CN109067531A - 基于90度熔接相差控制的相位解码方法、装置和量子密钥分发系统 - Google Patents

Abstract

一种基于90度熔接相差控制的相位解码方法、装置和量子密钥分发系统。该方法包括：将任意偏振态的一路输入光脉冲分束为两路光脉冲分别沿两条光路传输后合束输出，在至少一条光路中包含至少一个90度熔接点，90度熔接点是通过以下方式形成的：将至少一条光路中的两段保偏光纤相对旋转90度，使得一段保偏光纤的慢轴与另一段保偏光纤的快轴对准熔接，控制输入光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经两条光路传输的相位差与另一个偏振态经两条光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍。本发明通过对两条光路至少之一上的保偏光纤采用90度熔接，更容易实现稳定解码的相位差要求，从而实现抗环境干扰的稳定相位解码。

Description

基于90度熔接相差控制的相位解码方法、装置和量子密钥分 发系统

技术领域

本发明涉及光传输保密通信技术领域，尤其涉及一种基于90度熔接进行相差控制的相位解码方法、装置和量子密钥分发系统。

背景技术

量子保密通信技术是量子物理与信息科学相结合的前沿热点领域。基于量子密钥分发技术和一次一密密码原理，量子保密通信可在公开信道实现信息的安全传输。量子密钥分发基于量子力学海森堡不确定关系、量子不可克隆定理等物理原理，能够在用户之间安全地共享密钥，并可以检测到潜在的窃听行为，可应用于国防、政务、金融、电力等高安全需求的领域。

目前，量子密钥分发的编码方案主要采用偏振编码和相位编码。地面量子密钥分发主要基于光纤信道传输，而光脉冲在光纤量子信道传输过程中，因光纤制作存在截面非圆对称、纤芯折射率沿径向不均匀分布等非理想情况，以及光纤在实际环境中受温度、应变、弯曲等影响，产生随机双折射效应。采用偏振编码时，受光纤随机双折射的影响，偏振编码的量子态经长距离光纤传输后到达接收端时，光脉冲偏振态发生了随机变化，造成误码率升高，需要增加纠偏设备，增加了系统复杂度和成本，且对架空光缆、路桥光缆等强干扰情况难以稳定应用。相比偏振编码，相位编码采用前后光脉冲的相位差来编码信息，在长距离光纤信道传输过程中能够稳定保持。然而相位编码方案在干涉解码时，因传输光纤和编解码干涉仪光纤双折射影响，存在偏振诱导衰落问题，导致解码干涉不稳定。同样，若增加纠偏设备，虽然只需要对一种偏振态进行纠偏，但也增加系统复杂度和成本。对量子密钥分发相位编码方案，如何稳定高效地进行干涉解码是基于现有光缆基础设施进行量子保密通信应用的热点和难题。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种90度熔接相差控制(也可称为“相位差控制”)的相位解码方法、装置和量子密钥分发系统，用以解决相位编码量子密钥分发应用中因前述的偏振态变化而导致的接收端干涉输出结果不稳定的问题。

为实现上述目的，本发明提供至少以下技术方案：

1.一种基于90度熔接相差控制的相位解码方法，其特征在于，所述方法包括：

将入射的任意偏振态的一路输入光脉冲分束为两路光脉冲；

分别在两条光路上传输所述两路光脉冲，并将所述两路光脉冲进行相对延时后合束输出，所述两条光路中的至少一条光路包括至少两段保偏光纤；

其中，对分束前的所述输入光脉冲或者在分束至合束的过程中对所述两路光脉冲中的至少一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制，

其中，在所述两条光路中的所述至少一条光路中包含至少一个90度熔接点，所述90度熔接点是通过以下方式形成的：将所述至少一条光路中的两段保偏光纤相对旋转90度，使得一段保偏光纤的慢轴与另一段保偏光纤的快轴对准熔接，并且，

其中，控制所述输入光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍。

2.根据方案1所述的基于90度熔接相差控制的相位解码方法，其特征在于，所述两条光路包括对于所述两个正交偏振态存在双折射的光路，和/或所述两条光路上具有对于所述两个正交偏振态存在双折射的光器件，

其中，所述控制所述输入光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍，包括：

分别保持所述两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中在所述两条光路上传输时偏振态不变；以及

调整存在双折射的光路的长度和/或存在双折射的光器件的双折射大小，使得这两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条光路传输的相位差相差2π的整数倍。

3.根据方案1或2所述的基于90度熔接相差控制的相位解码方法，其特征在于，所述控制所述输入光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍，包括：

