置的脉冲部分激励的。由此，本发明的光源在应用于Z基矢编码时可以提供高且稳定的消光比，并且可以提供具有稳定相位关系的连续两个光脉冲以用于X基矢下的编码。

进一步地，主、从激光器可以通过光学传输元件连接，其中主激光器脉冲进入光学传输元件的第一端口并从第二端口离开注入从激光器，从激光器脉冲进入光学传输元件的第二端口并从第三端口离开，从而提供光源的输出。

在本发明的一个示例性方面，主激光器的数量为1个，且其工作频率为系统频率。从激光器的数量为1个，且其工作频率可以至少为主激光器的工作频率的两倍。主激光器脉冲的宽度可以大于或等于连续两个第三从激光器脉冲的总宽度。

进一步地，主、从激光器之间的相对延时可以被设置成使得，在一个系统周期内，注入到从激光器中的主激光器脉冲在时间上能够覆盖连续两个第三从激光器脉冲。

更进一步地，光源还可以包括用于向主激光器提供另一个种子光以使主激光器以注入锁定方式生成主激光器脉冲的激光器。

在本发明的另一示例性方面，主、从激光器的数量可以均为1个，且可以在主激光器与光学传输元件之间设有不等臂干涉仪。其中，不等臂干涉仪的臂长差可以被设置成使得，主激光器脉冲经其分成的先后两个脉冲部分之间的时间差与所述第三从激光器脉冲之间的间隔时间一致。

进一步地，主激光器的工作频率可以为系统频率，从激光器的工作频率至少为主激光器的工作频率的两倍，且主激光器脉冲的宽度大于从激光器脉冲的宽度。

进一步地，主、从激光器之间的相对延时可以被设置成使得，在一个系统周期内，主激光器脉冲被不等臂干涉仪分成的两个脉冲部分注入到从激光器时，在时间上能够分别覆盖连续的两个第三从激光器脉冲。

在本发明的又一示例性方面，主激光器的数量可以为1个，而从激光器及与之相连的光学传输元件的数量可均为2个，且主激光器经第一分束器分别通过两个光学传输元件连接两个从激光器。两个从激光器分别通过两个光学传输元件连接第二分束器，以便将两个从激光器输出的从激光器脉冲合成一路输出。其中，第一分束器被用于将主激光器脉冲分成两个脉冲部分。

进一步地，主、从激光器的工作频率可均为系统频率，且主激光器脉冲的宽度大于从激光器脉冲的宽度。

进一步地，主、从激光器之间的相对延时可以被设置成使得，在一个系统周期内，主激光器脉冲被第一分束器分成的两个脉冲部分在被注入到从激光器中时能够分别在不同的时间位置上覆盖第三从激光器脉冲中的一个。

进一步地，光学传输元件与第二分束器之间还可以设有可调的时间延时元件。

优选地，光学传输元件可以为环形器或分束器。

优选地，第一和第三时间位置可以是相同的，第二和第四时间位置可以是相同的。

优选地，第一和第二从激光器脉冲的强度可以是相同的，且可以为第三从激光器脉冲的强度的一倍。

本发明的另一方面提供了一种可同时进行时间编码和相位编码的编码装置，其可以包括本发明的光源。

可选地，编码装置还可以包括强度调制器和/或相位调制器。其中，相位调制器可以被用于调制连续两个第三从激光器脉冲之间的相位差。强度调制器可以被用于调制第一从激光器脉冲、第二从激光器脉冲、第三从激光器脉冲之间的相对光强。

