CN108809436B - 一种非对称结构量子通信相位编码系统编解码器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非对称结构量子通信相位编码系统编解码器，包括编码器和解码器，编码器和解码器通过量子密钥分发通道连接，编码器包括第一不等臂干涉仪，第一不等臂干涉仪连接量子密钥分发通道；解码器包括第二光分束器、第二不等臂干涉仪、第三不等臂干涉仪、第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器和第四单光子探测器，第二光分束器连接第二不等臂干涉仪和第三不等臂干涉仪；本发明提高了系统的成码率，解码端不用实时进行相位调制，有效解决了相位加载准确性的问题，减少了系统实现的难度，增加了系统的稳定性，解码端采用被动选择相位的方式，省去了随机数源发生器。

Description

一种非对称结构量子通信相位编码系统编解码器

技术领域

本发明涉及量子通信领域，具体涉及一种非对称结构量子通信相位编码系统编解码器。

背景技术

现有的量子通信相位编码系统，主要采用不等臂干涉环结构，在其中的一臂上增加高速相位调制器进行相位的编解码，编解码器结构为对称式的，其典型编解码结构为法拉第迈克尔逊干涉仪和马赫曾德式干涉仪。其主要存在以下三个方面的问题，第一：高速的相位调制器一般衰减较大，典型衰减值为3.5dB。量子密码通信主要采用单光子信号传输，相位调制器的高衰减严重影响系统的成码；第二：相位编解码器采用高速相位调制器编解码，编码可以通过本地的时钟加载，光信号和电信号可以通过本地时钟很好的加载，解码一般通过异步时钟的方式实现，所以传统的方案通过相位调制器实时解码会出现时钟抖动，影响相位加载的准确性问题，即影响系统的运行稳定性；第三：传统的编解码器结构采用主动控制相位的方式编解码，即两端都需要存在真随机数发生器，用产生的真随机数进行相位的选取控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种非对称结构量子通信相位编码系统编解码器，本非对称结构量子通信相位编码系统编解码器可以最大程度的提高系统的成码率，接收端不用实时的进行相位调制，有效的解决了相位加载准确性的问题，减少了系统实现的难度，增加了系统的稳定性，解码端采用被动选择相位的方式，省去了随机数源发生器。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种非对称结构量子通信相位编码系统编解码器，包括编码器和解码器，所述编码器和解码器通过量子密钥分发通道连接，所述的编码器包括第一不等臂干涉仪，所述第一不等臂干涉仪连接量子密钥分发通道；

所述的解码器包括第二光分束器、第二不等臂干涉仪、第三不等臂干涉仪、第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器和第四单光子探测器，所述第二光分束器的输入端连接量子密钥分发通道，所述第二光分束器的输出端分别连接第二不等臂干涉仪和第三不等臂干涉仪，所述第二不等臂干涉仪分别连接第一单光子探测器和第二单光子探测器，所述第三不等臂干涉仪分别连接第三单光子探测器和第四单光子探测器。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述第一不等臂干涉仪包括第一光分束器、光衰减器、高速相位调制器、第一法拉第旋转反射镜、第二法拉第旋转反射镜、与第一法拉第旋转反射镜连接的短臂以及与第二法拉第旋转反射镜连接的长臂，光衰减器设置在第一不等臂干涉仪的短臂上，高速相位调制器设置在第一不等臂干涉仪的长臂上，第一光分束器为2*2光分束器，第一光分束器的端口1用于连接激光器，第一光分束器的端口3连接第一不等臂干涉仪的短臂，第一光分束器的端口4连接第一不等臂干涉仪的长臂，第一光分束器的端口2连接量子密钥分发通道；

光脉冲经过第一光分束器的端口1，分别从第一光分束器的端口3和端口4分成两路输出，第一光分束器的端口3输出的光脉冲经过短臂上的光衰减器到达第一法拉第旋转反射镜，经第一法拉第旋转反射镜反射后到达第一光分束器的端口2，形成短臂脉冲，第一光分束器的端口2输出短臂脉冲至量子密钥分发通道，第一光分束器的端口4输出的光脉冲经过长臂上的高速相位调制器到达第二法拉第旋转反射镜，经第二法拉第旋转反射镜反射后到达第一光分束器的端口2，形成长臂脉冲，第一光分束器的端口2输出长臂脉冲至量子密钥分发通道。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述的第二不等臂干涉仪包括第一光环形器、第三光分束器、第三法拉第旋转反射镜、第四法拉第旋转反射镜、与第三法拉第旋转反射镜连接的短臂以及与第四法拉第旋转反射镜连接的长臂；所述第二光分束器为1*2光分束器，所述第三光分束器为2*2光分束器，所述第二光分束器的端口1连接量子密钥分发通道，所述第二光分束器的端口2连接第一光环形器的端口1，第一光环形器的端口2连接第三光分束器的端口1，第三光分束器的端口3连接第二不等臂干涉仪的短臂，第三光分束器的端口4连接第二不等臂干涉仪的长臂，所述第三光分束器的端口2连接第一单光子探测器，第一光环形器的端口3连接第二单光子探测器；

