CN109120403B - 基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码方法、装置及系统 - Google Patents

基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码方法、装置及系统 Download PDF

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Abstract

一种基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码方法、装置及包括该装置的系统。该方法包括：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以及分别对这两路光脉冲进行相位解码。对每一路光脉冲进行相位解码包括：将该路光脉冲分束为两路子光脉冲；以及分别在两条子光路上传输这两路子光脉冲并将其合束输出，在两条子光路中的至少一条子光路中包含至少一个偏振正交旋转装置，并且控制该路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子光路传输的相位差相差2π的整数倍，并对任一路光脉冲分束得到的两路子光脉冲中之一进行直流相位调制。本发明的解码方案能够抗偏振诱导衰落，适用于存在环境干扰的高速量子密钥分发系统。

Description

基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码方法、 装置及系统
技术领域
本发明涉及光传输保密通信技术领域，尤其涉及一种基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码方法、装置及包括该装置的量子密钥分发系统。
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，能够实现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、电力等高安全信息传输需求的领域。
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，并且光纤在实际环境中受温度、应变、弯曲等影响，会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，光脉冲偏振态会发生随机变化，造成误码率升高，导致需要增加纠偏设备，增加了系统复杂度和成本，且对于架空光缆、路桥光缆等强干扰情况难以实现稳定应用。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。然而对于相位编码方案，在干涉解码时，因传输光纤和编解码干涉仪光纤双折射的影响，存在偏振诱导衰落的问题，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，但也会增加系统复杂度和成本。对于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基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码方法和装置，以解决相位编码量子密钥分发应用中偏振诱导衰落引起的相位解码干涉不稳定的难题。
为实现上述目的，本发明提供至少以下技术方案：
1.一种基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码方法，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第一路光脉冲和第二路光脉冲；以及
分别对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位解码，
其中，分别对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位解码包括：
对于所述第一路光脉冲和第二路光脉冲中的每一路光脉冲，
将该路光脉冲分束为两路子光脉冲；以及
分别在两条子光路上传输所述两路子光脉冲，并将所述两路子光脉冲作相对延时后合束输出，
其中，在所述两条子光路中的至少一条子光路中包含至少一个偏振正交旋转装置，所述偏振正交旋转装置被配置用于将经其传输的一路子光脉冲的两个正交偏振态分别进行偏振正交旋转，使得经由该偏振正交旋转装置后，该一路子光脉冲的两个正交偏振态中的每个偏振态分别变换成与其正交的偏振态，并且
其中，控制该路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子光路传输的相位差与另一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍，
其中，在分别对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位解码的过程中：
在分束至合束的过程中，对所述第一路光脉冲分束得到的两路子光脉冲中至少之一按照量子密钥分发协议进行直流相位调制，和/或对所述第二路光脉冲分束得到的两路子光脉冲中至少之一按照量子密钥分发协议进行直流相位调制。
2.根据方案1所述的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码方法，其特征在于，对于所述第一路光脉冲和第二路光脉冲中的每一路光脉冲：
用于传输该路光脉冲分束得到的两路子光脉冲的所述两条子光路包括对于该路光脉冲的两个正交偏振态存在双折射的光路，和/或在其上具有对于该路光脉冲的两个正交偏振态存在双折射的光器件，其中所述控制该路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子光路传输的相位差与另一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条子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中的每一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条光路传输时保持偏振态不变和/或经所述偏振正交旋转装置进行偏振正交旋转后保持其对应的正交偏振态不变；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子光路传输的相位差与另一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍。