附图说明

图1示意性地示出了现有技术的用于时间比特-相位编码的编码装置；

图2示意性地示出了现有技术的用于时间比特-相位编码的另一编码装置；

图3A示意性地示出了本发明第一实施例的光源及编码装置；

图3B示意性地示出了本发明第一实施例的光源中光脉冲的形成过程；

图4A示意性地示出了本发明第二实施例的光源及编码装置；

图4B示意性地示出了本发明第二实施例的光源中光脉冲的形成过程；

图5A示意性地示出了本发明第三实施例的光源及编码装置；

图5B示意性地示出了本发明第三实施例的光源中光脉冲的形成过程；

图6A示意性地示出了本发明第四实施例的光源及编码装置；以及

图6B示意性地示出了本发明第四实施例的光源中光脉冲的形成过程。

具体实施方式

在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。

根据本发明，光源可以包括：主激光器，其在主驱动信号源提供的主驱动信号驱动下输出主激光器脉冲，以用于形成种子光；以及从激光器，其在从驱动信号源提供的从驱动信号驱动下输出从激光器脉冲，以用于进行编码。从驱动信号可以包括第一、第二和第三从驱动信号，且从驱动信号源可以随机地输出第一、第二和第三从驱动信号中的一个。在一个系统周期内，从激光器在第一从驱动信号的驱动下仅输出一个第一从激光器脉冲，且第一从激光器脉冲是源于一个主激光器脉冲的位于第一时间位置的脉冲部分激励的。在一个系统周期内，从激光器在第二从驱动信号的驱动下仅输出一个第二从激光器脉冲，且第二从激光器是源于一个主激光器脉冲的位于第二时间位置的脉冲部分激励的。在一个系统周期内，从激光器在第三从驱动信号的驱动下输出连续两个第三从激光器脉冲，且这两个第三从激光器脉冲是分别源于一个主激光器脉冲的位于第三时间位置和第四时间位置的脉冲部分激励的。由于用于激励这两个第三从激光器脉冲的种子光是源自同一个主激光器脉冲的两个脉冲部分，两个种子光之间可以形成固定的相位关系，因此在注入锁定的发光机制下，由同一个主激光器脉冲的两个脉冲部分构成的这两个种子光激励产生的连续两个第三从激光器脉冲之间也将形成固定而非随机的相位关系。

在本文中，诸如第一、第二、第三或第四时间位置等时间位置可以被用于指示一个系统周期内的相对时间位置。

本发明的光源特别适合用于时间比特-相位编码，其中，第一和第二从激光器脉冲可以用于Z基矢下的编码，即时间编码；连续两个第三从激光器脉冲可以用于X基矢下的编码，即相位编码。换言之，当进行Z基矢编码时，从驱动信号源可以输出第一、第二从驱动信号中的一个，以使从激光器基于一个主激光器脉冲的激励输出一个具有固定时间特征（例如时间上在前或者在后）的从激光器脉冲，用于时间编码；当进行X基矢编码时，从驱动信号源可以输出第三从驱动信号，以使从激光器基于一个主激光器脉冲输出连续两个具有稳定时间和相位关系的从激光器脉冲，以满足相位编码之需。

优选地，第一、第二从激光器脉冲可以被设置成具有相同的强度，而连续两个第三从激光器脉冲的每一个的强度可以被设置成是第一和第二从激光器脉冲的一半。第一时间位置可以与第三时间位置相同。第二时间位置可以与第四时间位置相同。

本领域技术人员容易认识到，从驱动信号可以不限于第一、第二和第三从驱动信号，而是还可以有其他从驱动信号。相应地，在一个主激光器脉冲的激励下，从激光器的输出可以不限于第一、第二和第三从激光器脉冲，而是还可以在其他时间位置上输出唯一一个从激光器脉冲，或者输出更多个连续的具有稳定时间和相位关系的从激光器脉冲。

为了更好地理解本发明的原理，以在时间比特-相位编码方案中的应用为例，图3-6示出了本发明的光源的几个具体实施方式。在这些具体实施方式中，出于说明性的目的，仅以从驱动信号源输出第一、第二和第三从驱动信号，且第一、第三时间位置相同及第二、第四时间位置相同为例。然而，本领域技术人员能够认识到，这些具体实施方式仅是示例性的，并不期望将本发明限制为这些具体实施方式。

实施例一

图3A中示出了根据本发明的光源的第一示例性实施例。如图所示，根据本发明的第一实施例的光源包括一个主激光器11和一个从激光器12，主激光器11和从激光器12之间通过光学传输元件13连接。光学传输元件13可以包括三个端口1-3，且被设置成：从端口1进入的光可以从端口2离开，从端口2进入的光可以从端口3离开。在该实施例中，主激光器11连接光学传输元件13的端口1，从激光器12连接光学传输元件13的端口2，光学传输元件13的端口3作为光源的输出端口。