光脉冲分别到达第二光分束器的端口1，分别从第二光分束器的端口2和端口3分成两路输出，第二光分束器的端口2输出的光脉冲经过第一光环形器的端口1，从第一光环形器的端口2输出至第三光分束器的端口1，分别从第三光分束器的端口3和端口4分成两路输出，第三光分束器的端口3输出的光脉冲经过第二不等臂干涉仪的短臂，到达第三法拉第旋转反射镜，经第三法拉第旋转反射镜反射后到达第三光分束器；第三光分束器的端口4输出的光脉冲经过第二不等臂干涉仪的长臂，到达第四法拉第旋转反射镜，经第四法拉第旋转反射镜反射后到达第三光分束器；第三光分束器的端口1输出干涉脉冲且经第一光环形器的端口3到达第二单光子探测器，第三光分束器的端口2输出干涉脉冲至第一单光子探测器。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述第三不等臂干涉仪包括第二光环形器、第四光分束器、低速相位控制器、第五法拉第旋转反射镜、第六法拉第旋转反射镜、与第五法拉第旋转反射镜连接的短臂以及与第六法拉第旋转反射镜连接的长臂；所述第四光分束器为2*2光分束器，所述第二光分束器的端口3连接第二光环形器的端口1，第二光环形器的端口2连接第四光分束器的端口1，第四光分束器的端口3连接第三不等臂干涉仪的短臂，第四光分束器的端口4连接第三不等臂干涉仪的长臂，低速相位控制器设置在第三不等臂干涉仪的长臂上，第四光分束器的端口2连接第三单光子探测器，第二光环形器的端口3连接第四单光子探测器；

第二光分束器的端口3输出的光脉冲经过第二光环形器的端口1，从第二光环形器的端口2输出至第四光分束器的端口1，分别从第四光分束器的端口3和端口4分成两路输出，第四光分束器的端口3输出的光脉冲经过第三不等臂干涉仪的短臂，到达第五法拉第旋转反射镜，经第五法拉第旋转反射镜反射后到达第四光分束器；第四光分束器的端口4输出的光脉冲经过第三不等臂干涉仪的长臂上的低速相位控制器，到达第六法拉第旋转反射镜，经第六法拉第旋转反射镜反射后到达第四光分束器；第四光分束器的端口1输出干涉脉冲且经第二光环形器的端口3到达第四单光子探测器，第四光分束器的端口2输出干涉脉冲至第三单光子探测器。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述第一不等臂干涉仪的长臂和短臂之间的长度差、第二不等臂干涉仪的长臂和短臂之间的长度差以及第三不等臂干涉仪的长臂和短臂之间的长度差一致。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述的第一不等臂干涉仪包括第一光分束器、光衰减器、高速相位调制器、第五光分束器、与第五光分束器的两个输入端口分别连接的长臂和短臂，所述第一光分束器为1*2光分束器，第一光分束器的输入端口用于连接激光器，第一光分束器的两个输出端口分别与第一不等臂干涉仪的长臂和短臂连接，光衰减器设置在第一不等臂干涉仪的短臂上，高速相位调制器设置在第一不等臂干涉仪的长臂上，第五光分束器的一个输出端口连接量子密钥分发通道；

光脉冲经过第一光分束器的输入端口，分别从第一光分束器的两个输出端口分成两路输出，一路输出的光脉冲经过短臂上的光衰减器到达第五光分束器，形成短臂脉冲；另一路输出的光脉冲经过长臂上的高速相位调制器到达第五光分束器，形成长臂脉冲；第五光分束器的输出端口输出短臂脉冲和长臂脉冲至量子密钥分发通道。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述的第二不等臂干涉仪包括第六光分束器、第七光分束器、与第七光分束器的两个输入端口分别连接的长臂和短臂，所述的第三不等臂干涉仪包括第八光分束器、低速相位控制器、第九光分束器、与第九光分束器的两个输入端口分别连接的长臂和短臂，所述第二光分束器、第六光分束器和第八光分束器为1*2光分束器，第七光分束器和第九光分束器为2*2光分束器，第二光分束器的一个输入端口连接量子密钥分发通道，第二光分束器的两个输出端口分别连接第六光分束器的输入端口和第八光分束器的输入端口，第六光分束器的两个输出端口分别连接第二不等臂干涉仪的长臂和短臂， 第七光分束器的两个输出端口分别连接第一单光子探测器和第二单光子探测器，第八光分束器的两个输出端口分别连接第三不等臂干涉仪的长臂和短臂，低速相位控制器设置在第三不等臂干涉仪的长臂上，第九光分束器的两个输出端口分别连接第三单光子探测器和第四单光子探测器。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述第一不等臂干涉仪的长臂和短臂之间的长度差、第二不等臂干涉仪的长臂和短臂之间的长度差以及第三不等臂干涉仪的长臂和短臂之间的长度差一致。

本发明的有益效果为： 本发明编解码器采用非对称结构，编码器采用主动相位控制的方式，解码器采用被动相位检测的方式；编码器第一不等臂干涉仪的一臂上使用高速相位调制器，第一不等臂干涉仪的另一臂上使用光衰减器，可以通过光衰减器控制两臂的光强比，当控制比例为1:1时，使用对应的解码器结构可获得最大成码；解码器包括两个不等臂干涉仪，其中第二不等臂干涉仪无任何相位控制器件，第三不等臂干涉仪加一个低速相位控制器，省去了接收端设置高速相位调制器引起的衰减影响，最大程度上提高了量子密码通信系统的成码率。接收端不用实时的进行相位调制，低速相位控制器只需在传输的过程中提供一个固定相位即可，即只需要提高固定的直流电平。所以此结构不需考虑传统方案解码时异步时钟导致的时钟抖动而引起的相位加载准确性问题，解码端采用被动选择相位的方式，不需要随机数发生器实时的控制相位加载。简化了系统的复杂度，加强了系统的稳定性。

