CN108667519B - 强度调制装置和方法及其在量子密钥分发系统中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种自稳定的强度调制装置及方法，以及它在量子密钥分发系统中的应用。该强度调制装置可以包括分束器和相位调制器，其中分束器的反射和透射输出端通过保偏光纤连接形成双向环光路，为分束器分出的两个分量提供完全一致的光路，以在两个分量上形成与外部环境无关的调制相位差，并利用两个分量的干涉结果作为强度调制输出，从而提供改善的对比度、稳定性和调制范围。

Description

强度调制装置和方法及其在量子密钥分发系统中的应用

技术领域

本发明涉及光学强度调制技术领域，更具体地涉及用于诸如量子密钥分发系统的光学强度调制装置和方法，以及利用其进行诱骗态编码的方法和生成脉冲的方法。

背景技术

量子通信作为国际通信领域的新兴方向和研究热点之一，近年研究进展较快，实用范围较广，相对于传统的通信领域，有了质的提高。而量子通信的关键点之一，就是量子秘钥分发。量子秘钥分发利用量子力学的基本原理，将随机数比特序列用光子承载，通过传统信道建立起一套量子秘钥，由此实现量子秘钥分发。由于量子不可复制等量子力学特性，量子密钥分发在原理上是绝对保密的，无法被窃听。因此，量子密钥分发相对于传统通信，有着无可比拟的优势。

在量子密钥分发系统中，信号光在由激光器产生之后，需要通过强度调制，来适配整个系统对光强度的要求。这就需要有相应的光强度调制的方案和装置,来提供对光信号强度的调制。现有的诸多强度调制方案中，最常用、也是实用范围最广的方案就是基于等臂干涉仪的强度调制方案。图1示意性地给出了基于等臂干涉仪的强度调制器的等效光路。如图1所示，这种强度调制器包括一个等臂干涉仪及偏振分束器，其中在等臂干涉仪的一个臂上设有相位调制器。在干涉仪的入口处，入射信号光由分束器分成两束光，分别沿着等臂干涉仪的两臂传输，其中一臂上的相位调制器对该路的光加上附加的相位。由于臂长相同，两路光在干涉仪的出口处同时汇合并且发生干涉，其相位差(相位调制器附加)决定了这两路光的干涉强度，从而达到强度调制的效果。

然而现有的这种方案，由于引入了等臂干涉仪，使得干涉仪的两臂臂长必须严格一致，以此来保证干涉的效果。但是在实际应用过程中，干涉仪的两臂臂长很难确保严格一致，所以导致干涉对比度不佳，产生的效果就是调制的对比度不高，也即调制最大光强和最小光强的比例不高，一般商用强度调制器的对比度典型值为100:1。除此之外，干涉时两臂的相位差也不能保持长期的稳定性,例如干涉仪两臂的长度容易受到温度等外界环境的影响而发生变化，这种变换将会在最后复合的信号上引入一个不希望且未知的相位差Δθ，从而造成强度调制结果产生漂移，为此通常还需要额外增加相应的强度反馈装置来弥补这种未知的变化。这就使在实际中该方案的强度调制效果不佳，稳定性不好，结构复杂，且成本较高，不利于大规模集成化的推广与应用。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明提出了一种基于萨格纳克效应的强度调制方法和装置。在本发明中，利用萨格纳克双向环结构为用于干涉的两个光分量提供了完全一致的光路，解决了现有技术中两个光路难以保持稳定一致的问题；同时，通过对两个光分量进行不同的相位调制以在两者之间形成调制相位差，从而产生不同的干涉结果，实现对输出光强的控制。

根据本发明的一个方面，公开了一种无需额外相位反馈、可自行消除外部干扰而自行保持稳定的强度调制装置。该强度调制装置可以包括保偏的分束器和保偏的相位调制器。

保偏的分束器可以包括第一端口至第四端口，第二端口和第三端口之间可以通过保偏光纤连接以形成一个双向环光路。其中，当第一端口为输入端时，第二和第三端口可以分别为反射和透射输出端；当第二端口为输入端时，第一和第四端口可以分别为反射和透射输出端。

保偏的分束器可以被配置成在第一端口处接收待调制的光，并将待调制的光分成第一分量和第二分量。其中，第一分量和第二分量可以分别在分束器的第二和第三端口输出进入双向环光路。

保偏的相位调制器可以被设置在双向环光路中，且被配置成对第一分量和所述第二分量中的一个或两个进行相位调制，以在它们之间形成一个调制相位差Δθ。

保偏的分束器可以进一步被配置成使经相位调制的第一分量和第二分量汇合，并在分束器的第一端口和/或第四端口处输出干涉光，从而提供经强度调制的输出光。

进一步地，本发明的强度调制装置还可以包括光学传输单元。该光学传输单元可以包括第一至第三端口，其中，从第一端口输入的光可以由第二端口输出，从第二端口输入的光可以由第三端口输出。光学传输单元可以被配置成：第一端口用于接收待调制的光，并且第二端口通过单模光纤连接分束器的第一端口。光学传输单元的第三端口可以被用于输出经强度调制的光。