3.根据方案1或2所述的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码方法，其特征在于，所述两条第一子光路和两条第二子光路配置为保偏光纤光路，所述控制该路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子光路传输的相位差与另一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差相差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子光路中的一条子光路上传输时在该本征偏振态情形下传输的距离和在转换为该本征偏振态的正交偏振态情形下传输的距离的第一距离差、以及该本征偏振态在所述两条子光路中的另一条子光路上传输时在该本征偏振态情形下传输的距离和在转换为该本征偏振态的正交偏振态情形下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所述的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码方法，其特征在于，所述控制该路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子光路传输的相位差与另一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍，包括：
所述两条子光路均包含一个偏振正交旋转装置，且每个偏振正交旋转装置位于所在子光路的中点。
5.根据方案1所述的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码方法，其特征在于，所述偏振正交旋转装置为90度法拉第旋转器或半波片。
6.根据方案1所述的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码方法，其特征在于，
对于所述第一路光脉冲和第二路光脉冲中的每一路光脉冲：
在用于对该路光脉冲分束得到的两路子光脉冲进行传输的所述两条子光路中的至少一条子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该路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子光路传输的相位差与另一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差之差。
7.一种基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，所述相位解码装置包括：
前置分束器，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第一路光脉冲和第二路光脉冲；
与所述前置分束器光耦合的第一相位解码器，被配置用于对所述第一路光脉冲进行相位解码；以及，
与所述前置分束器光耦合的第二相位解码器，被配置用于对所述第二路光脉冲进行相位解码，
其中，所述第一相位解码器包括第一分束器、第一合束器以及与所述第一分束器光耦合并且与所述第一合束器光耦合的两条第一子光路，其中
所述第一分束器被配置用于将所述第一路光脉冲分束为两路第一子光脉冲；
所述两条第一子光路被配置用于分别传输所述两路第一子光脉冲，并用于实现所述两路第一子光脉冲的相对延时；
所述第一合束器被配置用于将所述两路第一子光脉冲合束输出，
其中，在所述两条第一子光路中的至少一条第一子光路中包含至少一个第一偏振正交旋转装置，所述第一偏振正交旋转装置被配置用于将经其传输的一路第一子光脉冲的两个正交偏振态分别进行偏振正交旋转，使得经由该第一偏振正交旋转装置后，该一路第一子光脉冲的两个正交偏振态中的每个偏振态分别变换成与其正交的偏振态，
其中在所述第一相位解码器中，所述两条第一子光路及其上的光器件被构造成，控制所述第一路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第一子光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条第一子光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍；
其中，所述第二相位解码器包括第二分束器、第二合束器以及与所述第二分束器光耦合并且与所述第二合束器光耦合的两条第二子光路，其中
所述第二分束器被配置用于将所述第二路光脉冲分束为两路第二子光脉冲；
所述两条第二子光路被配置用于分别传输所述两路第二子光脉冲，并用于实现所述两路第二子光脉冲的相对延时；
所述第二合束器被配置用于将所述两路第二子光脉冲合束输出，
其中，在所述两条第二子光路中的至少一条第二子光路中包含至少一个第二偏振正交旋转装置，所述第二偏振正交旋转装置被配置用于将经其传输的一路第二子光脉冲的两个正交偏振态分别进行偏振正交旋转，使得经由该第二偏振正交旋转装置后，该一路第二子光脉冲的两个正交偏振态中的每个偏振态分别变换成与其正交的偏振态，
其中在所述第二相位解码器中，所述两条第二子光路及其上的光器件被构造成，控制所述第二路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第二子光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条第二子光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍，以及
其中所述第一相位解码器具有位于所述两条第一子光路中至少之一上的直流相位调制器，和/或所述第二相位解码器具有位于所述两条第二子光路中至少之一上的直流相位调制器，所述直流相位调制器用于对经其所在的子光路传输的子光脉冲按照量子密钥分发协议进行直流相位调制。
8.根据方案7所述的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，所述两条第一子光路和第二子光路被配置为保偏光纤光路，所述两条第一子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第一子光路中的一条第一子光路上传输时在该本征偏振态情形下传输的距离和在转换为该本征偏振态的正交偏振态情形下传输的距离的第一距离差、以及该本征偏振态在所述两条第一子光路中的另一条第一子光路上传输时在该本征偏振态情形下传输的距离和在转换为该本征偏振态的正交偏振态情形下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；和/或