控制所述保偏光纤的一个本征偏振态在所述两条光路中的一条光路上传输时经保偏光纤快轴传输的距离和经慢轴传输的距离的第一距离差、以及该本征偏振态在所述两条光路中的另一条光路上传输时经保偏光纤快轴传输的距离和经慢轴传输的距离的第二距离差，使得第一距离差和第二距离差相差保偏光纤拍长的整数倍。

4.根据方案1或3所述的基于90度熔接相差控制的相位解码方法，其特征在于，所述控制所述输入光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍，包括：

所述两条光路均包含一个90度熔接点，且每个熔接点位于所在光路的中点。

5.根据前述任一方案所述的基于90度熔接相差控制的相位解码方法，其特征在于，在所述两条光路中的至少一条光路上配置保偏光纤拉伸器和/或双折射相位调制器，其中通过所述保偏光纤拉伸器和/或所述双折射相位调制器调整所述输入光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条光路传输的相位差之差。

6.一种基于90度熔接相差控制的相位解码装置，其特征在于，所述相位解码装置包括：分束器和合束器，所述分束器与所述合束器通过两条光路光耦合，其中所述分束器前端或者所述两条光路中的至少一条光路上具有相位调制器，

所述分束器被配置用于将入射的任意偏振态的一路输入光脉冲分束为两路光脉冲；

所述两条光路中的至少一条光路包括至少两段保偏光纤，所述两条光路被配置用于分别传输所述两路光脉冲，并用于实现所述两路光脉冲的相对延时；

所述相位调制器被配置用于对经其所在的光路传输的分束前的所述入射的任意偏振态的一路输入光脉冲或者所述两路光脉冲中至少之一按照量子密钥分发协议进行相位调制；

所述合束器被配置用于将所述两路光脉冲合束输出，

其中，在所述两条光路中的至少一条光路中包含至少一个90度熔接点，所述90度熔接点是通过以下方式形成的：将所述至少一条光路中的两段保偏光纤相对旋转90度，使得一段保偏光纤的慢轴与另一段保偏光纤的快轴对准熔接，

其中，所述两条光路及其上的光器件被构造成，控制所述输入光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍。

7.根据方案6所述的基于90度熔接相差控制的相位解码装置，其特征在于，所述两条光路及其上的光器件被进一步构造成，控制所述保偏光纤的一个本征偏振态在所述两条光路中的一条光路上传输时经保偏光纤快轴传输的距离和经慢轴传输的距离的第一距离差、以及该本征偏振态在所述两条光路中的另一条光路上传输时经保偏光纤快轴传输的距离和经慢轴传输的距离的第二距离差，使得第一距离差和第二距离差相差保偏光纤拍长的整数倍。

8.根据方案6或7所述的基于90度熔接相差控制的相位解码装置，其特征在于，所述两条光路均包含一个90度熔接点，且每个熔接点位于所在光路的中点。

9.根据方案6所述的基于90度熔接相差控制的相位解码装置，其特征在于，所述相位解码装置还包括：

保偏光纤拉伸器，所述保偏光纤拉伸器位于所述两条光路中的任一光路上，并且被配置用于调节其所在的光路的保偏光纤长度；和/或

双折射相位调制器，所述双折射相位调制器位于所述两条光路中的任一光路上，并且被配置用于对通过其的光脉冲的两个正交偏振态施加不同的可调的相位调制。

10.根据方案6所述的基于90度熔接相差控制的相位解码装置，其特征在于，所述相位解码装置采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪或不等臂迈克尔逊干涉仪的光路结构。

11.根据方案10所述的基于90度熔接相差控制的相位解码装置，其特征在于，所述相位解码装置采用不等臂迈克尔逊干涉仪的光路结构，所述合束器与所述分束器为同一器件，所述相位解码装置还包括：

两个反射镜，所述两个反射镜分别位于所述两条光路上，分别用于将来自所述分束器的经所述两条光路传输来的所述两路光脉冲反射回所述合束器，

其中所述不等臂迈克尔逊干涉仪的输入端口和输出端口为同一端口，所述相位解码装置还包括：

光环形器，所述光环形器位于所述分束器前端，所述入射的任意偏振态的一路输入光脉冲从所述光环形器的第一端口输入并从所述光环形器的第二端口输出至所述分束器，来自所述合束器的合束输出被输入至所述光环形器的第二端口并从所述光环形器的第三端口输出。

12.根据方案11所述的基于90度熔接相差控制的相位解码装置，其特征在于，当所述相位解码装置采用不等臂迈克尔逊干涉仪结构时，所述分束器与所述两个反射镜构成的所述干涉仪的两个臂均包含一个90度熔接点，各熔接点均为所述两个臂的中点。

13.根据方案6所述的基于90度熔接相差控制的相位解码装置，其特征在于，所述分束器和所述合束器被配置为偏振保持光器件；所述两条光路被配置为偏振保持光路；和/或，所述相位调制器被配置为偏振无关光器件。