优选地，分束器可以为50:50的分束器。

优选地，光学传输单元可以为环形器或者分束器。

本发明的另一方面公开了一种自稳定的强度调制方法，其可以用于本发明所公开的强度调制装置，尤其是前面描述的强度调制装置。该强度调制方法可以包括以下步骤。

首先，将待调制的光分成两个分量，并使两个分量在同一双向环光路中沿相反方向传播。

其次，在双向环光路上对两个分量中的一个或两个进行相位调制，以在两个分量上形成一个调制相位差Δθ。

接着，使具有该调制相位差Δθ的两个分量汇合并产生两路干涉光。其中，两个分量可以是绕环传播一圈后发生汇合。以及

最后，选择两路干涉光中的一路或两路作为强度调制结果输出。

进一步地，双向环光路可以包括保偏光纤。

优选地，两个分量可以具有相同的振幅。

借助本发明的强度调制装置和方法，可以借助非常简单的光路结构为入射光提供与环境无关的强度调制，且整个调制过程不涉及偏振态的调制，极大降低了对光路设计要求，改善了强度调制过程的长时间稳定性，其尤其适合对强度调制稳定性和对比度要求高的量子通信领域中的应用场合。

在本发明的又一方面，还公开了一种利用本发明的强度调制装置对时间相位编码系统进行诱骗态编码的方法。在时间相位编码系统中，时间相位编码信号中可以包括时间基矢和相位基矢。在一个系统时钟周期内，时间基矢可以包括一个位于第一时间位置或第二时间位置上的光脉冲；相位基矢可以包括分别处于第一时间位置和第二时间位置上的两个光脉冲。在本发明中，第一时间位置在时间上早于第二时间位置。

在本发明的诱骗态编码方法中，可以使时间相位编码信号中的光脉冲经分束器被分成第一分量和第二分量，且第一、第二分量沿相反方向进入双向环光路并传播。然后，利用相位调制器对第一分量和第二分量中的一个或两个进行相位调制，以调制输出光脉冲的强度，从而提供时间基矢和相位基矢的信号态和诱骗态。

在根据本发明的诱骗态编码方法的第一方面，所述相位调制可以被设置成，在一个驱动信号的作用下，相位调制器仅对一个分量进行相位调制。或者说，所述相位调制可以被设置成相位调制器对各个分量进行的相位调制是由彼此独立的驱动信号驱动的。

在根据本发明的诱骗态编码方法的第二方面，所述相位调制可以被设置成，在一个系统时钟周期内，相位调制器在第一驱动信号下同时对该系统时钟周期内第一时间位置的光脉冲的第二分量和与该系统时钟周期相邻的上一系统时钟周期内第二时间位置的光脉冲的第一分量进行相位调制；以及，在第二驱动信号下同时对该系统时钟周期内第二时间位置的光脉冲的第二分量和该系统时钟周期内第一时间位置的光脉冲的第一分量进行相位调制。

在根据本发明的诱骗态编码方法的第三方面，所述相位调制可以被设置成，在一个系统时钟周期内，相位调制器在第一驱动信号下同时对该系统时钟周期内第一和第二时间位置的光脉冲的第二分量和与该系统时钟周期相邻的上一系统时钟周期内第一和二时间位置的光脉冲的第一分量进行相位调制。

本发明的再一方面还公开了一种利用本发明的强度调制装置生成光脉冲的方法，其可以包括以下步骤。

使连续光经分束器分成第一分量和第二分量，其中第一分量和所述第二分量沿相反方向进入双向环光路并传播。

随后，利用相位调制器在第一分量和第二分量上进行相位调制。以及

通过调节相位调制器的驱动信号幅度和脉冲宽度、以及第一、第二分量到达相位调制器的时间差中的一个或多个，在预定时间位置上产生消光效果，从而提供脉冲光的输出。

本发明的再一方面，还公开了一种量子密钥分发系统，其可以包括本发明的强度调制装置。

附图说明

图1示意性地示出了现有技术的等臂干涉强度调制装置；

图2示意性地示出了根据本发明的强度调制装置的示例性实施例；

图3示意性地示出了根据本发明的强度调制装置中第一光分量的相位调制过程；以及

图4示意性地示出了根据本发明的强度调制装置中第二光分量的相位调制过程；

图5示意性地示出了利用本发明的强度调制装置对时间相位(或相位)编码系统进行诱骗态编码和不同基矢强度编码的第一实施例；

图6示意性地示出了利用本发明的强度调制装置对时间相位(或相位)编码系统进行诱骗态编码和不同基矢强度编码的第二实施例；

图7示意性地示出了利用本发明的强度调制装置对时间相位(或相位)编码系统进行诱骗态编码和不同基矢强度编码的第三实施例；

图8示意性地示出了利用本发明的强度调制装置对偏振编码系统进行诱骗态编码和不同基矢强度编码的示例性实施例；以及

图9示意性地示出了利用本发明的强度调制装置生成光脉冲的方法。

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。

在20世纪初期，萨格纳克提出了一种可以旋转的环形干涉仪，其中借助分光镜将一束入射光分为彼此垂直的两束分量光，让这两束分量光在同一个光学环路内沿相反方向传播，两束光在沿环路循行一周后将同时回到分光镜处会合并发生干涉。当在光学环路平面内有旋转角速度时，所形成的干涉条纹将会发生移动，这就是通常所说的萨格纳克(sagnac)效应。萨格纳克效应最为一个广泛的应用就是用于进行转动传感，通常利用同一光纤绕成的光纤圈来提供上述的光学环路，由此构成一种光纤陀螺结构。