附图说明

图1为实施例1编码器的结构示意图。

图2为实施例1解码器的结构示意图。

图3为实施例2编码器的结构示意图。

图4为实施例2解码器的结构示意图。

具体实施方式

下面根据图1至图4对本发明的具体实施方式作出进一步说明：

实施例1：参见图1和图2，一种非对称结构量子通信相位编码系统编解码器，包括编码器和解码器，所述编码器和解码器通过量子密钥分发通道连接。

参见图1，本实施例中的编码器包括第一不等臂干涉仪A，第一不等臂干涉仪A连接量子密钥分发通道；参见图2，解码器包括第二光分束器BS2、第二不等臂干涉仪B、第三不等臂干涉仪C、第一单光子探测器SPD1、第二单光子探测器SPD2、第三单光子探测器SPD3和第四单光子探测器SPD4，第二光分束器BS2的输入端连接量子密钥分发通道，所述第二光分束器BS2的两个输出端分别连接第二不等臂干涉仪B和第三不等臂干涉仪C，所述第二不等臂干涉仪B分别连接第一单光子探测器SPD1和第二单光子探测器SPD2，所述第三不等臂干涉仪C分别连接第三单光子探测器SPD3和第四单光子探测器SPD4。

参见图1，其中编码器的第一不等臂干涉仪A包括第一光分束器BS1、光衰减器OA、高速相位调制器PM、第一法拉第旋转反射镜FM1、第二法拉第旋转反射镜FM2、与第一法拉第旋转反射镜FM1连接的短臂以及与第二法拉第旋转反射镜FM2连接的长臂，光衰减器OA设置在第一不等臂干涉仪A的短臂上，高速相位调制器PM设置在第一不等臂干涉仪A的长臂上（光衰减器OA也可以设置在第一不等臂干涉仪A的长臂上，高速相位调制器PM设置在第一不等臂干涉仪A的短臂上），第一光分束器BS1为2*2光分束器，分光比为50:50，第一光分束器BS1的端口1连接有用于发出光脉冲的激光器，第一光分束器BS1的端口3连接第一不等臂干涉仪A的短臂，第一光分束器BS1的端口4连接第一不等臂干涉仪A的长臂，第一光分束器BS1的端口2连接量子密钥分发通道。光脉冲经过第一光分束器BS1的端口1，分别从第一光分束器BS1的端口3和端口4分成两路输出，第一光分束器BS1的端口3输出的光脉冲经过短臂上的光衰减器OA到达第一法拉第旋转反射镜FM1，经第一法拉第旋转反射镜FM1反射后到达第一光分束器BS1的端口2，形成短臂脉冲，第一光分束器BS1的端口2输出短臂脉冲至量子密钥分发通道；第一光分束器BS1的端口4输出的光脉冲经过长臂上的高速相位调制器PM到达第二法拉第旋转反射镜FM2，经第二法拉第旋转反射镜FM2反射后到达第一光分束器BS1的端口2，形成长臂脉冲，第一光分束器BS1的端口2输出长臂脉冲至量子密钥分发通道。

参见图2，其中解码器的第二不等臂干涉仪B包括第一光环形器CIR1、第三光分束器BS3、第三法拉第旋转反射镜FM3、第四法拉第旋转反射镜FM4、与第三法拉第旋转反射镜FM3连接的短臂以及与第四法拉第旋转反射镜FM4连接的长臂；第二光分束器BS2为1*2光分束器，分光比为50:50，也可以为不对称分光比；第三光分束器BS3为2*2光分束器，分光比为50:50，第二光分束器BS2的端口1连接量子密钥分发通道，用于接收光脉冲，第二光分束器BS2的端口2连接第一光环形器CIR1的端口1，第一光环形器CIR1的端口2连接第三光分束器BS3的端口1，第三光分束器BS3的端口3连接第二不等臂干涉仪B的短臂，第三光分束器BS3的端口4连接第二不等臂干涉仪B的长臂，所述第三光分束器BS3的端口2连接第一单光子探测器SPD1，第一光环形器CIR1的端口3连接第二单光子探测器SPD2。

光脉冲分别到达第二光分束器BS2的端口1，分别从第二光分束器BS2的端口2和端口3分成两路输出，第二光分束器BS2的端口2输出的光脉冲经过第一光环形器CIR1的端口1，从第一光环形器CIR1的端口2输出至第三光分束器BS3的端口1，分别从第三光分束器BS3的端口3和端口4分成两路输出，第三光分束器BS3的端口3输出的光脉冲经过第二不等臂干涉仪B的短臂，到达第三法拉第旋转反射镜FM3，经第三法拉第旋转反射镜FM3反射后到达第三光分束器BS3；第三光分束器BS3的端口4输出的光脉冲经过第二不等臂干涉仪B的长臂，到达第四法拉第旋转反射镜FM4，经第四法拉第旋转反射镜FM4反射后到达第三光分束器BS3；第三光分束器BS3的端口1输出干涉脉冲且经第一光环形器CIR1的端口3到达第二单光子探测器SPD2，第三光分束器BS3的端口2输出干涉脉冲至第一单光子探测器SPD1。