14.一种量子密钥分发系统，包括：

根据方案6～13中任一项所述的基于90度熔接相差控制的相位解码装置，所述相位解码装置设置在所述量子密钥分发系统的接收端用于相位解码，和/或

根据方案6～13中任一项所述的基于90度熔接相差控制的相位解码装置，所述相位解码装置设置在所述量子密钥分发系统的发射端用于相位编码。

如前所述，通常，光脉冲经光纤量子信道传输时，会因环境影响导致传输至接收端的光脉冲的偏振态产生随机变化，影响量子保密通信系统工作稳定性。本发明可有效解决输入光脉冲偏振态随机变化对系统稳定性产生的影响，实现传输光纤环境干扰免疫的稳定相位解码。本发明使用相差控制方法，相位解码装置只需采用一个干涉仪即可对两个正交偏振态完成稳定解码，无需像偏振分集相位解码方案需要两个干涉仪对两个正交偏振态分别进行解码，降低了系统复杂性和控制要求。另外，通过两臂保偏光纤90度熔接，易于通过光纤长度控制实现稳定解码的相位差要求，解决相位编码量子密钥分发系统中偏振诱导衰落造成系统无法稳定工作的难题，并且本发明的方案易于实现。

附图说明

图1为本发明一优选实施方案的相位解码方法的流程图；

图2为本发明一优选实施方案的相位解码装置的组成结构示意图；

图3为本发明另一优选实施方案的相位解码装置的组成结构示意图；

图4为本发明另一优选实施方案的相位解码装置的组成结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施方案，其中，附图构成本申请的一部分，并与本发明的实施方案一起用于阐释本发明的原理。为了清楚和简化目的，当其可能使本发明的主题模糊不清时，对本文所描述的器件的已知功能和结构的详细具体说明将省略。

本发明一优选实施方案的一种相位解码方法如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤S101：将入射的任意偏振态的一路输入光脉冲分束为两路光脉冲；分别在两条光路上传输所述两路光脉冲，并将所述两路光脉冲进行相对延时后合束输出，所述两条光路中的至少一条光路包括至少两段保偏光纤；其中对分束前的所述输入光脉冲或者在分束至合束的过程中对所述两路光脉冲中的至少一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。

具体的，入射的输入光脉冲的偏振态可以是任意偏振态，可以看成由两个正交偏振态组成。自然地，分束得到的两路光脉冲也可以同样看成由与入射的输入光脉冲相同的两个正交偏振态组成。

在该方法中，可在分束之前对分束前的所述输入光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制，或者在分束至合束的过程中对所述两路光脉冲中的至少一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。

这里，相对延时和相位调制按照量子密钥分发协议的要求和规定进行，本文不作详细说明。

步骤S102：在所述两条光路中的所述至少一条光路中包含至少一个90度熔接点，所述90度熔接点是通过以下方式形成的：将所述至少一条光路中的两段保偏光纤相对旋转90度，使得一段保偏光纤的慢轴与另一段保偏光纤的快轴对准熔接。

步骤S103：控制所述输入光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍。换言之，控制输入光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差之差为2π的整数倍。

举例而言，假设这两个正交偏振态分别为x偏振态和y偏振态，将x偏振态在分束至合束的过程中经两条光路传输的相位差表示为Δx，将y偏振态在分束至合束的过程中经两条光路传输的相位差表示为Δy，则所述输入光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条光路传输的相位差相差2π的整数倍，或者说光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经两条光路传输的相位差之差为2π的整数倍，可以表示为：

Δx–Δy＝2π*m，

其中m为整数，可以为正整数、负整数或零。

有利的，所述控制所述输入光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍，包括：

控制所述保偏光纤的一个本征偏振态在所述两条光路中的一条光路上传输时经保偏光纤快轴传输的距离和经慢轴传输的距离的第一距离差、以及该本征偏振态在所述两条光路中的另一条光路上传输时经保偏光纤快轴传输的距离和经慢轴传输的距离的第二距离差，使得第一距离差和第二距离差相差保偏光纤拍长的整数倍，从而使得所述输入光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条光路传输的相位差相差2π的整数倍，换言之，使得两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差相差2π的整数倍。

具体地，假设保偏光纤某一本征偏振态在所述两条光路中的一条光路沿保偏光纤快轴传输的距离为L1、沿慢轴传输的距离为L2，在另一光路沿保偏光纤快轴传输的距离为L3、沿慢轴传输的距离为L4，则

(L1－L2)－(L3－L4)＝nβ，或者说

(L1－L3)－(L2－L4)＝nβ

其中n为正整数、负整数或零，β为保偏光纤拍长。

“保偏光纤拍长”是本领域公知的概念，是指保偏光纤的两个本征偏振态沿保偏光纤传输产生2π相位差所对应的保偏光纤长度。

有利的，所述控制所述输入光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍可以包括：所述两条光路均包含一个90度熔接点，且每个熔接点位于所在光路的中点。