光学传输元件可以为环形器或分束器。优选地，在该实施例中选择环形器作为光学传输元件来使用。

主激光器11的工作频率可以为系统频率。从激光器12的工作频率可以至少为主激光器11的工作频率的2倍，且两个连续从激光器脉冲的总宽度（脉冲宽度与间隔时间之和）要小于主激光器脉冲宽度，使得在一个主激光器脉冲的激励下可以生成两个从激光器脉冲，参见图3B。

如图3A和3B所示，主激光器11输出主激光器脉冲，在此其直接作为种子光经由环形器13的端口2注入到从激光器12中。通过调节主、从激光器的相对延时，使得在一个系统周期内，注入到从激光器中的主激光器脉冲在时间上能够覆盖连续两个从激光器脉冲，从而以该主激光器脉冲为种子光通过注入锁定的方式在从激光器12中激励产生连续两个从激光器脉冲。从激光器脉冲从环形器13的端口3处输出，提供光源的输出脉冲。

对于本发明的光源，当要进行X基矢编码时，在一个系统周期内，从驱动信号源输出第三从驱动信号，使得在第三（第一）时间位置和第四（第二）时间位置上，从激光器在注入的主激光器脉冲的激励下以注入锁定的方式生成两个第三从激光器脉冲。用于这两个第三从激光器脉冲的种子光分别为注入从激光器的主激光器脉冲中的对应于第三和第四时间位置的脉冲部分；两个第三从激光器脉冲的输出时间分别对应于第三和第四时间位置，两者的输出时间差即为第三和第四时间位置对应的时间差。由于在注入锁定条件下，从激光器脉冲与相应种子光之间存在固定的相位关系，而一个主激光器脉冲上对应于第三和第四时间位置的脉冲部分在相位上的关系（相位差）是固定的。因此，此时在一个系统周期内输出的两个连续的第三从激光器脉冲之间也存在固定的相位差，而不再是非注入锁定方式下的随机相位关系，也不是传统的在注入锁定方式下由不同的主激光器脉冲激励下的随机相位关系，且这种相位差可以由第三和第四时间位置决定。

由于此时输出的两个第三从激光器脉冲之间存在固定的相位关系，因此，必要时可以直接让这两个第三从激光器脉冲通过一个相位调制器14，在两个脉冲之间加载调制相位0或者π，从而完成X基矢编码。相比于现有技术，在用于编码的光路上至少省略了用于提供两个具有固定时间和相位关系的光脉冲的分光元件，诸如不等臂干涉仪，或者借助分束器和延迟线形成的分光元件，简化了编码装置的光路结构。同时，由于在编码光路上无需再对信号光分光，因此，对于激光器功率的要求也降低了，使得系统要求及成本减小。此外，由于X基矢的稳定性，特别对于MDIQKD协议，可以省去传统的相位编码和/或时间比特-相位编码系统所要求的实时相位校准反馈装置以及额外的供反馈光使用的光通道，初始的相位差只需要MDIQKD的测量端Charlie将测得的X基矢误码率通过经典信道告知MDIQKD的发送端Alice、Bob，由Alice和Bob调节各自的初始相位即可，后续无需再进行相位反馈。

当要进行Z基矢编码时，在一个系统周期内，由从驱动信号源随机输出第一和第二从驱动信号中的一个，使得相应地在第一时间位置或第二时间位置上，从激光器在注入的主激光器脉冲的激励下以注入锁定的方式生成一个第一从激光器脉冲或者一个第二从激光器脉冲。类似地，用于第一或第二从激光器脉冲的种子光分别为注入从激光器的主激光器脉冲中的对应于第一或第二时间位置的脉冲部分，第一或第二从激光器脉冲的输出时间分别对应于第一或第二时间位置。因此，具有各自不同的输出时间特征的第一和第二从激光器脉冲可以被直接用来代表不同的时间编码，例如当光源在一个系统周期内只输出第一从激光器脉冲时，第一从激光器脉冲可以被用来表示在第一时间位置上通光且第二时间位置上消光的现象，即可以被用于代表时间编码1；当光源在一个系统周期内只输出第二从激光器脉冲时，第二从激光器脉冲可以被用来表示在第一时间位置上消光且第二时间位置上通光的现象，即可以被用于代表时间编码0；反之亦然。