在萨格纳克效应的上述双向光路环结构的基础上，还衍生了一系列的应用。例如，现有技术中公开了可以在电流传感器中应用萨格纳克光路结构以提供非接触式的电流测量的技术方案；还公开了在基于偏振编码的量子密钥分发系统中应用萨格纳克光路结构来进行诸如偏振态制备等技术，从而实现信号光的高效高速制备，避免了诸如因使用传统光纤偏振控制器等原因带来的缺陷。

针对现有技术中光学强度调制装置因采用双光路结构而引起的一系列缺陷，本发明创造性地提出了将萨格纳克双向光路环结构应用于光学强度调制中的技术思路，并且设计了一种基于萨格纳克效应的强度调制装置及方法。在本发明中，借助萨格纳克的双向环光路结构来替代现有干涉调制方案所需的两个不同光路结构，从而避免由于两个光路变化差异造成的调制强度不稳定等缺陷，因而能够提供与温度等外界环境因素无关的、稳定的强度调制效果，换言之，能够真正实现强度调制过程的自稳定效果。

图2示出了根据本发明的强度调制装置的示例性实施例。如图2所示，强度调制装置可以包括保偏的分束器1和保偏的相位调制器2。

保偏分束器1可以包括第一至第四端口1A-1D，且被配置成当第一端口1A作为输入端时，第二端口1B为反射输出端，第三端口1C为透射输出端；当第二端口1B作为输入端时，第一端口1A为反射输出端，第四端口1D为透射输出端。保偏分束器1的第二端口1B和第三端口1C之间可以通过保偏光纤连接以形成双向环光路。

在保偏分束器1处，待调制光被分光成第一和第二分量，其中，第一和第二分量分别由反射端口和透射端口处输出，例如如图2中所示那样，待调制光从第一端口1A入射，经分光后分别从第二端口1B和第三端口1C处输出第一和第二分量。由保偏分束器1输出的第一和第二分量同时进入第二端口1B和第三端口1C之间的双向环光路，并且沿相反的传播方向(顺时针和逆时针方向)历经相同光程走过整个环路，在相同的时间点返回到分束器1的第三端口1C和第二端口1B，并发生干涉，从而在第一端口1A和/或第四端口1D处输出干涉光强，从而提供强度调制器的输出。

保偏相位调制器2可以设置在双向环光路中的合适位置上，可使得对在双向环光路中彼此反向传播的两个分量进行相对的相位调制。比如，两个传播方向到达相位调制器2的光程差大于光脉冲的脉宽和相位调制电信号的上升(下降)延时间。由于采用双向环光路结构来替代传统调制器中的两个独立光路，使得可以利用相位调制器2对两个分量中的任何一个进行相位调制，甚至可以对两个分量均进行相位调制。同时，由于两个光分量的传播方向不同，因此容易使这两个光分量在不同时间点到达相位调制器2，相应地也就能够容易地选择某个分量进行相位调制，或者对两个分量分别进行不同的相位调制。此时，相位调制器2可以采用电学调制的方式。

下面将基于图2所示的强度调制装置并结合图3-4来说明本发明的自稳定的相位调制方法的工作原理，其中，出于简化之目的，将以分束器1为50:50的分束器且相位调制器2仅对一个分量进行相位调制为例，但本领域技术人员通过理解本发明能够认识到：分束器1可以具有任意合适的反射透射分光比，而不限于50:50这一特定比例；相位调制器2也可以对两个分量同时进行相位调制，而不限于某个特定分量。

当待调制的光进入分束器1时，将被分束器1分成第一分量和第二分量，这两个分量随后将进入双向环光路并在其中沿相反方向传输。如图2所示，待调制的光可以在分束器1的第一端口1A处入射；第一分量S从第二端口1B处输出，其为反射分量；第二分量N从第三端口1C处输出，其为透射分量。由于分束器1具有50：50的分光比，因此分量S和分量N将具有相同的幅度，但由于第一分量S为反射分量，其相位将会发生π/2的突变。

因此，假设待调制光的量子态为其中I₀为待调制的入射光的光强,该光为激光发出的相干态，这里我们忽略该量子态的整体相位。则第一分量S的量子态可以表达为第二分量N的量子态可以表达为/>

图3和图4分别示出了第一分量S和第二分量N在双向环光路中的传播及相位调制。在本示例中，为了在两个分量之间调制出一个相位差Δθ，相位调制器2例如可以(但不限于)对第一分量S施加一个调制相位Δθ，同时对第二分量N施加0相位。

在绕环传播一圈之后，第一分量S和第二分量N同时分别到达分束器1的第三端口1C和第二端口1B。

此时，第一分量S的量子态可以表达为第二分量N的量子态可以表达为由此可以得出：

在分束器1的第四端口1D处，输出的量子态为干涉光强满足以下关系式:

在分束器1的第一端口1A处，输出的量子态为干涉光强满足以下关系式：

上述推导不考虑器件的插入损耗，考虑插入损耗时对应的光强很容易基于上述结果进行计算。

基于上述分析可以发现，在根据本发明的强度调制装置中，分束器1的两个端口均可以作为强度调制光的输出端口，且光强调制结果为相位调制器2在两个光分量之间施加的调制相位差Δθ的不同函数。例如，在以分束器1的第一端口1A为待调制光的输入端口时，第一端口1A和第四端口1D将均可能输出与调制相位差Δθ相关的强度调制光。

进一步地，在本发明的强度调制装置中，还可以设置一个光学传输单元3，以便能够将分束器的第一端口1A的输出作为强度调制器的输出使用。具体而言，光学传输单元3可以包括第一端口3A、第二端口3B和第三端口3C，其中，从第一端口3A输入的光将从第二端口3B输出，从第二端口3B输入的光将从第三端口3C输出。

作为一个示例，光学传输单元3可以被设置成：第一端口3A接收待调制的光；第二端口3B通过单模光纤与分束器1的第一端口1A连接；并且，第三端口3C用于向外输出来自分束器1的干涉光，从而构成强度调制器的一个输出端口。可选地，光学传输单元3可以为环形器和分束器。

总体而言，在本发明的强度调制方案中，通过借助光纤连接分束器的两个分光分量的输出端口(反射端和透射端)构建形成关于这两个光分量的双向环光路结构，使得用于后续进行干涉作用的这两个光分量在相位调制过程中会在相同时间内历经相同的光路，因此，诸如温度等外部环境因素可能造成的影响会相同地作用于这两个分量上。在本发明中，借助干涉作用实现的光强调制结果取决于这两个分量在双向环光路上传播时被施加的调制相位差Δθ，而本发明中的双向环光路结构使得这种调制相位差Δθ可以仅由相位调制器控制，不会受到外部环境因素的影响。换言之，在本发明中，强度调制结果不受外部环境因素的影响，仅与相位调制器的调制信号有关，由此无需额外的反馈装置就能克服现有干涉强度调制器中易受外部影响而长时稳定性差的缺陷；并且，由于可以在两个分量之间保证稳定的调制相位差Δθ，由此可以实现稳定的干涉作用，进而能够提供高对比度的调制效果。此外，相比于其他强度调制方案，本发明的强度调制装置可以采用更少数量的光学元件，具有更为简单的光路结构，有利于降低装置的复杂性和成本；同时，根据本发明的调制原理，可以容易地同时向外输出两路强度调制结果。

综上所述，本发明所提出的基于萨格纳克双向环光路的调制方案，能够自行消除外部环境因素的影响，与已知的强度调制方案相比在强度调制范围、精度、对比度、稳定性及可控性方面均有很大改进，这尤其有利于强度调制装置及方法在量子密钥分发技术中的应用，例如用于量子密钥分发系统的时间相位编码系统、相位编码系统、偏振编码的诱骗态编码(包括对不同基矢的强度编码)中，以及用于对连续光进行斩波的脉冲生成方案中。

下面将继续结合一些示例性实施例来详细说明本发明的调制方案在量子密钥分发系统中的应用。

图5-8说明了利用本发明的强度调制装置对时间相位编码系统进行诱骗态编码和不同基矢强度编码的原理和方法。

本领域技术人员所知晓的是，一般情况下，对于时间基矢(Z基矢)，一个系统时钟周期内会在第一时间位置或第二时间位置上存在一个光脉冲；对于相位基矢(X基矢)，一个系统时钟周期内将存在两个光脉冲，其分别处于第一时间位置和第二时间位置。为了方便起见，在下文中，将处于一个系统时钟周期内第一时间位置上的光脉冲称为第一时间位置脉冲，处于第二时间时间位置上的光脉冲称为第二时间位置脉冲。

在利用本发明的强度调制装置或方法对光脉冲进行强度调制时，一个光脉冲将会被分束器1分光为两个分量，例如可以记为第一分量S和第二分量N，其中第二分量N将先于第一分量S到达相位调制器2(反之亦可)。正如前面所介绍的那样，这两个分量将在双向环光路中沿相反方向传播且可以在不同的时间点到达相位调制器2，即，两个分量在到达相位调制器2的时间上存在着时间差，这种时间差可以被记为T_sn。

在下文中，将用P_{x_ys}和P_{x_yn}代表第一分量S和第二分量N，其中：下角标x表示第x个系统时钟周期；y为1或2，用于表示一个系统时钟周期内的第一时间位置或第二时间位置脉冲；s和n则分别表示光脉冲的第一分量S和第二分量N。

图5示出了根据本发明的用于时间相位编码系统的诱骗态编码和不同基矢强度编码方法的第一示例性实施例。

在第一实施例中，相位调制器2一次仅对一个分量(例如第一时间位置脉冲的第一分量S)进行相位调制，由此可能改变该分量对应的光脉冲(例如第一时间位置脉冲)的输出光强，从而对光脉冲提供所需要的诱骗态或强度编码。相位调制器2的这种调制作用可以例如通过设置时间差T_sn(例如通过调节双向环光路长度及相位调制器位置等实现)和相位调制器2的脉冲驱动信号宽度来实现。

