CN108123802A - 一种基于硅基集成芯片的偏振编码qkd系统与编码方法 - Google Patents

Abstract

一种基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统，将偏振编码器和偏振解码器利用硅基光波导器件设计并集成在同一片硅基光子芯片上，利用相位调制器和两维光栅耦合器为基本器件，实现了QKD系统的偏振编/解码，具有系统简单，编/解码速度高、可靠性高等优点，在发射端发射端，需要1个单光子源，相对于传统的偏振编码QKD系统的4或8个单光子源，大大降低了成本和系统复杂度；在接收端相对于传统的偏振编码QKD系统，利用了2个单光子探测器代替4个单光子探测器实现了信号的接收，降低了系统的成本和复杂度。另外，本发明还提供了基于硅基集成芯片的偏振编码的编码方法，在编/解码速率上具有极大的优势，可实现超过10GHz偏振编码QKD系统。

Description

一种基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统与编码方法

技术领域

本发明涉及光传输安全通信技术领域，特别涉及一种基于硅基集成芯片的 偏振编码QKD系统与编码方法。

背景技术

量子信息技术起源于上世纪80年代，主要分为量子通信和量子计算两大研 究方向。随着科学技术的不断进步，基于经典信息的加密技术由于其底层基本 原理的局限性，存在着固有的安全隐患。量子保密通信因为量子力学的基本定 律，具有物理上的无条件的安全性。因此，量子密钥分发技术(Quantum Key Distribution，QKD)的应用越来越广泛。QKD系统常用的编码方式主要有偏振 编码和相位编码。基于光的偏振特性的量子密钥分配系统(QKD)是当前很常用 且在不断改进创新的量子密码系统。

BB84协议常用的偏振编码的4种偏振态为 其中，直角基矢|H/V〉下的两个态相互正交，斜对角基矢|+/-〉 下的两个态也相互正交，而两个基矢之间的量子态不正交。一种经典的偏振调 制QKD系统的具体物理实现如图1所示。系统包括发送端Alice、接收端Bob 及两者之间的光纤信道，由单光子源、偏振控制器、偏振分束器、3dB耦合器、 单光子探测器组成。在发送端，BB84协议所需的2组基矢4个偏振态中每个态 都使用独立的一个单光子源通过偏振控制器生成，并经过偏振分束器、3dB耦合 器等耦合到同一路光纤中，之后通过量子信道传输到接收端。接收端通过分束 器分成两路，每一路通过一个偏振控制器将测量基矢调节为|H/V〉基矢和|+/-〉 基矢，再经过偏振分束器进行偏振分析，之后在单光子探测器上进行探测。

这种基于光的偏振特性的QKD系统由传统分立的光学元器件搭建而成，系 统复杂，其发送端Alice需要4个或8个单光子源，其接收端Bob需要4个单光 子探测器。单光子源和单光子探测器是QKD系统中成本较高的部分，因此基于 偏振编码的QKD系统具有体积大、成本高、系统稳定性不足等缺点。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统与编码方 法，以解决现有技术中偏振编码的QKD系统因单光子源和单光子探测器应用数 量较多导致的体积大、成本高、系统稳定性不足的技术性缺陷。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统，包括发射编码端以及接收解 码端，所述发射编码端包括依次连接的单光子源、编码-偏振控制器和偏振编码 器，所述接收解码端包括解码-偏振控制器、接收端-两维光栅耦合器、偏振解码 器以及两路单光子探测器，所述偏振编码器包括相连接的编码-前端干涉环与编 码-后端编码环，所述编码-前端干涉环的上、下两臂中任意一臂设有第一相位调 制器，所述编码-后端编码环的上、下两臂中分别设有第二相位调制器、第三相 位调制器，所述编码-后端编码环的输出端连接发射端-两维光栅耦合器，所述发 射端-两维光栅耦合器通过光纤信道连接解码-偏振控制器，所述解码-偏振控制 器与接收端-两维光栅耦合器连接，所述偏振解码器包括相连接的解码-前端解码 环与解码-后端干涉环，所述解码-前端解码环的上、下两臂中分别设有第四相位 调制器、第五相位调制器，所述解码-后端干涉环的上、下两臂中任意一臂设有 第六相位调制器，所述接收端-两维光栅耦合器连接解码-前端解码环，所述解码 -后端干涉环的上、下两臂分别连接有一路单光子探测器，所述偏振编码器和偏 振解码器利用硅基光波导器件设计并集成在同一片硅基光子芯片上。