可以注意到，此时所产生的Z基矢的对比度是由激光器不触发光脉冲的消光程度决定的，这种消光程度可以很高而且稳定不受环境影响。而在现有的时间比特-相位编码方案中，都是通过干涉原理（强度调制器内部的原理也是等臂干涉仪）来消光，其干涉都会受到外界环境对干涉相位的影响从而导致消光比不高而且会不稳定。相比之下，在用于编码的光路上至少省略了用于提供Z基矢下消光的元件，简化了编码装置的光路结构，与此同时还能够提供高而且稳定的消光从而省略了用于保证Z基矢下消光稳定性的强度反馈装置，使得成码率及其稳定性得到极大改善。

进一步地，在本发明中，还可以通过设置从驱动信号的幅度，使得用于Z基矢的第一和第二从激光器脉冲具有相同的强度，用于X基矢的第三从激光器脉冲的强度是第一或第二从激光器脉冲强度的一半。此时，Z基矢下的脉冲光强和X基矢下的脉冲光强保持一致，从而能够在用于编码的光路上省略用于强度归一化的强度调制元件IM，进一步简化了编码装置的光路结构，并且改善了编码装置的稳定性。

当然，也可以将第一、第二、第三从激光器脉冲设置成具有相同的强度，此时用于Z基矢的脉冲光强和用于X基矢的脉冲光强还不一致，在X基矢下由于要输出2个从激光器脉冲，而在Z基矢下只输出了一个从激光器脉冲，所以对应X基矢的光强是对应Z基矢光强的两倍，因此，在编码的光路中仍然还需要设置一个强度调制器15，用于将用于X基矢的脉冲光强衰减一半，使得最终的不同基矢下的光强保持一致。这里的强度调制器也可能存在状态变化，然而并不影响Z基矢的消光比，不会对编码装置的Z基矢稳定性造成影响。

实施例二

图4A示出了根据本发明的光源的第二示例性实施例，其是对图3A的光源结构的进一步改进。图4A所示的光源与图3A所示的光源相比，其区别在于增加了一个主激光器20。第一主激光器20与第二主激光器21之间通过一个光学传输元件26连接。第二主激光器21在第一主激光器20提供的种子光的激励下以注入锁定方式输出脉冲，提供用于从激光器22的种子光；第二主激光器21和从激光器22之间通过光学传输元件23连接，从激光器22在第二主激光器21提供的种子光的激励下以注入锁定方式输出脉冲，以提供诸如用于编码的信号光脉冲，如参见图4B可以看到的那样。

在该实施例中，光学传输元件23、26的结构和设置、以及激光器20与21、21与22之间的连接方式与第一实施例中有关光学传输元件13的描述相同，从激光器22在第二主激光器21的作用下产生脉冲的方式、以及后续的时间编码和相位编码结构及过程亦与第一实施例中的相关描述相同，因此在此不再赘述，此处仅针对两者的不同之处进行详细说明。

与第一实施例不同的是，第二主激光器21输出的激光脉冲也是基于注入锁定方式由第一主激光器20提供的种子光激励产生的。因此，第二主激光器21所提供的用于从激光器22的种子光的光谱性能得到进一步提高。具体而言，与第一实施例相比，该实施例中的光源在一个系统周期内输出的连续两个第三从激光器脉冲之间的波长一致性更好，这样可以提高X基矢的解码的干涉对比度，从而降低X基矢的解码误码率。