在一种可能的实施方案中，分束与合束之间的两条光路包括对于所述输入光脉冲的两个正交偏振态存在双折射的光路，和/或这两条光路上具有对于两个正交偏振态存在双折射的光器件。在这种情况下，控制所述输入光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍包括：分别保持这两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中在所述两条光路上传输时偏振态不变；以及调整存在双折射的光路的长度和/或存在双折射的光器件的双折射大小，使得这两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条光路传输的相位差相差2π的整数倍，换言之，使得这两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差之差为2π的整数倍。可选地，这可以通过以下任一实现：i)将所述两条光路配置为保偏光纤光路，将所述保偏光纤光路上的光器件配置为非双折射光器件和/或偏振保持光器件；ii)将所述两条光路中的一条光路配置为自由空间光路，将所述两条光路上的光器件配置为偏振保持光器件或非双折射光器件。本文中，“保偏光纤光路”是指采用保偏光纤传输光脉冲的光路或保偏光纤连接形成的光路。“非双折射光器件”是指对于不同的偏振态(例如，两个正交偏振态)具有相同折射率的光器件。另外，偏振保持光器件也可称为保偏光器件。

在一种可能的实现中，在所述两条光路中的至少一条光路上配置保偏光纤拉伸器和/或双折射相位调制器。保偏光纤拉伸器适于调节其所在的光路的保偏光纤长度。双折射相位调制器适于对通过其的两个正交偏振态施加不同的可调的相位调制，因而可被设置来影响和调整输入光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差之差。例如，双折射相位调制器可以为铌酸锂相位调制器，通过控制施加至铌酸锂晶体的电压，可以对通过该相位调制器的两个正交偏振态各自所经受的相位调制进行控制和调整。由此，双折射相位调制器可用于影响和调整输入光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差之差。

本发明一优选实施方案的一种相位解码装置如图2所示，包括以下组成部分：分束器201、相位调制器202和合束器203，分束器201与合束器203通过两条光路光耦合，相位调制器202可以位于所述两条光路中的至少一条光路上。

分束器201被配置用于将入射的任意偏振态的一路输入光脉冲分束为两路光脉冲。

分束器201与合束器203之间的两条光路中的至少一条光路包括至少两段保偏光纤，所述两条光路被配置用于分别传输所述两路光脉冲，并用于实现所述两路光脉冲的相对延时。

具体的，可以通过调节分束器201与合束器203之间的两条光路的物理传输长度，实现这两路光脉冲的相对延时。

相位调制器202被配置用于对经其所在的光路传输的分束前的所述入射的任意偏振态的一路输入光脉冲或者所述两路光脉冲中至少之一按照量子密钥分发协议进行相位调制。

尽管图2示出在分束器201与合束器203之间设置相位调制器，即在分束至合束的过程中对分束得到的两路光脉冲中之一按照量子密钥分发协议进行相位调制，但也可能的是，在分束器201前端设置相位调制器，即在分束之前对分束前的所述入射的任意偏振态的一路输入光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。

另外，尽管图2中示出了仅一个相位调制器，但在分束器201与合束器203之间的两条光路中的每条光路上各设置一个相位调制器也是可能的。在设置有两个相位调制器的情况下，两个相位调制器所调制的相位之差可以根据量子密钥分发协议确定。

合束器203用于将经相对延时的、分束得到的两路光脉冲合束输出。

如图2所示，在所述两条光路中的至少一条光路中包含至少一个90度熔接点204或205，所述90度熔接点204或205是通过以下方式形成的：将所述至少一条光路中的两段保偏光纤相对旋转90度，使得一段保偏光纤的慢轴与另一段保偏光纤的快轴对准熔接。另外，所述两条光路及其上的光器件被构造成，控制所述输入光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍。

例如，所述两条光路可以分别包括两段或更多段保偏光纤，在所述至少一个90度熔接点处，其中一段保偏光纤的慢轴与另一段保偏光纤的快轴对准熔接。

优选地，如在上述关于方法实施方案所说明的，所述两条光路及其上的光器件可以被进一步配置成使得，控制所述保偏光纤的一个本征偏振态在所述两条光路中的一条光路上传输时经保偏光纤快轴传输的距离和经慢轴传输的距离的第一距离差、以及该本征偏振态在所述两条光路中的另一条光路上传输时经保偏光纤快轴传输的距离和经慢轴传输的距离的第二距离差，使得第一距离差和第二距离差相差保偏光纤拍长的整数倍，从而使得所述输入光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条光路传输的相位差相差2π的整数倍，换言之，使得两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差相差2π的整数倍。