对于时间相位编码系统而言，在一个系统时钟周期内，第一时间位置和/或第二时间位置上均可能会存在光脉冲。相应地，在一个系统时钟周期内，在双向环光路中则最多可能出现四个分量，这四个分量一般会在不同时间到达相位调制器2。这意味着在一个系统时钟周期内，相位调制器需要在第一至第四时间上进行四次相位调制，第一至第四时间分别对应于四个分量到达相位调制器2的时间。

如图5所示，对于Z基矢，在某个(例如第一个)系统时钟周期内，仅在第一和第二时间位置中的一个时间位置上存在一个光脉冲(例如第一时间位置脉冲P_{1_1})，其在双向环光路中将对应形成两个分量(第一分量P_{1_1s}和第二分量P_{1_1n})。在一个系统时钟周期内，相位调制器2将在四个不同驱动信号作用下分别对不同时间到达相位调制器2的分量进行相应的相位调制。作为一个示例，如图5所示，在第一时间对光脉冲P_{1_1}的一个分量(例如第二分量P_{1_1n})施加0相位的调制，在第二时间对光脉冲P_{1_1}的另一分量(例如第一分量P_{1_1s})施加0相位的调制，从而在光脉冲P_{1_1}的两个分量之间形成调制相位差0，导致输出的光强与输入光强一致。在第三和第四时间上，没有分量到达相位调制器2，相应地不存在输出光强。由此，提供了一个Z基矢下的信号态。

对于下一(例如第二个)系统时钟周期内的X基矢，其在第一时间位置和第二时间位置上均存在一个光脉冲(光脉冲P_{2_1}和P_{2_2})，它们将在双向环光路中对应形成四个分量(P_{2_1s}、P_{2_1n}、P_{2_2s}和P_{2_2n})。同样地，在一个系统时钟周期内，相位调制器2将在四个不同驱动信号作用下分别对不同时间到达相位调制器2的分量进行相应的相位调制。如图5所示，在第一时间对光脉冲P_{2_1}的一个分量P_{2_1n}施加0相位的调制，在第二时间对光脉冲P_{2_1}的另一分量P_{2_1s}施加Vθ1相位的调制，从而在光脉冲P_{2_1}的两个分量之间形成调制相位差Vθ1，导致输出的光强为输入光强的cos²(Vθ1/2)。在第三时间对光脉冲P_{2_2}的一个分量P_{2_2n}施加0相位的调制，在第四时间对光脉冲P_{2_2}的另一分量P_{2_2s}施加Vθ1相位的调制，从而在光脉冲P_{2_2}的两个分量之间形成调制相位差Vθ1，导致输出的光强为输入光强的cos²(Vθ1/2)。由此，提供了一个X基矢下的信号态。

接着对于又一个(例如第三个)系统时钟周期内的Z基矢，其同样仅在第一和第二时间位置中的一个时间位置上存在一个光脉冲(例如第一时间位置脉冲P_{3_1})，其在双向环光路中将对应形成两个分量(第一分量P_{3_1s}和第二分量P_{3_1n})。类似地，在一个系统时钟周期内，将在第一时间对光脉冲P_{3_1}的一个分量(例如第二分量P_{3_1n})施加0相位的调制，在第二时间对光脉冲P_{3_1}的另一分量(例如第一分量P_{3_1s})施加Vθ2相位的调制，从而在光脉冲P_{3_1}的两个分量之间形成调制相位差Vθ2，导致输出的光强为输入光强的cos²(Vθ2/2)。在第三和第四时间上，没有分量到达相位调制器2，相应地不存在输出光强。由此，提供了一个Z基矢下的诱骗态。

对于再一(例如第四个)系统时钟周期内的X基矢，其在第一时间位置和第二时间位置上均存在一个光脉冲(光脉冲P_{4_1}和P_{4_2})，它们将在双向环光路中对应形成四个分量(P_{4_1s}、P_{4_1n}、P_{4_1n}、P_{4_2s}和P_{4_2n})。类似地，在一个系统时钟周期内，将在第一时间对光脉冲P_{4_1}的一个分量P_{4_1n}施加0相位的调制，在第二时间对光脉冲P_{4_1}的另一分量P_{4_1s}施加Vθ3相位的调制，从而在光脉冲P_{4_1}的两个分量之间形成调制相位差Vθ3，导致输出的光强为输入光强的cos²(Vθ3/2)。在第三时间对光脉冲P_{4_2}的一个分量P_{4_2n}施加0相位的调制，在第四时间对光脉冲P_{4_2}的另一分量P_{4_2s}施加Vθ3相位的调制，从而在光脉冲P_{4_2}的两个分量之间形成调制相位差Vθ3，导致输出的光强为输入光强的cos²(Vθ3/2)。由此，提供了一个X基矢下的诱骗态。

由此，实现了用于时间相位编码系统的诱骗态或不同基矢强度的编码。显然，这种编码方式同样适用于相位编码系统中。同时，本领域技术人员能够注意到，图5所示的编码过程十分简单和直接，但是其对相位调制器2的调制速率有着较高的要求，即其调制频率至少为系统时钟频率的4倍。