实施例三

图5A示出了根据本发明的光源的第三示例性实施例。该实施例的光源包括一个主激光器31和一个从激光器32，主激光器31经不等臂干涉仪37与光学传输元件33连接，再经该光学传输元件33连接从激光器32。光学传输元件33同样可以包括三个端口1-3，且被设置成：从端口1进入的光可以从端口2离开，从端口2进入的光可以从端口3离开。在该实施例中，主激光器31经不等臂干涉仪37连接光学传输元件33的端口1，从激光器32连接光学传输元件33的端口2，光学传输元件33的端口3作为光源的输出端口。

光学传输元件可以为环形器或分束器。优选地，在该实施例中选择环形器作为光学传输元件来使用。不等臂干涉仪37可以例如为不等臂马赫曾德（MZ）干涉仪或迈克尔逊干涉仪。优选地，在该实施例中以MZ干涉仪为例。

参见图5B，该实施例与第一实施例不同之处在于：主激光器脉冲不再直接作为种子光注入到从激光器32中，而是先经过不等臂干涉仪37分成先后两个脉冲部分。这两个脉冲部分经光学传输元件33的端口1、2注入到从激光器32中。通过调节主、从激光器的相对延时，使得在一个系统周期内，主激光器脉冲的这两个脉冲部分在时间上（分别位于第一（第三）时间位置和第二（第四）时间位置）能够分别覆盖相邻的两个从激光器脉冲，从而分别作为种子光通过注入锁定的方式在从激光器32中激励产生连续两个从激光器脉冲。从激光器脉冲从环形器33的端口3处输出，提供光源的输出脉冲。

由于用作种子光的这两个主激光器脉冲部分是由一个主激光器脉冲经不等臂干涉仪分成的，因此，这两个主激光器脉冲部分具有完全相同的波长特性和固定的相位关系。相应地，从激光器32在这两个种子光的激励下输出的两个从激光器脉冲之间也存在固定的相位关系。

至于本实施例的光源在X和Z基矢下的工作原理及方式，与以一个主激光器脉冲上不同时间位置的部分作为种子光的第一实施例类似，利用光源输出的脉冲进行时间和相位编码的原理及方式亦与第一实施例类似，因此不再赘述，文中仅针对两者不同之处进行详细说明。

在该实施例中，不等臂干涉仪37的臂长差要求其输出的先后两个脉冲部分之间的时间差与从激光器32中的连续两个从激光器脉冲之间的间隔时间一致。在此，由于引入了不等臂干涉仪，因此无需主激光器脉冲的宽度大于或等于连续两个从激光器脉冲的总宽度，而仅需要主激光器脉冲的宽度大于或等于一个从激光器脉冲的宽度，从而明显降低了对主激光器31的性能的要求。

此外，本领域技术人员能够理解，在第一实施例中，用于激励连续两个从激光器脉冲的两个种子光对应于一个主激光器脉冲上两个不同时间位置的脉冲部分，由于啁啾现象的存在，这两个不同时间位置的脉冲部分的波长可能并非完全一致，而在本实施例中，由于两个种子光是由同一个脉冲经不等臂干涉仪分成的，它们将具有完全相同的波长特性。即，就用于激励连续两个从激光器脉冲的两个种子光的波长一致性而言，本实施例的光源优于前述实施例，

相应地，光源在X基矢下输出的两个连续第三从激光器脉冲的波长一致性更佳，从而可以提高编解码应用中X基矢的解码的干涉对比度，降低X基矢的解码误码率。

当然，也要注意到的是，由于引入了不等臂干涉仪，本实施例的光源在X基矢下输出的两个连续第三从激光器脉冲的相位差会受到不等臂干涉仪的相位变化的影响，而在第一实施例的光源中，这种相位差是稳定不变的。

实施例四

图6A示出了根据本发明的光源的第四示例性实施例。如图所示，该实施例的光源包括一个主激光器41和两个从激光器42、49。主激光器脉冲经第一分束器47分成两个脉冲部分。这两个脉冲部分分别经第一光学传输元件43和第二光学传输元件46注入到第一从激光器42和第二从激光器49中，以用作种子光。第一从激光器42和第二从激光器49输出的从激光器脉冲分别经过第一光学传输元件43和第二光学传输元件46，并在第二分束器48处耦合成一路，作为光源的输出脉冲，以提供诸如用于编码的信号光脉冲。