优选地，所述编码-前端干涉环的上、下两臂中均设置有相位调制器，所述 解码-后端干涉环的上、下两臂均设置有相位调制器。

本发明还提供了一种基于硅基集成芯片的偏振编码的编码方法，包括以下 步骤：

发送端编码

1)所述编码-偏振控制器将单光子源的单光子脉冲转化为所需的偏振态；

2)所述偏振编码器，对不同偏振态的单光子脉冲进行偏振编码：采用编码 -前端干涉环及其内部的第一相位调制器，实现对光的路径和比例分配；

3)采用编码-后端编码环及其内部的第二相位调制器、第三相位调制器，实 现上、下两路光的相位调制，调制出4种偏振态的偏振编码；

4)通过两维光栅耦合器，将不同偏振编码的4种偏振态耦合到同一路光纤 信道中传输至接收解码端；

接收端解码

1)所述的解码-偏振控制器补偿光纤信道中信号光偏振方向的偏转；

2)接收端-两维光栅耦合器，将光纤信道中的不同偏振编码的4种偏振态耦 合到接收端波导中，第六相位调制器实现对光的路径和比例分配；第四相位调 制器和第五相位调制器，实现上、下两路光的相位调制，解调出4种偏振态的 光信号；

3)两路单光子探测器对偏振解码器解调后的信号进行探测。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1、本发明的基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统，将偏振编码器和偏 振解码器利用硅基光波导器件设计并集成在同一片硅基光子芯片上，系统具有 成本低、体积小、集成度高、稳定性好等优点，另外，利用相位调制器和两维 光栅耦合器为基本器件，实现了QKD系统的偏振编/解码，具有系统简单，编/ 解码速度高、可靠性高等优点；

2、本发明的基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统，其偏振编/解码器结 构基本相同，器件可以通用，减少了设计制作成本和维护成本；

3、本发明的基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统，其发射端Alice，只 需要1个单光子源，相对于传统的偏振编码QKD系统的4或8个单光子源，大 大降低了成本和系统复杂度；

4、本发明的基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统，其接收端Bob相对 于传统的偏振编码QKD系统，利用了2个单光子探测器代替4个单光子探测器 实现了信号的接收，降低了系统的成本和复杂度；

5、本发明的基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统，在编/解码速率上具 有极大的优势，可实现超过10GHz偏振编码QKD系统。

附图说明

图1为本发明基于真空态不触发的量子密钥分配系统的原理框图；

图2为本发明波导干涉环的原理框图；

图3为本发明偏振编码器的原理框图；

图4为本发明偏振解码器的原理框图。

图中：发射编码端100，单光子源110，编码-偏振控制器120，偏振编码器 130，编码-前端干涉环131，第一相位调制器1311，编码-后端编码环132，第二 相位调制器1321，第三相位调制器1322，发射端-两维光栅耦合器140，接收解 码端200，解码-偏振控制器210，接收端-两维光栅耦合器220，偏振解码器230， 解码-前端解码环231，第四相位调制器2311，第五相位调制器2312，解码-后端 干涉环232，第六相位调制器2321，两路单光子探测器240。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。

如图2所示，一种基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统，包括发射编码 端100以及接收解码端200，所述发射编码端100包括依次连接的单光子源110、 编码-偏振控制器120和偏振编码器130，所述接收解码端200包括解码-偏振控 制器210、接收端-两维光栅耦合器220、偏振解码器230以及两路单光子探测器 240，所述偏振编码器130包括相连接的编码-前端干涉环131与编码-后端编码 环132，所述编码-前端干涉环131的上、下两臂中任意一臂设有第一相位调制 器1311，所述编码-后端编码环132的上、下两臂中分别设有第二相位调制器 1321、第三相位调制器1322，所述编码-后端编码环132的输出端连接发射端- 两维光栅耦合器140，所述发射端-两维光栅耦合器140通过光纤信道连接解码- 偏振控制器210，所述解码-偏振控制器210与接收端-两维光栅耦合器220连接， 所述偏振解码器230包括相连接的解码-前端解码环231与解码-后端干涉环232， 所述解码-前端解码环231的上、下两臂中分别设有第四相位调制器2311、第五 相位调制器2312，所述解码-后端干涉环232的上、下两臂中任意一臂设有第六 相位调制器2321，所述接收端-两维光栅耦合器220连接解码-前端解码环231， 所述解码-后端干涉环232的上、下两臂分别连接有一路单光子探测器240，所 述偏振编码器130和偏振解码器230利用硅基光波导器件设计并集成在同一片硅基光子芯片上，

所述的单光子源110为QKD系统提供激光光源。所述的编码-偏振控制器 120为将单光子源110的单光子脉冲转化为所需的偏振态，如TE偏振态。所述 的偏振编码器130，对单光子脉冲进行偏振编码，并与光纤信道连接，将编码后 的光脉冲信号通过光纤信道传输。如图3所示，所述的偏振编码器130中设置 有第一相位调制器1311，实现对光的路径和比例分配；设置的第二相位调制器 1321和第二相位调制器1322，实现上、下两路光的相位调制；所述发射端-两维 光栅耦合器140(2D Grating coupler)，将不同偏振编码的4种偏振态耦合到同 一路光纤中。