图6示出了根据本发明的用于时间相位编码系统的诱骗态编码和不同基矢强度编码方法的第二示例性实施例。

在第二实施例中，在一个系统时钟周期内，相位调制器2在第一时间的驱动信号下能够同时对相邻上一个系统时钟周期中第二时间位置脉冲(如果有的话)的第一分量S和该系统时钟周期中的第一时间位置脉冲(如果有的话)的第二分量N进行相位调制，以及在第二时间的驱动信号下能够同时对该系统时钟周期的第二时间位置脉冲(如果有的话)的第二分量N和第一时间位置脉冲(如果有的话)的第一分量S进行相位调制。由此可能改变分量对应的光脉冲的输出光强，从而对光脉冲提供所需要的诱骗态或强度编码。其中，在同一驱动信号下受到调制的两个分量可以是在不同或者基本重合的时间上到达相位调制器2，相位调制器2的这种调制作用可以例如通过设置时间差T_sn(例如通过调节双向环光路长度及相位调制器位置等实现)和相位调制器2的脉冲驱动信号宽度来实现。

由此可见，在该实施例中，在一个系统时钟周期内，相位调制器需要在第一至第二时间上进行两次相位调制。如图6所示，对于第一个系统时钟周期内的时间(Z)基矢，该基矢下的光脉冲例如存在于第一时间位置上，由于不存在上一周期的脉冲，因此，在第一时间上相位调制器仅对第一时间位置脉冲的第二分量P_{1_1n}进行相位调制，例如进行0相位的调制；由于第二时间位置上没有光脉冲，因此，在第二时间上，相位调制器仅对第一时间位置脉冲的第一分量P_{1_1s}进行相位调制，例如进行0相位的调制。由此在光脉冲P_{1_1}的两个分量之间形成调制相位差0，导致在一个系统时钟周期内仅在第一时间位置上输出光强与输入光强一致的脉冲，从而提供一个Z基矢下的信号态。

对于第二个系统时钟周期内的相位(X)基矢，此时在第一和第二时间位置上均存在光脉冲。由于上一周期的第二时间位置上没有光脉冲，因此在第一时间上相位调制器仅对第一时间位置脉冲的第二分量P_{2_1n}进行相位调制，例如进行0相位的调制；由于第二时间位置上存在光脉冲，因此，在第二时间上，相位调制器同时对第一时间位置脉冲的第一分量P_{2_1s}和第二时间位置脉冲的第二分量P_{2_2n}进行相位调制，例如进行Vθ1相位的调制。由此在光脉冲P_{2_1}的两个分量之间形成调制相位差Vθ1，从而在第二系统时钟周期的第一时间位置上输出一个强度为输入强度的cos²(Vθ1/2)的脉冲；以及类似地，通过在第三系统时钟周期的第一时间上施加0相位的调制，在第二系统时钟周期的第二时间位置上输出一个强度为输入强度的cos²(Vθ1/2)的脉冲，从而提供一个X基矢下的信号态。

类似地，通过在第三系统时钟周期的第二时间上施加Vθ2相位的调制，可以在第三系统时钟周期的第一时间位置上输出一个强度为输入强度的cos²(Vθ2/2)的脉冲，从而提供一个Z基矢下的诱骗态。

类似地，通过在第四系统时钟周期的第一时间上施加0相位的调制，以及在第四系统时钟周期的第二时间上施加Vθ3相位的调制，可以在第四系统时钟周期的第一时间位置上输出一个强度为输入强度的cos²(Vθ3/2)的脉冲；以及，在第五系统时钟周期的第一时间上施加0相位的调制，可以在第四系统时钟周期的第二时间位置上输出一个强度为一个强度为输入强度的cos²(Vθ3/2)的脉冲，从而提供一个X基矢下的诱骗态。

由此，实现了用于时间相位编码系统的诱骗态或不同基矢强度的编码。显然，这种编码方式同样适用于相位编码系统中。同时，本领域技术人员能够注意到，相比于图5所示的编码方法，图6中的编码方法对于相位调制器2的调制速率的要求降低，其调制频率要求至少为系统时钟频率的2倍即可。

图7示出了根据本发明的用于时间相位编码系统的诱骗态编码和不同基矢强度编码方法的第三示例性实施例。

在第三实施例中，在一个系统时钟周期内，相位调制器2在第一时间的驱动信号下能够同时对相邻上一个系统时钟周期中第一和二时间位置脉冲(如果有的话)的第一分量S和该系统时钟周期中的第一和第二时间位置脉冲(如果有的话)的第二分量N进行相位调制。由此可能改变分量对应的光脉冲的输出光强，从而对光脉冲提供所需要的诱骗态或强度编码。相位调制器2的这种调制作用可以例如通过设置时间差T_sn(例如通过调节双向环光路长度及相位调制器位置等实现)和相位调制器2的脉冲驱动信号宽度来实现。

由此可见，在该实施例中，在一个系统时钟周期内，相位调制器只需要进行一次相位调制过程。结合前面针对图5和6的编码过程的描述，本领域技术人员容易理解图7所示的编码过程，因此再次不再赘述。且本领域技术人员容易发现，相比于图6所示的编码方法，图7中的编码方法对于相位调制器2的调制速率的要求进一步降低，其调制频率要求至少为系统时钟频率的1倍即可。

此外，本领域技术人员还能够认识到，对于偏振编码系统，由于其在一个系统时钟周期内只存在一个光脉冲，图5、图6和图7所示的诱骗态和不同基矢强度编码方法可以同样地适用于偏振编码系统中，因此类似图5的编码过程可以参见图8，本文中不再对其进行赘述。