如图6A所示，在本实施例中，光学传输元件43、46的结构和设置、以及主从激光器之间借助光学传输元件的连接方式均与第一实施例中的相关描述相同，因此不再赘述。

同样地，光学传输元件可以为环形器或分束器，本实施例中优选采用环形器。

结合图6A和6B可以更清楚地理解，本实施例与第一实施例的不同之处在于：采用了两个从激光器；主激光器脉冲不再直接作为种子光注入到从激光器中，而是先经过第一分束器47分成两个脉冲部分，这两个脉冲部分经不同光路分别注入到相应的从激光器中。通过调节主、从激光器的相对延时，使得在一个系统周期内，主激光器脉冲的这两个脉冲部分中的一个能够在第一（第三）时间位置上覆盖第一从激光器42中的一个从激光器脉冲，另一个能够在第二（第四）时间位置上覆盖第二从激光器42中的一个从激光器脉冲，从而分别作为种子光通过注入锁定的方式在预定的时间位置上从相应的从激光器中激励产生一个从激光器脉冲。第一从激光器输出的一个从激光器脉冲和第二从激光器输出的一个从激光器脉冲最终在第二分束器48处耦合成一路输出，提供光源的输出脉冲。

当要进行X基矢编码时，在一个系统周期内，从驱动信号源输出第三从驱动信号，使得第一从激光器42在第三时间位置上在注入的主激光器脉冲部分的激励下生成一个第三从激光器脉冲，以及第二从激光器42在第四时间位置上在注入的主激光器脉冲部分的激励下生成一个第三从激光器脉冲，两个第三从激光器脉冲在第二分束器处耦合成一路输出，从而提供连续两个具有预定时间间隔的脉冲。由于在一个系统周期内，分别注入两个从激光器的种子光是由一个主激光器脉冲经分束器分而成的两个脉冲部分，因此这两个种子光具有完全相同的波长特性和固定的相位关系，相应地，光源最终输出的连续两个第三从激光器脉冲之间也存在固定的相位关系。

当要进行Z基矢编码时，在一个系统周期内，由从驱动信号源随机输出第一和第二从驱动信号中的一个，以驱动第一或第二从激光器，使得相应地在第一时间位置或者第二时间位置上，第一或第二从激光器在注入的主激光器脉冲部分的激励下以注入锁定的方式生成一个第一从激光器脉冲或者一个第二从激光器脉冲。因此，第一或第二从激光器脉冲的输出时间分别对应于第一或第二时间位置。因此，具有各自不同的输出时间特征的第一和第二从激光器脉冲可以直接被用于代表不同的时间编码，例如当光源在一个系统周期内只输出第一从激光器脉冲时，第一从激光器脉冲可以被用来表示在第一时间位置上通光且第二时间位置上消光的现象，即可以被用于代表时间编码1；当光源在一个系统周期内只示出第二从激光器脉冲时，第二从激光器脉冲可以被用来表示在第一时间位置上消光且第二时间位置上通光的现象，即可以被用于代表时间编码0；反之亦然。

在该实施例中，由于引入了分束器和两个从激光器，因此无需主激光器脉冲的宽度大于或等于连续两个从激光器脉冲的总宽度，而仅需要主激光器脉冲的宽度大于或等于一个从激光器脉冲的宽度，同样降低了对主激光器性能的要求。并且，本实施例中的从激光器可以具有与主激光器相同的工作频率相同。

此外，正如前面讨论的那样，第一实施例中用于激励连续两个从激光器脉冲的两个种子光的波长并非完全一致，而在本实施例中，由于两个种子光是由同一个脉冲经由分束器分成的，它们将具有完全相同的波长特性。即，就用于激励连续两个从激光器脉冲的两个种子光的波长一致性而言，本实施例的光源同样优于第一实施例。