所述两条第二子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第二子光路中的一条第二子光路上传输时在该本征偏振态情形下传输的距离和在转换为该本征偏振态的正交偏振态情形下传输的距离的第三距离差、以及该本征偏振态在所述两条第二子光路中的另一条第二子光路上传输时在该本征偏振态情形下传输的距离和在转换为该本征偏振态的正交偏振态情形下传输的距离的第四距离差，使得第三距离差和第四距离差相差保偏光纤拍长的整数倍。
9.根据方案7或8所述的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，
所述两条第一子光路均包含一个第一偏振正交旋转装置，且每个第一偏振正交旋转装置位于所在第一子光路的中点；和/或，
所述两条第二子光路均包含一个第二偏振正交旋转装置，且每个第二偏振正交旋转装置位于所在第二子光路的中点。
10.根据方案7所述的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，所述第一偏振正交旋转装置和第二偏振正交旋转装置为90度法拉第旋转器或半波片。
11.根据方案7所述的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，所述相位解码装置还包括：
位于所述两条第一子光路中的任一第一子光路上的第一保偏光纤拉伸器，和/或位于所述两条第一子光路中的任一第一子光路上的第一双折射相位调制器，所述第一保偏光纤拉伸器用于调节其所在的光路的保偏光纤长度，所述第一双折射相位调制器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；和/或
位于所述两条第二子光路中的任一第二子光路上的第二保偏光纤拉伸器，和/或位于所述两条第二子光路中的任一第二子光路上的第二双折射相位调制器，所述第二保偏光纤拉伸器用于调节其所在的光路的保偏光纤长度，所述第二双折射相位调制器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。
12.根据方案7所述的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，所述直流相位调制器用光纤拉伸器或长度可调的自由空间光路或偏振无关相位调制器实现；所述直流相位调制器导致在所述第一相位解码器和第二相位解码器中的一个相位解码器中所作的相位调制相对于在所述第一相位解码器和第二相位解码器中的另一个相位解码器中所作的相位调制相差90度。
13.根据方案7所述的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，所述第一相位解码器和/或第二相位解码器采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪的结构；或者
所述第一相位解码器和/或第二相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的光路结构，其中在所述第一相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构的情况下，所述第一相位解码器的第一合束器与第一分束器为同一器件，所述第一相位解码器还包括：
两个第一反射镜，所述两个第一反射镜分别位于所述两条第一子光路上，分别用于将来自所述第一分束器的经所述两条第一子光路传输来的所述两路第一子光脉冲反射回所述第一合束器；和
第一光环形器，所述第一光环形器位于所述第一分束器前端，所述第一路光脉冲输入至所述第一光环形器的第一端口并从所述第一光环形器的第二端口输出至所述第一分束器，来自所述第一合束器的合束后的光脉冲被输入至所述第一光环形器的第二端口并从所述第一光环形器的第三端口输出；和/或
在所述第二相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构的情况下，所述第二相位解码器的第二合束器与第二分束器为同一器件，所述第二相位解码器还包括：
两个第二反射镜，所述两个第二反射镜分别位于所述两条第二子光路上，分别用于将来自所述第二分束器的经所述两条第二子光路传输来的所述两路第二子光脉冲反射回所述第二合束器；和
第二光环形器，所述第二光环形器位于所述第二分束器前端，所述第二路光脉冲输入至所述第二光环形器的第一端口并从所述第二光环形器的第二端口输出至所述第二分束器，来自所述第二合束器的合束后的光脉冲被输入至所述第二光环形器的第二端口并从所述第二光环形器的第三端口输出，
其中所述不等臂迈克尔逊干涉仪的第一分束器或第二分束器相应的输出端口之一与输入端口为同一端口。
14.根据方案9或13所述的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，
在所述第一相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构的情况下，所述两条第一子光路分别包含一个所述第一偏振正交旋转装置，所述第一偏振正交旋转装置分别位于所述第一分束器与两个所述第一反射镜构成的干涉臂的中点；和/或
在所述第二相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构的情况下，所述两条第二子光路分别包含一个所述第二偏振正交旋转装置，所述第二偏振正交旋转装置分别位于所述第二分束器与两个所述第二反射镜构成的干涉臂的中点。
15.根据方案7所述的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，
所述两条第一子光路和第二子光路被配置为偏振保持光路；
所述第一分束器、所述第一合束器以及所述第一分束器与所述第一合束器之间光路上的光器件为偏振保持光器件或非双折射光器件；和/或
所述第二分束器、所述第二合束器以及所述第二分束器与所述第二合束器之间光路上的光器件为偏振保持光器件或非双折射光器件。
16.一种量子密钥分发系统，其特征在于，包括：
根据方案7～15中任一项所述的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码装置，其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7～15中任一项所述的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码装置，其设置在所述量子密钥分发系统的发射端用于相位编码。
利用本发明的方案，可实现多个优点。例如，本发明通过控制光脉冲两个正交偏振态各自在保偏解码干涉仪两臂传输的相位差之差，实现任意偏振态输入光脉冲的稳定解码干涉，并且通过干涉仪两臂设置偏振正交旋转装置，易于通过光纤长度的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。另外，通过在接收端将输入光脉冲分束为两路光脉冲后分别对这两路光脉冲进行相位解码，在相位解码的过程中对每路光脉冲进行直流选基调制，可有利地降低与解码选基时的相位调制相关的要求，尤其对于高速系统而言避免了解码选基时的高速相位调制要求。本发明的量子密钥分发解码方案能够抗偏振诱导衰落，能良好地适用于存在环境干扰的高速量子密钥分发应用情形。