图9示出了利用本发明的强度调制装置或方法对连续光进行斩波以产生脉冲光的方法。

在对脉冲光进行调制时，相位调制器的驱动信号的脉宽至少需要覆盖待调制的光脉冲的宽度。然而，对于连续光(脉宽视为无穷大)，如果相位调制器的驱动信号也是连续存在的(脉宽视为无穷大)，那么可以想象连续光的第一分量S和第二分量N始终都会受到相位调制器相同的调制，那么两个分量上形成的相位差始终为0，不能体现强度调制效果，即，输出的信号始终是不变的。

利用本发明的强度调制装置生成脉冲光方法中将利用同一段光的两个分量到达相位调制器2的时间上存在一定时间差这一特点。具体而言，由于同一段光在双向环光路中的两个分量到达相位调制器2的时间存在时间差Tsn，则可以借助该时间差Tsn，通过调节相位调制器2的驱动信号的相位调制大小及调制时间宽度(即驱动脉冲信号的幅值和宽度)，使得在预定时间上发生消光作用，从而实现斩波和脉冲光的生成。

图9说明了相位调制器2的驱动脉冲信号的宽度Tdr大于时间差Tsn时的脉冲生成过程。

如图所示，在每个系统时钟周期内向相位调制器2输出一个幅值为Vπ且脉宽为Tdr的矩形驱动信号，其中幅值Vπ对应于π相位的相位调制。这里需要说明的是，幅值Vπ只是示例性的，驱动信号的幅值还可以根据需要具有其他数值，例如对应于0相位的幅值V0等等。驱动信号的频率还可以根据需要设置为周期的或者随机的形式。

在这种矩形驱动信号的作用下，将有宽度为Tsn的一段光在双向环光路中的在后到达相位调制器2的分量(例如第一分量S)受到π相位的调制，而在先到达相位调制器2的分量(例如第二分量N)因为在该驱动信号作用于调制器2之前就已经通过了相位调制器2而未受到其调制，因此在宽Tsn的这段光上形成π相位的相位差。根据前面针对本发明的强度调制装置的介绍可知，在强度调制装置的一个输出口(例如1A)处将出现斩波消光效果，且斩波消光的宽度为Tsn。而对于宽Tsn的这段光之后的宽度为Tdr-Tsn的那段光，在该驱动信号的作用下，其在双向环光路中的两个分量将同时受到π相位的相位调制，即Tdr-Tsn的这段光在相位调制器2的作用下形成的相位差为0，因此，在强度调制装置的同一个输出口(例如1A)处将输出其光强与输入光强相同的光。

基于类似的推理可以发现，在这种矩形驱动信号作用下，在一个系统时钟周期内，本发明的强度调制装置的一个输出口(例如1A)将输出脉冲间隔为Tdr，脉冲宽度为Tdr-Tsn的两个脉冲信号；在本发明的强度调制装置的另一个输出口(例如1D)将输出与之互补的两个脉冲信号。

基于上述说明可知，借助本发明的强度调制装置，可以通过调节时间差Tsn、相位调制器驱动信号(其亦可以为非周期性信号)的脉宽来获得任意的光脉冲。由于该方法形成的光脉冲的宽度可以与Tdr、Tsn等参数有关，因此可以灵活地通过调节光纤长度、驱动信号宽度等进行调制，且可以容易地通过调节驱动信号的作用时间来调节脉冲的发生位置，从而使得本发明的光脉冲产生方法能够非常灵活、方便地用于输出各种光脉冲信号。且由于其利用了本发明的强度调制装置，因此所输出的光脉冲信号同时还可以具有高对比度、稳定性等优点，适用于COW、DPS、CVQKD、BB84等协议的脉冲光源制备，特别是不需要相位随机化的COW协议、DPS协议。

尽管前面结合附图通过具体实施例对本发明的光学强度调制装置和方法，以及该强度调制装置在诱骗态和不同基矢强度编码方法和光脉冲生成方法中的应用进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本发明的原理，其并不会对本发明的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种利用强度调制装置对时间相位编码系统进行诱骗态编码的方法，在所述时间相位编码系统中，时间相位编码信号包括时间基矢和相位基矢；其中，在一个系统时钟周期内，所述时间基矢包括一个光脉冲，且所述一个光脉冲位于第一时间位置或第二时间位置上，所述相位基矢包括两个光脉冲，所述两个光脉冲分别处于所述第一时间位置和所述第二时间位置上；

所述第一时间位置早于所述第二时间位置；

所述强度调制装置包括保偏的分束器(1)和保偏的相位调制器(2)；

所述保偏的分束器(1)包括第一端口(1A)、第二端口(1B)、第三端口(1C)和第四端口(1D)，所述第二端口(1B)和所述第三端口(1C)之间通过保偏光纤连接以形成双向环光路；其中，当所述第一端口(1A)为输入端时，所述第二端口(1B)为反射输出端，所述第三端口(1C)为透射输出端；当所述第二端口(1B)为输入端时，所述第一端口(1A)为反射输出端，所述第四端口(1D)为透射输出端；