相应地，光源在X基矢下输出的两个连续第三从激光器脉冲的波长一致性更佳，从而可以提高编解码应用中X基矢的解码的干涉对比度，降低X基矢的解码误码率。

进一步地，由于本实施例中设有两个从激光器，因此，可以通过在两个从激光器的输出光路上额外设置延迟元件40（例如电可调延时器）来调节灵活调节2个时间模式光脉冲之间的时间间隔。由于不同的解码装置可能具有不同的时间间隔要求，因此，这种时间间隔的可调节性使得该实施例的光源能够灵活地应用于与各种解码装置对应的编码装置。

结合上述示例性实施例可以更加全面地理解本发明的构思，即，将注入锁定技术与激光器内调技术有机结合形成一种新颖的脉冲光源结构，该结构特别适合同时需要进行时间编码和相位编码的应用场合，例如采用时间比特-相位编码方案的量子通信系统。本发明的脉冲光源一方面通过激光器内调技术能够提供具有高且稳定的消光比的时间态（Z基矢），另一方面也能够通过激光器内调技术同时提供两个时间和相位关系固定而非随机的脉冲以用于相位编码（X基矢），巧妙地解决了激光器内调技术因为只能产生彼此之间相位关系随机的脉冲而不能直接用于相位（X基矢）编码的偏见。

本领域技术人员能够认识到，本实施例的光源可用于时间和/或相位编码方案中，尤其适用于同时需要进行时间和相位编码的方案（诸如时间比特-相位编码方案），其包括但不限于基于诱骗态BB84协议、RFIQKD协议、三态协议（Loss-tolerant）的编码方案，其中当应用于MDIQKD系统时优点则更为明显。

编码装置

本发明的另一方面还提出了一种可同时进行时间编码和相位编码的编码装置，该编码装置包括根据本发明的光源，其用于在X基矢下输出具有固定时间和相位关系的相邻两个光脉冲，以及在Z基矢下输出相邻两个光脉冲中的一个。在诱骗态BB84协议和/或RFIQKD协议下，该编码装置还可以包括相位调制器，其用于在所述X基矢下的相邻两个光脉冲之间加载调制相位。可选地，该编码装置还可以包括强度调制器，其用于衰减所述X基矢下的相邻两个光脉冲的强度，使得所述相邻两个光脉冲的强度之和等于所述Z基矢下输出的相邻两个光脉冲中的一个的强度。

与现有技术的编码装置相比，本发明的编码装置需要更少的光学元件且无需额外的反馈机构，结构更为简单；同时，由于光源提供的用于编码的光脉冲在波长一致性、相位稳定性更好，因此该编码装置能够具有更高的成码率和稳定性。

以上所述仅是本发明的实施方式，应该指出对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (17)

1.一种可同时用于时间编码和相位编码的光源，其包括：

主激光器，其在一个系统周期内基于主驱动信号源提供的主驱动信号的驱动输出一个主激光器脉冲，以用于形成种子光；

从激光器，其基于从驱动信号源提供的从驱动信号的驱动在所述种子光的激励下以注入锁定的方式输出从激光器脉冲，用于编码信号光脉冲；

其特征在于：

所述从驱动信号包括第一、第二和第三从驱动信号，且在一个系统周期内，所述第一、第二和第三从驱动信号中的一个被随机地输出以驱动所述从激光器；其中，

在一个系统周期内，所述从激光器在所述第一从驱动信号的驱动下仅输出一个第一从激光器脉冲，且所述第一从激光器脉冲是源于一个所述主激光器脉冲的位于第一时间位置的脉冲部分激励的；

在一个系统周期内，所述从激光器在所述第二从驱动信号的驱动下仅输出一个第二从激光器脉冲，且所述第二从激光器脉冲是源于一个所述主激光器脉冲的位于第二时间位置的脉冲部分激励的；

在一个系统周期内，所述从激光器在所述第三从驱动信号的驱动下输出连续两个第三从激光器脉冲，且所述两个第三从激光器脉冲是分别源于一个所述主激光器脉冲的位于第三时间位置和第四时间位置的脉冲部分激励的；