参见图2，解码器的第三不等臂干涉仪C包括第二光环形器CIR2、第四光分束器BS4、低速相位控制器φ（属于极低损耗相位控制器，即对响应频率无要求，衰减极小；可以为压电陶瓷等）、第五法拉第旋转反射镜FM5、第六法拉第旋转反射镜FM6、与第五法拉第旋转反射镜FM5连接的短臂以及与第六法拉第旋转反射镜FM6连接的长臂；第四光分束器BS4为2*2光分束器，分光比为50:50，第二光分束器BS2的端口3连接第二光环形器CIR2的端口1，第二光环形器CIR2的端口2连接第四光分束器BS4的端口1，第四光分束器BS4的端口3连接第三不等臂干涉仪C的短臂，第四光分束器BS4的端口4连接第三不等臂干涉仪C的长臂，低速相位控制器φ设置在第三不等臂干涉仪C的长臂上（低速相位控制器φ也可以设置在第三不等臂干涉仪C的短臂上），第四光分束器BS4的端口2连接第三单光子探测器SPD3，第二光环形器CIR2的端口3连接第四单光子探测器SPD4。

第二光分束器BS2的端口3输出的光脉冲经过第二光环形器CIR2的端口1，从第二光环形器CIR2的端口2输出至第四光分束器BS4的端口1，分别从第四光分束器BS4的端口3和端口4分成两路输出，第四光分束器BS4的端口3输出的光脉冲经过第三不等臂干涉仪C的短臂，到达第五法拉第旋转反射镜FM5，经第五法拉第旋转反射镜FM5反射后到达第四光分束器BS4；第四光分束器BS4的端口4输出的光脉冲经过第三不等臂干涉仪C的长臂上的低速相位控制器φ，到达第六法拉第旋转反射镜FM6，经第六法拉第旋转反射镜FM6反射后到达第四光分束器BS4；第四光分束器BS4的端口1输出干涉脉冲且经第二光环形器CIR2的端口3到达第四单光子探测器SPD4，第四光分束器BS4的端口2输出干涉脉冲至第三单光子探测器SPD3。

本实施例的编码器和解码器内的各个器件之间均通过光纤的形式连接。

所述第一不等臂干涉仪A的长臂和短臂之间的长度差、第二不等臂干涉仪B的长臂和短臂之间的长度差以及第三不等臂干涉仪C的长臂和短臂之间的长度差一致。

工作原理：参见图1，当1个光脉冲到达编码器时，首先到达第一光分束器BS1的端口1，该端口1的光脉冲经过分束分别有一半概率到达第一光分束器BS1的端口3和第一光分束器BS1的端口4，第一光分束器BS1的端口3输出的光脉冲经过第一不等臂干涉仪A的短臂传输至光衰减器OA，经过光衰减器OA衰减后到达第一法拉第旋转反射镜FM1，第一法拉第旋转反射镜FM1将光束反射回，再次经过光衰减器OA衰减到达第一光分束器BS1的端口2，形成短臂脉冲；设短臂的长度为Sa，短臂引起的相位变化为φSa，光衰减器OA为偏振无关器件。第一光分束器BS1的端口4输出的光脉冲经过第一不等臂干涉仪A的长臂传输至高速相位调制器PM，此时高速相位调制器PM加载相应的电信号对光信号进行相位调制，调制后的光子到达第二法拉第旋转反射镜FM2，第二法拉第旋转反射镜FM2将光束反射回，再次经过高速相位调制器PM调相到达第一光分束器BS1的端口2，形成长臂脉冲，长臂引起的相位变化包括长臂本身和高速相位调制器PM加载的相位之和，设该长臂的长度为La，该长臂本身引起的相位变化为φLa，高速相位调制器PM引起的相位为φPM。其中长臂总的相位变化为：φLa+φPM；短臂总的相位变化为：φSa。光衰减器OA的作用为控制长短臂之间的强度比，在此编码器结构中，当控制为1:1时，接收端（解码端）将获得最大的成码效率；当然也可以为不等比例。

参见图2，当经过编码的光脉冲到达解码器时，首先到达第二光分束器BS2的端口1，以50:50分光比为例，光脉冲有分别有一半概率从第二光分束器BS2的端口2和第二光分束器BS2的端口3出射。

参见图2，当光脉冲从第二光分束器BS2的端口2出射时，到达第一光环形器CIR1的端口1，第一光环形器CIR1的端口1将光传输至第一光环形器CIR1的端口2，第一光环形器CIR1的端口2将光传输至第三光分束器BS3的端口1，第三光分束器BS3的端口1的光脉冲分别有一半概率进入第三光分束器BS3的端口3和第三光分束器BS3的端口4；当光脉冲进入第三光分束器BS3的端口3时，经过第二不等臂干涉仪B的短臂到达第三法拉第旋转反射镜FM3返回至第三光分束器BS3处，当光脉冲进入第三光分束器BS3的端口4时，经过第二不等臂干涉仪B的长臂到达第四法拉第旋转反射镜FM4返回至第三光分束器BS3处。由于满足干涉条件，经过编码器短臂和经过解码器长臂的光脉冲和经过编码器长臂和经过解码器短臂的光脉冲在BS3处发生干涉，根据干涉的效果干涉后的光子会不同程度的进入SPD1和SPD2；两者概率之和为1。设第二不等臂干涉仪B的短臂的长度为Sb1，第二不等臂干涉仪B的短臂引起的相位变化为φSb1，第二不等臂干涉仪B的长臂的长度为Lb1，第二不等臂干涉仪B的长臂引起的相位变化为φLb1；经过编码的两个脉冲（长臂脉冲和短臂脉冲）经过第三光分束器BS3的FM环结构时，会形成Sa Sb1、Sa Lb1、La Sb1、La Lb1四个脉冲，根据干涉原理，需达到干涉条件进行解码，需保证Sa+Lb1= La+Sb1，即发送端FM环结构和接收端的FM环结构的长短臂之间的长度差需一致（第一不等臂干涉仪A的长臂和短臂之间的长度差和第二不等臂干涉仪B的长短臂之间的长度差一致）。这样Sa Lb1和La Sb1脉冲将会发生干涉，通过SPD1和SPD2对干涉脉冲的结果探测进行解码。