优选的，所述两条光路均包含一个90度熔接点，且每个熔接点位于所在光路的中点，以使得容易实现所述输入光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差之差为2π的整数倍。

应指出，一个光路对于两个正交偏振态可以存在双折射或不存在双折射，取决于该光路的类型。例如，自由空间光路对于一路输入光脉冲的两个正交偏振态不存在双折射，而保偏光纤光路对于一路输入光脉冲的两个正交偏振态通常存在彼此差异较大的双折射。另外，光路上的一个光器件对于两个正交偏振态可以存在双折射或不存在双折射，取决于该光器件的类型。例如，一个非双折射光器件对于一路输入光脉冲的两个正交偏振态不存在双折射，而一个偏振保持光器件对于一路输入光脉冲的两个正交偏振态通常存在彼此差异较大的双折射。

根据本发明，上述两条光路的类型和/或长度及其上的光器件的类型和/或双折射大小导致所述输入光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条光路传输的相位差相差2π的整数倍，换言之，导致所述输入光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差之差为2π的整数倍。

在一种可能的实施方案中，分束器201与合束器203之间的一条光路为自由空间光路，相位调制器202及两条光路中的其他光器件为非双折射光器件和/或偏振保持光器件。对于该实施方案，在有偏振保持光器件的情况下，偏振保持光器件本身导致光脉冲的两个正交偏振态各自在分束器201与合束器203之间经两条光路传输的相位差之差为2π的整数倍。

在一种可能的实施方案中，分束器201与合束器203之间的两条光路为保偏光纤光路，相位调制器202及光路中的其他光器件为偏振保持光器件和/或非双折射光器件。

在一种可能的实施方案中，相位解码装置还可以包括光纤拉伸器和/或双折射相位调制器。

该光纤拉伸器可位于分束器201和合束器203之间的两条光路中的任一光路上，可用于调节其所在的光路的保偏光纤长度。通过借助于光纤拉伸器调整保偏光纤长度，可有利地易于实现光脉冲的两个正交偏振态各自在分束器201与合束器203之间经两条光路传输的相位差之差为2π的整数倍。

该双折射相位调制器可位于上述两条光路中的任一光路上，可用于对通过其的光脉冲的两个正交偏振态施加不同的相位调制。通过控制该双折射相位调制器，通过其的光脉冲的两个正交偏振态各自所经受的相位调制之差可调整。如此，通过利用双折射相位调制器，可方便地影响和调整光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差之差，易于实现所述相位差之差为2π的整数倍。该双折射相位调制器可以为前文所述的铌酸锂相位调制器。

可选地，所述相位解码装置可采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪或不等臂迈克尔逊干涉仪的光路结构。

在一种可能的实施方案中，所述相位解码装置采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪的光路结构，干涉仪两臂的光路(即，分束器与合束器之间的两条光路)采用保偏光纤，干涉仪的两臂分别包含一个90度熔接点，假设分束器至一臂中的90度熔接点的距离为L1、该一臂中的90度熔接点至合束器的距离为L2，分束器至另一臂中的90度熔接点的距离为L3、该另一臂中的90度熔接点至合束器的距离为L4，长度关系满足(L1－L2)－(L3－L4)＝nβ，其中n为正整数、负整数或零，β为保偏光纤拍长。在一个优选实施例中，两个90度熔接点可以分别位于两臂的中点，也即是L1＝L2且L3＝L4，长度关系满足(L1－L2)－(L3－L4)＝0。

在一种可能的实施方案中，所述相位解码装置采用不等臂迈克尔逊干涉仪的光路结构，干涉仪两臂的光路(即，与作为同一器件的分束器与合束器光耦合的、分别用于传输分束得到的两路光脉冲的两条光路)采用保偏光纤。此时，合束器与分束器为同一器件。在此情况下，相位解码装置还包括两个反射镜，这两个反射镜分别位于前述的用于传输分束得到的两路光脉冲的两条光路上，分别用于将来自分束器的经所述两条光路传输来的所述两路光脉冲反射回去以便由与分束器为同一器件的合束器合束输出。所述分束器与所述两个反射镜构成的所述干涉仪的两个臂分别包含一个90度熔接点，假设分束器至一臂中的90度熔接点的距离为L1、该一臂中的90度熔接点至两个反射镜中的一个反射镜的距离为L2，分束器至另一臂中的90度熔接点的距离为L3、该另一臂中的90度熔接点至两个反射镜中的另一个反射镜的距离为L4，考虑到光脉冲沿两臂往返传输，在传输过程中经过保偏光纤慢轴或快轴传输的距离为对应保偏光纤长度的2倍，长度关系满足2(L1－L2)－2(L3－L4)＝nβ，其中n为正整数、负整数或零，β为保偏光纤拍长。在一个优选实施例中，两个90度熔接点可以分别位于两臂的中点，也即是L1＝L2且L3＝L4，长度关系满足2(L1－L2)－2(L3－L4)＝0。此外，不等臂迈克尔逊干涉仪的输入端口和输出端口可以为同一端口，并且相位解码装置还包括光环形器。该光环形器可位于分束器前端。输入光脉冲可从光环形器的第一端口输入并从光环形器的第二端口输出至分束器。来自合束器(与分束器为同一器件)的合束输出可输入至光环形器的第二端口并从光环形器的第三端口输出。