所述第一和第二从激光器脉冲用于时间编码；以及，

所述连续两个第三从激光器脉冲用于相位编码。

2.如权利要求1所述的光源，其中所述主激光器和所述从激光器通过光学传输元件连接；所述主激光器脉冲进入所述光学传输元件的第一端口并从第二端口离开注入所述从激光器，所述从激光器脉冲进入所述光学传输元件的第二端口并从第三端口离开。

3.如权利要求2所述的光源，其中，所述主激光器的数量为1个，且其工作频率为系统频率，所述从激光器的数量为1个，且其工作频率至少为所述主激光器的工作频率的两倍；所述主激光器脉冲的宽度大于或等于所述连续两个第三从激光器脉冲的总宽度。

4.如权利要求3所述的光源，其中，所述主激光器与所述从激光器之间的相对延时被设置成使得，在一个系统周期内，注入到所述从激光器中的主激光器脉冲在时间上能够覆盖所述连续两个第三从激光器脉冲。

5.如权利要求3或4所述的光源，其还包括用于向所述主激光器提供另一个种子光以使所述主激光器以注入锁定方式生成所述主激光器脉冲的激光器。

6.如权利要求2所述的光源，其中，所述主激光器和所述从激光器的数量均为1个；所述主激光器与所述光学传输元件之间还设有不等臂干涉仪；并且

所述不等臂干涉仪的臂长差被设置成使得，所述主激光器脉冲经其分成的先后两个脉冲部分之间的时间差与所述两个第三从激光器脉冲之间的间隔时间一致。

7.如权利要求6所述的光源，其中，所述主激光器的工作频率为系统频率，所述从激光器的工作频率至少为所述主激光器的工作频率的两倍；并且，所述主激光器脉冲的宽度大于所述从激光器脉冲的宽度。

8.如权利要求7所述的光源，其中所述主激光器与所述从激光器之间的相对延时被设置成使得，在一个系统周期内，所述主激光器脉冲被所述不等臂干涉仪分成的所述两个脉冲部分在被注入到所述从激光器中时，在时间上能够分别覆盖所述连续的两个第三从激光器脉冲。

9.如权利要求2所述的光源，其中所述主激光器的数量为1个，所述从激光器及与之相连的所述光学传输元件的数量均为2个；所述主激光器经第一分束器分别通过所述两个光学传输元件连接所述两个从激光器，其中所述第一分束器用于将所述主激光器脉冲分成两个脉冲部分；并且，所述两个从激光器分别通过所述两个光学传输元件连接第二分束器，以便将所述两个从激光器输出的从激光器脉冲合成一路输出。

10.如权利要求9所述的光源，其中所述主激光器和所述从激光器的工作频率均为系统频率；并且，所述主激光器脉冲的宽度大于所述从激光器脉冲的宽度。

11.如权利要求10所述的光源，其中所述主激光器与所述从激光器之间的相对延时被设置成使得，在一个系统周期内，所述主激光器脉冲被所述第一分束器分成的所述两个脉冲部分在被注入到所述从激光器中时能够分别在不同的时间位置上覆盖所述第三从激光器脉冲中的一个。

12.如权利要求11所述的光源，其中在所述光学传输元件与所述第二分束器之间还设有可调的时间延时元件。

13.如权利要求4、8或11所述的光源，其中所述光学传输元件为环形器或分束器。

14.如权利要求4、8或11所述的光源，其中所述第一时间位置与所述第三时间位置相同，所述第二时间位置与所述第四时间位置相同。

15.如权利要求4、8或11所述的光源，其中所述第一从激光器脉冲的强度与所述第二从激光器脉冲的强度相同，且为第三从激光器脉冲的强度的一倍。

16.一种可同时进行时间编码和相位编码的编码装置，其包括如权利要求1-15所述的光源。

17.如权利要求16所述的编码装置，其还进一步包括相位调制器和/或强度调制器，其中所述相位调制器用于调制所述连续两个第三从激光器脉冲之间的相位差，所述强度调制器用于调制所述第一从激光器脉冲、第二从激光器脉冲、第三从激光器脉冲之间的相对光强。