Sa Lb1脉冲的相位变化为φSa+φLb1；La Sb1脉冲的相位变化为φLa+φPM+φSb1；根据干涉原理进行干涉公式简化表示成概率形式如下所示：P= {1+cos［(φSa+φLb1 )-(φLa+φPM+φSb1 )］}/2；P表示为干涉之后的光强概率分布，由于在同一时刻长短臂本身光纤长度造成的相位φSa、φLb1、φLa、φSb1可以认为是固定不变的，所以干涉之后的状态完全由φPM（高速相位调制器PM）决定，通过电压加载控制高速相位调制器PM的状态变化，使用第一单光子探测器SPD1对其干涉结果进行统计，在2π周期内必定会出现一个干涉最大值（设干涉最大值时，高速相位调制器PM引起的相位为φPM1）和干涉最小值（设干涉最小值时，高速相位调制器PM引起的相位为φPM2），取干涉最大值时的φPM1为0π相位编码，则第一单光子探测器SPD1为对应的0π相位解码，取干涉最小值时的φPM2为π相位编码，则第一单光子探测器SPD1的计数最小，根据干涉原理，第二单光子探测器SPD2的计数必然为最大值，即第二单光子探测器SPD2为对应的π相位解码。

同理，当光脉冲从第二光分束器BS2的端口3出射时，设第四光分束器BS4的FM环结构的短臂（第三不等臂干涉仪C的短臂 ）的长度为Sb2，该短臂引起的相位变化为φSb2，第三不等臂干涉仪C的长臂的长度为Lb2，该长臂引起的相位变化为φLb2，低速相位控制器φ控制的相位表示为φb2；且根据干涉原理，长短臂长度满足关系Sa+Lb2= La+Sb2，即第一不等臂干涉仪A的长臂和短臂之间的长度差和第三不等臂干涉仪C长臂和短臂之间的长度差一致。

由于图2的上半部分确定了发送端（解码端）的0π相位和π相位，则对应的π/2和3π/2也可由第一单光子探测器SPD1的扫描曲线或者0π和π相位计算得到。设高速相位调制器PM引起的相位φPM3为π/2相位编码，高速相位调制器PM引起的相位φPM4为3π/2相位编码；设置发送端的编码φPM3相位，即π/2编码状态，则：P= {1+cos［(φSa+φLb2+φb2)- (φLa+φPM3+φSb2 )］}/2；P表示为干涉之后的光强概率分布，由于在同一时刻上述公式中只存在一个变量φb2，当φb2取某个固定相位值时，控制两条路径的相位差，使得第三单光子探测器SPD3的计数为最大值，则第三单光子探测器SPD3对应为π/2解码状态。同理第四单光子探测器SPD4对应为3π/2解码状态。

综上所述：编码器通过控制高速相位调制器PM进行0π、π/2、π、3π/2编码，解码器通过四个单光子探测器分别对应相应的相位状态解码，即第一单光子探测器SPD1对应0π解码、第二单光子探测器SPD2对应π解码、第三单光子探测器SPD3对应π/2解码，第四单光子探测器SPD4对应3π/2解码。

本实施例1的编解码器采用非对称结构，编码器采用主动相位控制的方式，解码器采用被动相位检测的方式；编码器的其中一臂上使用高速相位调制器PM，其中一臂上使用光衰减器OA，通过光衰减器OA控制两臂的光强比，当控制比例为1:1时，使用对应的解码器结构可获得最大成码；解码器的两个FM环结构，其中一个FM环（第二不等臂干涉仪B）无任何相位控制器件，另一个FM环（第三不等臂干涉仪C）加一个低速相位控制器φ，省去了接收端设置高速相位调制器引起的衰减影响，最大程度上提高了量子密码通信系统的成码率。接收端不用实时的进行相位调制，低速相位控制器φ只需在传输的过程中提供一个固定相位即可，即只需要提高固定的直流电平。所以此结构不需考虑传统方案解码时异步时钟导致的时钟抖动而引起的相位加载准确性问题，解码端采用被动选择相位的方式，不需要随机数发生器实时的控制相位加载。简化了系统的复杂度，加强了系统的稳定性。

上述实施例1的解码器和编码器结构组成以及工作原理为基于法拉第迈克尔逊干涉仪为基础的编解码结构，当然也可以使用实施例2的基于马赫曾德式干涉仪结构。具体工作原理两者类似，只是实施例2的基于马赫曾德式干涉仪结构需要在解码器端增加偏振态的控制，即在第二光分束器BS2的前面增加光偏振控制器，以达到较好的干涉效果，光偏振控制器的工作原理为现有技术，在此不多描述，下面对实施例2的编解码器结构进行阐述。