对于图2的实施例，分束器201和合束器203优选采用保偏耦合器，即，分束器201优选采用保偏分束器，合束器203优选采用保偏合束器。

本发明一优选实施方案的一种相位解码装置如图3所示，该相位解码装置采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪的光路结构，包括以下组成部分：保偏分束器303、90度熔接点304和306、保偏光纤拉伸器305、相位调制器307以及保偏合束器308。

保偏分束器303一侧的两个端口301和302之一作为相位解码装置的输入端，保偏合束器308另一侧的两个端口309和310之一作为相位解码装置的输出端。保偏分束器303和保偏合束器308构成保偏马赫-曾德尔干涉仪，保偏光纤拉伸器305和相位调制器307分别插入马赫-曾德尔干涉仪的两臂。马赫-曾德尔干涉仪两臂分别包含一个90度熔接点304和一个90度熔接点306。工作时，光脉冲经保偏分束器303的端口301或302进入保偏分束器303分束成两路子光脉冲，一路子光脉冲经90度熔接点304传输和保偏光纤拉伸器305调制(顺序无关)，另一路子光脉冲经90度熔接点306传输和经相位调制器307调制(顺序无关)，两路子光脉冲相对延时后经保偏合束器308合束后由端口309或310输出。相位调制器307为偏振无关光器件。假设保偏分束器303与90度熔接点304之间长度为L1’、90度熔接点304与保偏合束器308之间长度为L2’、保偏分束器303与90度熔接点306之间长度为L3’、90度熔接点306与保偏合束器308之间长度为L4’，可以调制保偏光纤拉伸器305来对其所在光路的保偏光纤的长度进行拉伸调整，使得保偏光纤的长度关系满足：

(L1’－L2’)－(L3’－L4’)＝nβ，

其中β为保偏光纤拍长、n为整数。

在满足上述长度关系的情况下，可以使得输入光脉冲两个正交偏振态各自在保偏分束器303分束与保偏合束器308合束过程中经干涉仪两臂传输的相位差之差为2π的整数倍。替代地，在保偏光纤拉伸器305和相位调制器307位于马赫-曾德尔干涉仪的同一臂时，上述结果不受影响。或者，也可以通过保偏光纤拉伸器305实现相位调制器307的相位调制功能，上述结果不受影响。

本发明另一优选实施方案的相位解码装置如图4所示，采用不等臂迈克尔逊干涉仪的光路结构，包括以下组成部分：保偏分束器403、90度熔接点404和407、保偏光纤拉伸器405、相位调制器408以及反射镜406和409。

保偏分束器403一侧的两个端口401和402分别作为相位解码装置的输入端和输出端；保偏分束器403和反射镜406、409构成保偏迈克尔逊干涉仪，保偏光纤拉伸器405和相位调制器408分别插入迈克尔逊干涉仪的两臂。保偏迈克尔逊干涉仪两臂分别包含一个90度熔接点404和一个90度熔接点407。工作时，任意偏振态的一路输入光脉冲可以例如经保偏分束器403的端口401进入保偏分束器403分束成两路子光脉冲，一路子光脉冲经90度熔接点404传输和保偏光纤拉伸器405调制(顺序无关)后由反射镜406反射回来，另一路子光脉冲经90度熔接点407传输和经相位调制器408调制(顺序无关)后由反射镜409反射回来，反射回来的两路子光脉冲相对延时后经保偏分束器403(此时起到合束器的作用)合束后由端口402输出。相位调制器408为偏振无关光器件。假设保偏分束器403与90度熔接点404之间长度为L1”、90度熔接点404与反射镜406之间长度为L2”、保偏分束器403与90度熔接点407之间长度为L3”、90度熔接点407与反射镜409之间长度为L4”，可以调制保偏光纤拉伸器405来对其所在光路的保偏光纤的长度进行拉伸调整，使得保偏光纤的长度关系满足：