所述保偏的分束器(1)被配置成在所述第一端口(1A)接收待调制的光，并将所述待调制的光分成第一分量和第二分量，所述第一分量和所述第二分量分别在所述分束器的所述第二端口(1B)和所述第三端口(1C)输出进入所述双向环光路；

所述相位调制器(2)被设置在所述双向环光路中，且被配置成对所述第一分量和所述第二分量中的一个或两个进行相位调制，以在它们之间形成调制相位差Δθ；

所述保偏的分束器(1)进一步被配置成使经相位调制的所述第一分量和所述第二分量汇合并输出干涉光，以提供经强度调制的输出光；

其特征在于：

使所述时间相位编码信号中的光脉冲经所述分束器(1)被分成所述第一分量和所述第二分量，所述第一分量和所述第二分量沿相反方向进入所述双向环光路并传播；以及

利用所述相位调制器(2)对所述第一分量和所述第二分量中的一个或两个进行相位调制，以便提供所述时间基矢和所述相位基矢的信号态和诱骗态。

2.如权利要求1所述的诱骗态编码方法，其中，所述强度调制装置进一步包括光学传输单元(3)，所述光学传输单元(3)包括第一端口(3A)、第二端口(3B)和第三端口(3C)，其中，从所述第一端口(3A)输入的光由所述第二端口(3B)输出，从所述第二端口(3B)输入的光由所述第三端口(3C)输出；

所述光学传输单元(3)被配置成：所述第一端口(3A)接收所述待调制的光；以及所述第二端口(3B)通过单模光纤连接所述分束器(1)的所述第一端口(1A)。

3.如权利要求1所述的诱骗态编码方法，其中，所述分束器(1)为50:50的分束器。

4.如权利要求1所述的诱骗态编码方法，其中，所述相位调制器(2)对所述分量的相位调制是由彼此独立的驱动信号驱动的。

5.如权利要求1所述的诱骗态编码方法，其中，在一个所述系统时钟周期内，所述相位调制器(2)在第一驱动信号下同时对所述系统时钟周期内第一时间位置的光脉冲的所述第二分量和与所述系统时钟周期相邻的上一系统时钟周期内第二时间位置的光脉冲的所述第一分量进行相位调制；以及，在第二驱动信号下同时对所述系统时钟周期内第二时间位置的光脉冲的所述第二分量和所述系统时钟周期内第一时间位置的光脉冲的所述第一分量进行相位调制。

6.如权利要求1所述的诱骗态编码方法，其中，在一个所述系统时钟周期内，所述相位调制器(2)在第一驱动信号下同时对所述系统时钟周期内第一和第二时间位置的光脉冲的所述第二分量和与所述系统时钟周期相邻的上一系统时钟周期内第一和二时间位置的光脉冲的所述第一分量进行相位调制。

7.一种利用强度调制装置生成光脉冲的方法，所述强度调制装置包括保偏的分束器(1)和保偏的相位调制器(2)；

所述保偏的分束器(1)包括第一端口(1A)、第二端口(1B)、第三端口(1C)和第四端口(1D)，所述第二端口(1B)和所述第三端口(1C)之间通过保偏光纤连接以形成双向环光路；其中，当所述第一端口(1A)为输入端时，所述第二端口(1B)为反射输出端，所述第三端口(1C)为透射输出端；当所述第二端口(1B)为输入端时，所述第一端口(1A)为反射输出端，所述第四端口(1D)为透射输出端；

所述保偏的分束器(1)被配置成在所述第一端口(1A)接收待调制的光，并将所述待调制的光分成第一分量和第二分量，所述第一分量和所述第二分量分别在所述分束器的所述第二端口(1B)和所述第三端口(1C)输出进入所述双向环光路；

所述相位调制器(2)被设置在所述双向环光路中，且被配置成对所述第一分量和所述第二分量中的一个或两个进行相位调制，以在它们之间形成调制相位差Δθ；

所述保偏的分束器(1)进一步被配置成使经相位调制的所述第一分量和所述第二分量汇合并输出干涉光，以提供经强度调制的输出光；

所述方法包括以下步骤：

使连续光经所述分束器(1)分成所述第一分量和所述第二分量，所述第一分量和所述第二分量沿相反方向进入所述双向环光路并传播；

利用所述相位调制器(2)在所述第一分量和所述第二分量上进行相位调制；以及

通过调节所述相位调制器(2)的驱动信号的幅度和脉冲宽度、以及所述第一分量和所述第二分量到达所述相位调制器(2)的时间差中的一个或多个，在预定时间位置上产生消光效果。

8.如权利要求7所述的方法，其中,所述强度调制装置进一步包括光学传输单元(3)，所述光学传输单元(3)包括第一端口(3A)、第二端口(3B)和第三端口(3C)，其中，从所述第一端口(3A)输入的光由所述第二端口(3B)输出，从所述第二端口(3B)输入的光由所述第三端口(3C)输出；

所述光学传输单元(3)被配置成：所述第一端口(3A)接收所述待调制的光；以及所述第二端口(3B)通过单模光纤连接所述分束器(1)的所述第一端口(1A)。

9.如权利要求7所述的方法，其中,所述分束器(1)为50:50的分束器。

10.一种量子密钥分发系统，其借助如权利要求1-6中任一项所述的方法进行诱骗态编码。