实施例2：一种非对称结构量子通信相位编码系统编解码器，包括编码器和解码器，所述编码器和解码器通过量子密钥分发通道连接。参见图3，所述的编码器包括第一不等臂干涉仪A，第一不等臂干涉仪A连接量子密钥分发通道；参见图4，解码器包括第二光分束器BS2、第二不等臂干涉仪B、第三不等臂干涉仪C、第一单光子探测器SPD1、第二单光子探测器SPD2、第三单光子探测器SPD3和第四单光子探测器SPD4，第二光分束器BS2的输入端通过光偏振控制器连接量子密钥分发通道，第二光分束器BS2的输出端分别连接第二不等臂干涉仪B和第三不等臂干涉仪C，第二不等臂干涉仪B分别连接第一单光子探测器SPD1和第二单光子探测器SPD2，第三不等臂干涉仪C分别连接第三单光子探测器SPD3和第四单光子探测器SPD4。

参见图3，其中第一不等臂干涉仪A包括第一光分束器BS1、光衰减器OA、高速相位调制器PM、第五光分束器BS5、与第五光分束器BS5的两个输入端口分别连接的长臂和短臂，第一光分束器BS1为1*2光分束器，第一光分束器BS1的输入端口连接有激光器，第一光分束器BS1的两个输出端口分别与第一不等臂干涉仪A的长臂和短臂连接，光衰减器OA设置在第一不等臂干涉仪A的短臂上，高速相位调制器PM设置在第一不等臂干涉仪A的长臂上，第五光分束器BS5的一个输出端口连接量子密钥分发通道。光脉冲经过第一光分束器BS1的输入端口，分别从第一光分束器BS1的两个输出端口分成两路输出，一路输出的光脉冲经过短臂上的光衰减器OA到达第五光分束器BS5，形成短臂脉冲；另一路输出的光脉冲经过长臂上的高速相位调制器PM到达第五光分束器BS5，形成长臂脉冲；第五光分束器BS5的输出端口输出短臂脉冲和长臂脉冲至量子密钥分发通道。

参见图4，其中第二不等臂干涉仪B包括第六光分束器BS6、第七光分束器BS7、与第七光分束器BS7的两个输入端口分别连接的长臂和短臂；第三不等臂干涉仪C包括第八光分束器BS8、低速相位控制器φ、第九光分束器BS9、与第九光分束器BS9的两个输入端口分别连接的长臂和短臂，第二光分束器BS2、第六光分束器BS6和第八光分束器BS8均为1*2光分束器，第七光分束器BS7和第九光分束器BS9均为2*2光分束器，第二光分束器BS2的两个输出端口分别连接第六光分束器BS6的输入端口和第八光分束器BS8的输入端口，第六光分束器BS6的两个输出端口分别连接第二不等臂干涉仪B的长臂和短臂， 第七光分束器BS7的两个输出端口分别连接第一单光子探测器SPD1和第二单光子探测器SPD2，第八光分束器BS8的两个输出端口分别连接第三不等臂干涉仪C的长臂和短臂，低速相位控制器φ设置在第三不等臂干涉仪C的长臂上，第九光分束器BS9的两个输出端口分别连接第三单光子探测器SPD3和第四单光子探测器SPD4。

其中第一不等臂干涉仪A的长臂和短臂之间的长度差、第二不等臂干涉仪B的长臂和短臂之间的长度差以及第三不等臂干涉仪C的长臂和短臂之间的长度差一致。

工作原理：实施例2的具体工作原理与实施例1的具体工作原理类似，因此下面对实施例2的工作原理进行简单阐述，不做具体描述：即参见图3，当1个光脉冲到达编码器时，首先到达第一光分束器BS1的输入端口，该输入端口的光脉冲经过分束分别有一半概率到达第一光分束器BS1的两个输出端口，第一光分束器BS1的一个输出端口输出的光脉冲经过第一不等臂干涉仪A的短臂传输至光衰减器OA，经过光衰减器OA衰减后到达第五光分束器BS5的一个输入端口，形成短臂脉冲，第一光分束器BS1的另一输出端口输出的光脉冲经过第一不等臂干涉仪A的长臂传输至高速相位调制器PM，此时高速相位调制器PM加载相应的电信号对光信号进行相位调制，调制后的光子到达第五光分束器BS5的另一输入端口，形成长臂脉冲，光衰减器OA的作用为控制长短臂之间的强度比。