(L1”－L2”)－(L3”－L4”)＝nβ/2(除以因子2是因为光脉冲在迈克尔逊干涉仪中往返传输)，

其中β为保偏光纤拍长、n为整数。

在满足上述长度关系的情况下，可以使得输入光脉冲两个正交偏振态各自在保偏分束器403与反射镜406、409构成的迈克尔逊干涉仪两臂传输的相位差之差为2π的整数倍。替代地，在保偏光纤拉伸器405和相位调制器408位于迈克尔逊干涉仪的同一臂时，上述结果不受影响。或者，也可以通过保偏光纤拉伸器405实现相位调制器408的相位调制功能，上述结果不受影响。或者，光脉冲由端口402输入、由端口401输出时，或者以端口401或402同时作为输入和输出时，上述结果不受影响。在以端口401或402同时作为保偏迈克尔逊干涉仪的输入和输出时，同时作为输入和输出的该端口(分束器403的端口401或402)可以与一个光环形器连接；输入光脉冲经光环形器的第一端口输入并从所述光环形器的第二端口输出至保偏分束器403，来自保偏分束器403的光脉冲可以输入至所述光环形器的第二端口并从所述光环形器的第三端口输出。

本文中，术语“分束器”和“合束器”可互换使用，分束器亦可称为和用作合束器，反之亦然。

尽管图3和4的实施方案在分束至合束的过程中对分束得到的两路光脉冲中之一按照量子密钥分发协议进行相位调制，但也可能的是：在分束至合束的过程中对分束得到的两路光脉冲分别按照量子密钥分发协议进行相位调制，或者在分束之前对分束前的所述入射的任意偏振态的一路输入光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制。

再一方面，本发明还提供一种量子密钥分发系统，所述量子密钥分发系统包括设置在所述量子密钥分发系统的接收端用于相位解码的上述相位解码装置，和/或包括设置在所述量子密钥分发系统的发射端用于相位编码的上述相位解码装置。

通过在接收端处将入射的任意偏振态的一路输入光脉冲分束为两路分别经两条光路进行传输，并采用90度熔接的方式对保偏光纤光路进行连接，对该输入光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经这两条光路传输的相位差之间的关系进行控制，本发明使得对于任意偏振态的输入光脉冲可以容易实现稳定干涉输出。本发明使用相差控制方法，相位解码装置只需采用一个干涉仪即可对两个正交偏振态完成稳定解码，无需像偏振分集相位解码方案需要两个干涉仪对两个正交偏振态分别进行解码，降低了系统复杂性和控制要求。

通过上文的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效有更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

尽管已经详细地说明了示例实施例，前述说明在所有方面都是说明性的而不是限制性的。应当理解，可以设计出多个其它改型和变体而不偏离示例实施例的范围，这些都落入本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (14)

1.一种基于90度熔接相差控制的相位解码方法，其特征在于，所述方法包括：

将入射的任意偏振态的一路输入光脉冲分束为两路光脉冲；

分别在两条光路上传输所述两路光脉冲，并将所述两路光脉冲进行相对延时后合束输出，所述两条光路中的至少一条光路包括至少两段保偏光纤；

其中，对分束前的所述输入光脉冲或者在分束至合束的过程中对所述两路光脉冲中的至少一路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位调制，

其中，在所述两条光路中的所述至少一条光路中包含至少一个90度熔接点，所述90度熔接点是通过以下方式形成的：将所述至少一条光路中的两段保偏光纤相对旋转90度，使得一段保偏光纤的慢轴与另一段保偏光纤的快轴对准熔接，并且，

其中，控制所述输入光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍。

2.根据权利要求1所述的基于90度熔接相差控制的相位解码方法，其特征在于，所述两条光路包括对于所述两个正交偏振态存在双折射的光路，和/或所述两条光路上具有对于所述两个正交偏振态存在双折射的光器件，

其中，所述控制所述输入光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍，包括：

分别保持所述两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中在所述两条光路上传输时偏振态不变；以及

调整存在双折射的光路的长度和/或存在双折射的光器件的双折射大小，使得这两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条光路传输的相位差相差2π的整数倍。

3.根据权利要求1或2所述的基于90度熔接相差控制的相位解码方法，其特征在于，所述控制所述输入光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍，包括：

控制所述保偏光纤的一个本征偏振态在所述两条光路中的一条光路上传输时经保偏光纤快轴传输的距离和经慢轴传输的距离的第一距离差、以及该本征偏振态在所述两条光路中的另一条光路上传输时经保偏光纤快轴传输的距离和经慢轴传输的距离的第二距离差，使得第一距离差和第二距离差相差保偏光纤拍长的整数倍。

4.根据权利要求1或3所述的基于90度熔接相差控制的相位解码方法，其特征在于，所述控制所述输入光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍，包括：