所述的解码-偏振控制器210的作用是补偿光纤信道中信号光偏振方向的偏 转。所述的偏振解码器230，对编码后的单光子脉冲信号进行偏振解码，如图4 所示。接收端-两维光栅耦合器140(2D Grating coupler)，将光纤中的不同偏振 编码的4种偏振态耦合到波导中，偏振解码器230中的第六相位调制器2321， 实现对光的路径和比例分配；第四相位调制器2311、第五相位调制器2312，实 现上、下两路光的相位调制。两路单光子探测器对解码器解调后的信号进行探 测。

所述编码-前端干涉环131的上、下两臂中均设置有相位调制器，所述解码- 后端干涉环232的上、下两臂均设置有相位调制器，两路相位调制器可实现对 光的路径和比例分配的均衡。

本发明还提供了一种基于硅基集成芯片的偏振编码的编码方法，包括以下 步骤：

发送端编码

1)所述编码-偏振控制器将单光子源的单光子脉冲转化为所需的偏振态；

2)所述偏振编码器，对不同偏振态的单光子脉冲进行偏振编码：采用编码 -前端干涉环及其内部的第一相位调制器，实现对光的路径和比例分配；

3)采用编码-后端编码环及其内部的第二相位调制器、第三相位调制器，实 现上、下两路光的相位调制，调制出4种偏振态的偏振编码；

4)通过两维光栅耦合器，将不同偏振编码的4种偏振态耦合到同一路光纤 信道中传输至接收解码端；

接收端解码

1)所述的解码-偏振控制器补偿光纤信道中信号光偏振方向的偏转；

2)接收端-两维光栅耦合器，将光纤信道中的不同偏振编码的4种偏振态耦 合到接收端波导中，第六相位调制器实现对光的路径和比例分配；第四相位调 制器和第五相位调制器，实现上、下两路光的相位调制，解调出4种偏振态的 光信号；

3)两路单光子探测器对偏振解码器解调后的信号进行探测。

根据上述本发明基于硅基集成芯片的偏振编码的编码方法的原理，提供了 一实施例如下：

偏振编码

如图3、表1所示，分别定义偏振态|H〉和|V〉的偏振方向。若端口1输入 TE模式的脉冲光，当调节第一相位调制器1311使编码-前端干涉环131上、下 两臂的相位差为π时，则脉冲光经过编码-前端干涉环131后将由端口3输出， 经过发射端-两维光栅耦合器140耦合到光纤中，形成偏振态|H〉；当调节第一相 位调制器1311使编码-前端干涉环131上、下两臂的相位差为0时，则脉冲光经 过编码-前端干涉环131后将由端口4输出，经过发射端-两维光栅耦合器140耦 合到光纤中，形成偏振态|V〉；当调节第一相位调制器1311使编码-前端干涉环 131上、下两臂的相位差为π/2时，则脉冲光经过编码-前端干涉环131后将由端 口3和端口4等比例输出，调节第二相位调制器1321、第三相位调制器1322使 两路光的相位差为0时，经过发射端-两维光栅耦合器140耦合到光纤中，形成 偏振态|+〉；当调节第一相位调制器1311使编码-前端干涉环131上、下两臂的 相位差为π/2时，则脉冲光经过编码-前端干涉环131后将由端口3和端口4等 比例输出，调节相位调制器第二相位调制器1321、第三相位调制器1322使两路 光的相位差为π时，经过发射端-两维光栅耦合器140耦合到光纤中，形成偏振 态|-〉。

表1偏振编码示例

偏振解码

偏振解码是偏振编码的逆过程，具体的偏振解码过程示例：如图4、表2所 示，分别定义偏振态|H〉和|V〉的偏振方向。光纤中4种偏振态的光经过接收端 -两维光栅耦合器220耦合到波导中，若输入为|H〉偏振态的信号光，先经由两 维光栅耦合器耦合到解码-后端干涉环232的6端口，当调节第六相位调制器 2321使解码-后端干涉环232上、下两臂的相位差为0时，则脉冲光经过解码- 后端干涉环232后将由端口7输出，耦合到单光子探测器1中；若输入为|V〉 偏振态的信号光，先经由两维光栅耦合器耦合到解码-前端解码环231的5端口，当调节第六相位调制器2321使解码-后端干涉环232上、下两臂的相位差为0 时，则脉冲光经过解码-后端干涉环232后将由端口8输出，耦合到单光子探测 器2中；若输入为|+〉偏振态的信号光，先经由两维光栅耦合器分成两束相位相 等、光强相等的光，当调节第六相位调制器2321使解码-后端干涉环232上、下 两臂的相位差为π/2时，则脉冲光经过解码-后端干涉环232后将由端口7输出， 耦合到单光子探测器1中；若输入为|-〉偏振态的信号光，先经由两维光栅耦合 器分成两束相位相反(相位差为π)、光强相等的光，当调节第六相位调制器2321 使解码-后端干涉环232上、下两臂的相位差为π/2时，则脉冲光经过解码-后端干涉环232后将由端口8输出，耦合到单光子探测器2中。