当经过编码的光脉冲到达解码器时，首先到达第二光分束器BS2的输入端口，以50:50分光比为例，光脉冲有分别有一半概率从第二光分束器BS2的两个输出端口出射。第二光分束器BS2的一个输出端口输出光脉冲至第六光分束器BS6的输入端口，第六光分束器BS6的输入端口的光脉冲分别有一半概率进入第六光分束器BS6的两个输出端口，当光脉冲进入第六光分束器BS6的一个输出端口时，经过第二不等臂干涉仪B的短臂到达第七光分束器BS7的一个输入端口，光脉冲进入第六光分束器BS6的另一输出端口时，经过第二不等臂干涉仪B的长臂到达第七光分束器BS7的另一输入端口，第七光分束器BS7的两个输出端输出光脉冲至第一单光子探测器SPD1和第二单光子探测器SPD2。经过编码的两个脉冲（长臂脉冲和短臂脉冲）经过第二不等臂干涉仪B时，会形成如实施例1所述的四个脉冲，根据干涉原理，需达到干涉条件进行解码，需保证第一不等臂干涉仪A的长臂和短臂之间的长度差和第二不等臂干涉仪B的长臂和短臂之间的长度差一致，这样编码端的短臂脉冲经过第二不等臂干涉仪B的长臂形成的脉冲和编码端的长臂脉冲经过第二不等臂干涉仪B的短臂形成的脉冲将会发生干涉，通过SPD1和SPD2对干涉脉冲的结果探测进行解码。光子是到达SPD1还是到达SPD2，取决于两条路径的相位差，即高速相位调制器PM引起的相位，原理与实施例1类似，在此不多描述。

同理实施例1的工作原理，第二光分束器BS2的另一输出端口输出光脉冲至第八光分束器BS8的输入端口，第八光分束器BS8的两个输出端口分别输出光脉冲至第三不等臂干涉仪C的长臂和短臂，低速相位控制器φ控制长臂内的光脉冲相位，当第一不等臂干涉仪A的长臂和短臂之间的长度差和第三不等臂干涉仪C长臂和短臂之间的长度差一致，编码端的短臂脉冲经过第三不等臂干涉仪C的长臂形成的脉冲和编码端的长臂脉冲经过第三不等臂干涉仪C的短臂形成的脉冲将会发生干涉，通过SPD3和SPD4对干涉脉冲的结果探测进行解码。

本实施例2与实施例1的工作原理类似，编码器可通过控制高速相位调制器PM进行0π、π/2、π、3π/2编码，解码器通过四个单光子探测器分别对应相应的相位状态解码，即第一单光子探测器SPD1对应0π解码、第二单光子探测器SPD2对应π解码、第三单光子探测器SPD3对应π/2解码，第四单光子探测器SPD4对应3π/2解码。

本实施例2的编解码器采用非对称结构，编码器采用主动相位控制的方式，解码器采用被动相位检测的方式；编码器的其中一臂上使用高速相位调制器PM，其中一臂上使用光衰减器OA，通过光衰减器OA控制两臂的光强比，当控制比例为1:1时，使用对应的解码器结构可获得最大成码；解码器包括两个不等臂干涉仪，其中第二不等臂干涉仪B无任何相位控制器件，第三不等臂干涉仪C加一个低速相位控制器φ，省去了接收端设置高速相位调制器引起的衰减影响，最大程度上提高了量子密码通信系统的成码率。接收端不用实时的进行相位调制，低速相位控制器φ只需在传输的过程中提供一个固定相位即可，即只需要提高固定的直流电平。所以此结构不需考虑传统方案解码时异步时钟导致的时钟抖动而引起的相位加载准确性问题，解码端采用被动选择相位的方式，不需要随机数发生器实时的控制相位加载。简化了系统的复杂度，加强了系统的稳定性。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种非对称结构量子通信相位编码系统编解码器，包括编码器和解码器，所述编码器和解码器通过量子密钥分发通道连接，其特征在于：

所述的编码器包括第一不等臂干涉仪，所述第一不等臂干涉仪连接量子密钥分发通道；

所述的解码器包括第二光分束器、第二不等臂干涉仪、第三不等臂干涉仪、第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器和第四单光子探测器，所述第二光分束器的输入端连接量子密钥分发通道，所述第二光分束器的输出端分别连接第二不等臂干涉仪和第三不等臂干涉仪，所述第二不等臂干涉仪分别连接第一单光子探测器和第二单光子探测器，所述第三不等臂干涉仪分别连接第三单光子探测器和第四单光子探测器；