所述两条光路均包含一个90度熔接点，且每个熔接点位于所在光路的中点。

5.根据前述权利要求任一项所述的基于90度熔接相差控制的相位解码方法，其特征在于，在所述两条光路中的至少一条光路上配置保偏光纤拉伸器和/或双折射相位调制器，其中通过所述保偏光纤拉伸器和/或所述双折射相位调制器调整所述输入光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条光路传输的相位差之差。

6.一种基于90度熔接相差控制的相位解码装置，其特征在于，所述相位解码装置包括：分束器和合束器，所述分束器与所述合束器通过两条光路光耦合，其中所述分束器前端或者所述两条光路中的至少一条光路上具有相位调制器，

所述分束器被配置用于将入射的任意偏振态的一路输入光脉冲分束为两路光脉冲；

所述两条光路中的至少一条光路包括至少两段保偏光纤，所述两条光路被配置用于分别传输所述两路光脉冲，并用于实现所述两路光脉冲的相对延时；

所述相位调制器被配置用于对经其所在的光路传输的分束前的所述入射的任意偏振态的一路输入光脉冲或者所述两路光脉冲中至少之一按照量子密钥分发协议进行相位调制；

所述合束器被配置用于将所述两路光脉冲合束输出，

其中，在所述两条光路中的至少一条光路中包含至少一个90度熔接点，所述90度熔接点是通过以下方式形成的：将所述至少一条光路中的两段保偏光纤相对旋转90度，使得一段保偏光纤的慢轴与另一段保偏光纤的快轴对准熔接，

其中，所述两条光路及其上的光器件被构造成，控制所述输入光脉冲的两个正交偏振态中的一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍。

7.根据权利要求6所述的基于90度熔接相差控制的相位解码装置，其特征在于，所述两条光路及其上的光器件被进一步构造成，控制所述保偏光纤的一个本征偏振态在所述两条光路中的一条光路上传输时经保偏光纤快轴传输的距离和经慢轴传输的距离的第一距离差、以及该本征偏振态在所述两条光路中的另一条光路上传输时经保偏光纤快轴传输的距离和经慢轴传输的距离的第二距离差，使得第一距离差和第二距离差相差保偏光纤拍长的整数倍。

8.根据权利要求6或7所述的基于90度熔接相差控制的相位解码装置，其特征在于，所述两条光路均包含一个90度熔接点，且每个熔接点位于所在光路的中点。

9.根据权利要求6所述的基于90度熔接相差控制的相位解码装置，其特征在于，所述相位解码装置还包括：

保偏光纤拉伸器，所述保偏光纤拉伸器位于所述两条光路中的任一光路上，并且被配置用于调节其所在的光路的保偏光纤长度；和/或

双折射相位调制器，所述双折射相位调制器位于所述两条光路中的任一光路上，并且被配置用于对通过其的光脉冲的两个正交偏振态施加不同的可调的相位调制。

10.根据权利要求6所述的基于90度熔接相差控制的相位解码装置，其特征在于，所述相位解码装置采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪或不等臂迈克尔逊干涉仪的光路结构。

11.根据权利要求10所述的基于90度熔接相差控制的相位解码装置，其特征在于，所述相位解码装置采用不等臂迈克尔逊干涉仪的光路结构，所述合束器与所述分束器为同一器件，所述相位解码装置还包括：

两个反射镜，所述两个反射镜分别位于所述两条光路上，分别用于将来自所述分束器的经所述两条光路传输来的所述两路光脉冲反射回所述合束器，

其中所述不等臂迈克尔逊干涉仪的输入端口和输出端口为同一端口，所述相位解码装置还包括：

光环形器，所述光环形器位于所述分束器前端，所述入射的任意偏振态的一路输入光脉冲从所述光环形器的第一端口输入并从所述光环形器的第二端口输出至所述分束器，来自所述合束器的合束输出被输入至所述光环形器的第二端口并从所述光环形器的第三端口输出。

12.根据权利要求11所述的基于90度熔接相差控制的相位解码装置，其特征在于，当所述相位解码装置采用不等臂迈克尔逊干涉仪结构时，所述分束器与所述两个反射镜构成的所述干涉仪的两个臂均包含一个90度熔接点，各熔接点均为所述两个臂的中点。

13.根据权利要求6所述的基于90度熔接相差控制的相位解码装置，其特征在于，所述分束器和所述合束器被配置为偏振保持光器件；所述两条光路被配置为偏振保持光路；和/或，所述相位调制器被配置为偏振无关光器件。

14.一种量子密钥分发系统，包括：

根据权利要求6～13中任一项所述的基于90度熔接相差控制的相位解码装置，所述相位解码装置设置在所述量子密钥分发系统的接收端用于相位解码，和/或

根据权利要求6～13中任一项所述的基于90度熔接相差控制的相位解码装置，所述相位解码装置设置在所述量子密钥分发系统的发射端用于相位编码。