表2偏振解码示例

所述的偏振编码器和偏振解码器，分别利用硅光子集成技术实现，将传统 的分离光学器件利用硅基光波导器件设计并集成在同一个硅衬底上。

所述的各个相位调制器采用硅的光电效应实现，光波导结构为脊波导，其 掺杂结构包括但不限于pin型掺杂、反向pn型掺杂、MOS结构掺杂。

所述的两件两维光栅耦合器(2D Grating coupler)，可以将光纤中偏振态为 |H〉和|V〉的光耦合到两路波导中，并分别以TE偏振态在两路波导中传输。

综合本发明的系统结构与原理可知，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统，将偏振编码器和偏 振解码器利用硅基光波导器件设计并集成在同一片硅基光子芯片上，系统具有 成本低、体积小、集成度高、稳定性好等优点，另外，利用相位调制器和两维 光栅耦合器为基本器件，实现了QKD系统的偏振编/解码，具有系统简单，编/ 解码速度高、可靠性高等优点；

2、本发明的基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统，其偏振编/解码器结 构基本相同，器件可以通用，减少了设计制作成本和维护成本；

3、本发明的基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统，其发射端Alice，只 需要1个单光子源，相对于传统的偏振编码QKD系统的4或8个单光子源，大 大降低了成本和系统复杂度；

4、本发明的基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统，其接收端Bob相对 于传统的偏振编码QKD系统，利用了2个单光子探测器代替4个单光子探测器 实现了信号的接收，降低了系统的成本和复杂度；

5、本发明的基于硅基集成芯片的偏振编码的编码方法，在编/解码速率上具 有极大的优势，可实现超过10GHz偏振编码QKD系统。

Claims (3)

1.一种基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统，包括发射编码端以及接收解码端，所述发射编码端包括依次连接的单光子源、编码-偏振控制器和偏振编码器，所述接收解码端包括解码-偏振控制器、接收端-两维光栅耦合器、偏振解码器以及两路单光子探测器，其特征在于，所述偏振编码器包括相连接的编码-前端干涉环与编码-后端编码环，所述编码-前端干涉环的上、下两臂中任意一臂设有第一相位调制器，所述编码-后端编码环的上、下两臂中分别设有第二相位调制器、第三相位调制器，所述编码-后端编码环的输出端连接发射端-两维光栅耦合器，所述发射端-两维光栅耦合器通过光纤信道连接解码-偏振控制器，所述解码-偏振控制器与接收端-两维光栅耦合器连接，所述偏振解码器包括相连接的解码-前端解码环与解码-后端干涉环，所述解码-前端解码环的上、下两臂中分别设有第四相位调制器、第五相位调制器，所述解码-后端干涉环的上、下两臂中任意一臂设有第六相位调制器，所述接收端-两维光栅耦合器连接解码-前端解码环，所述解码-后端干涉环的上、下两臂分别连接有一路单光子探测器，所述偏振编码器和偏振解码器利用硅基光波导器件设计并集成在同一片硅基光子芯片上。

2.如权利要求1所述的基于硅基集成芯片的偏振编码QKD系统，其特征在于，所述编码-前端干涉环的上、下两臂中均设置有相位调制器，所述解码-后端干涉环的上、下两臂均设置有相位调制器。

3.一种基于硅基集成芯片的偏振编码的编码方法，其特征在于，包括以下步骤：

发送端编码

1)所述编码-偏振控制器将单光子源的单光子脉冲转化为所需的偏振态；

2)所述偏振编码器，对不同偏振态的单光子脉冲进行偏振编码：采用编码-前端干涉环及其内部的第一相位调制器，实现对光的路径和比例分配；

3)采用编码-后端编码环及其内部的第二相位调制器、第三相位调制器，实现上、下两路光的相位调制，调制出4种偏振态的偏振编码；

4)通过两维光栅耦合器，将不同偏振编码的4种偏振态耦合到同一路光纤信道中传输至接收解码端；

接收端解码

1)所述的解码-偏振控制器补偿光纤信道中信号光偏振方向的偏转；

2)接收端-两维光栅耦合器，将光纤信道中的不同偏振编码的4种偏振态耦合到接收端波导中，第六相位调制器实现对光的路径和比例分配；第四相位调制器和第五相位调制器，实现上、下两路光的相位调制，解调出4种偏振态的光信号；

3)两路单光子探测器对偏振解码器解调后的信号进行探测。