所述第一不等臂干涉仪包括第一光分束器、光衰减器、高速相位调制器、第一法拉第旋转反射镜、第二法拉第旋转反射镜、与第一法拉第旋转反射镜连接的短臂以及与第二法拉第旋转反射镜连接的长臂，光衰减器设置在第一不等臂干涉仪的短臂上，高速相位调制器设置在第一不等臂干涉仪的长臂上，第一光分束器为2*2光分束器，第一光分束器的端口1用于连接激光器，第一光分束器的端口3连接第一不等臂干涉仪的短臂，第一光分束器的端口4连接第一不等臂干涉仪的长臂，第一光分束器的端口2连接量子密钥分发通道；光脉冲经过第一光分束器的端口1，分别从第一光分束器的端口3和端口4分成两路输出，第一光分束器的端口3输出的光脉冲经过短臂上的光衰减器到达第一法拉第旋转反射镜，经第一法拉第旋转反射镜反射后到达第一光分束器的端口2，形成短臂脉冲，第一光分束器的端口2输出短臂脉冲至量子密钥分发通道；第一光分束器的端口4输出的光脉冲经过长臂上的高速相位调制器到达第二法拉第旋转反射镜，经第二法拉第旋转反射镜反射后到达第一光分束器的端口2，形成长臂脉冲，第一光分束器的端口2输出长臂脉冲至量子密钥分发通道；所述的第二不等臂干涉仪包括第一光环形器、第三光分束器、第三法拉第旋转反射镜、第四法拉第旋转反射镜、与第三法拉第旋转反射镜连接的短臂以及与第四法拉第旋转反射镜连接的长臂；所述第二光分束器为1*2光分束器，所述第三光分束器为2*2光分束器，所述第二光分束器的端口1连接量子密钥分发通道，所述第二光分束器的端口2连接第一光环形器的端口1，第一光环形器的端口2连接第三光分束器的端口1，第三光分束器的端口3连接第二不等臂干涉仪的短臂，第三光分束器的端口4连接第二不等臂干涉仪的长臂，所述第三光分束器的端口2连接第一单光子探测器，第一光环形器的端口3连接第二单光子探测器；光脉冲分别到达第二光分束器的端口1，分别从第二光分束器的端口2和端口3分成两路输出，第二光分束器的端口2输出的光脉冲经过第一光环形器的端口1，从第一光环形器的端口2输出至第三光分束器的端口1，分别从第三光分束器的端口3和端口4分成两路输出，第三光分束器的端口3输出的光脉冲经过第二不等臂干涉仪的短臂，到达第三法拉第旋转反射镜，经第三法拉第旋转反射镜反射后到达第三光分束器；第三光分束器的端口4输出的光脉冲经过第二不等臂干涉仪的长臂，到达第四法拉第旋转反射镜，经第四法拉第旋转反射镜反射后到达第三光分束器；第三光分束器的端口1输出干涉脉冲且经第一光环形器的端口3到达第二单光子探测器，第三光分束器的端口2输出干涉脉冲至第一单光子探测器；所述第三不等臂干涉仪包括第二光环形器、第四光分束器、低速相位控制器、第五法拉第旋转反射镜、第六法拉第旋转反射镜、与第五法拉第旋转反射镜连接的短臂以及与第六法拉第旋转反射镜连接的长臂；所述第四光分束器为2*2光分束器，所述第二光分束器的端口3连接第二光环形器的端口1，第二光环形器的端口2连接第四光分束器的端口1，第四光分束器的端口3连接第三不等臂干涉仪的短臂，第四光分束器的端口4连接第三不等臂干涉仪的长臂，低速相位控制器设置在第三不等臂干涉仪的长臂上，第四光分束器的端口2连接第三单光子探测器，第二光环形器的端口3连接第四单光子探测器；第二光分束器的端口3输出的光脉冲经过第二光环形器的端口1，从第二光环形器的端口2输出至第四光分束器的端口1，分别从第四光分束器的端口3和端口4分成两路输出，第四光分束器的端口3输出的光脉冲经过第三不等臂干涉仪的短臂，到达第五法拉第旋转反射镜，经第五法拉第旋转反射镜反射后到达第四光分束器；第四光分束器的端口4输出的光脉冲经过第三不等臂干涉仪的长臂上的低速相位控制器，到达第六法拉第旋转反射镜，经第六法拉第旋转反射镜反射后到达第四光分束器；第四光分束器的端口1输出干涉脉冲且经第二光环形器的端口3到达第四单光子探测器，第四光分束器的端口2输出干涉脉冲至第三单光子探测器；所述第一不等臂干涉仪的长臂和短臂之间的长度差、第二不等臂干涉仪的长臂和短臂之间的长度差以及第三不等臂干涉仪的长臂和短臂之间的长度差一致；

或者，

所述的第一不等臂干涉仪包括第一光分束器、光衰减器、高速相位调制器、第五光分束器、与第五光分束器的两个输入端口分别连接的长臂和短臂，所述第一光分束器为1*2光分束器，第一光分束器的输入端口用于连接激光器，第一光分束器的两个输出端口分别与第一不等臂干涉仪的长臂和短臂连接，光衰减器设置在第一不等臂干涉仪的短臂上，高速相位调制器设置在第一不等臂干涉仪的长臂上，第五光分束器的一个输出端口连接量子密钥分发通道；光脉冲经过第一光分束器的输入端口，分别从第一光分束器的两个输出端口分成两路输出，一路输出的光脉冲经过短臂上的光衰减器到达第五光分束器，形成短臂脉冲；另一路输出的光脉冲经过长臂上的高速相位调制器到达第五光分束器，形成长臂脉冲；第五光分束器的输出端口输出短臂脉冲和长臂脉冲至量子密钥分发通道；所述的第二不等臂干涉仪包括第六光分束器、第七光分束器、与第七光分束器的两个输入端口分别连接的长臂和短臂，所述的第三不等臂干涉仪包括第八光分束器、低速相位控制器、第九光分束器、与第九光分束器的两个输入端口分别连接的长臂和短臂，所述第二光分束器、第六光分束器和第八光分束器为1*2光分束器，第七光分束器和第九光分束器为2*2光分束器，第二光分束器的一个输入端口连接量子密钥分发通道，第二光分束器的两个输出端口分别连接第六光分束器的输入端口和第八光分束器的输入端口，第六光分束器的两个输出端口分别连接第二不等臂干涉仪的长臂和短臂，第七光分束器的两个输出端口分别连接第一单光子探测器和第二单光子探测器，第八光分束器的两个输出端口分别连接第三不等臂干涉仪的长臂和短臂，低速相位控制器设置在第三不等臂干涉仪的长臂上，第九光分束器的两个输出端口分别连接第三单光子探测器和第四单光子探测器；所述第一不等臂干涉仪的长臂和短臂之间的长度差、第二不等臂干涉仪的长臂和短臂之间的长度差以及第三不等臂干涉仪的长臂和短臂之间的长度差一致。

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