附图说明
图1为本发明一优选实施方案的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码方法的流程图；
图2为本发明一优选实施方案的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发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基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发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基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发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基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码方法如图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第一路光脉冲和第二路光脉冲。
具体的，入射的输入光脉冲是任意偏振态的，可以是线偏振的、圆偏振的或者椭圆偏振的完全偏振光，也可以是部分偏振光或者非偏振光。
优选地，将入射的一路输入光脉冲按50:50分束为两路光脉冲。
步骤S102：分别对分束后的所述第一路光脉冲和第二路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位解码输出。
如本领域技术人员会理解的，每一路光脉冲可以看成由两个正交偏振态(例如，正交的x偏振态和y偏振态)组成。自然地，由一路光脉冲分束得到的两路子光脉冲也可以同样看成由与该路光脉冲相同的两个正交偏振态组成。
步骤S103：分别对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位解码可包括：
对于所述第一路光脉冲和第二路光脉冲中的每一路光脉冲，
将该路光脉冲分束为两路子光脉冲；以及
分别在两条子光路上传输所述两路子光脉冲，并将所述两路子光脉冲作相对延时后合束输出，
其中，在所述两条子光路中的所述至少一条子光路中包含至少一个偏振正交旋转装置，所述偏振正交旋转装置被配置用于将经其传输的一路光脉冲的两个正交偏振态分别进行偏振正交旋转，使得经由该偏振正交旋转装置后，该一路光脉冲的两个正交偏振态中的每个偏振态分别变换成与其正交的偏振态，并且
其中，控制该路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子光路传输的相位差与另一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍。
具体的，所述偏振正交旋转装置可以为90度法拉第旋转器或者半波片。
步骤S104：在分别对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位解码的过程中如下所述进行相位调制：在分束至合束的过程中，对所述第一路光脉冲分束得到的两路子光脉冲中至少之一按照量子密钥分发协议进行直流相位调制，和/或对所述第二路光脉冲分束得到的两路子光脉冲中至少之一按照量子密钥分发协议进行直流相位调制。
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。
对于步骤S103，关于一路光脉冲的两个正交偏振态各自在分束至合束的过程中经相应的两条子光路传输的相位差相差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子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子光路传输的相位差表示为Δy，则该路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子光路传输的相位差与另一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍，或者说，该路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子光路传输的相位差相差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，控制所述保偏光纤的一个本征偏振态在所述两条子光路中的一条子光路上传输时在该本征偏振态情形下传输的距离和在转换为该本征偏振态的正交偏振态情形下传输的距离的第一距离差、以及该本征偏振态在所述两条子光路中的另一条子光路上传输时在该本征偏振态情形下传输的距离和在转换为该本征偏振态的正交偏振态情形下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，能够使得相应的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子光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条子光路传输的相位差相差2π的整数倍，换言之，使得相应的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子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子光路中的一条子光路上传输时在该本征偏振态情形下传输的距离为L1、在转换为该本征偏振态的正交偏振态情形下传输的距离为L2，在另一子光路上传输时在该本征偏振态情形下传输的距离为L3、在转换为该本征偏振态的正交偏振态情形下传输的距离为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，所述控制该路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子光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条子光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍，包括：所述两条子光路均包含一个偏振正交旋转装置，且每个偏振正交旋转装置位于所在子光路的中点。
在一种可能的实施方式中，对于所述第一路光脉冲和第二路光脉冲中的每一路光脉冲：用于传输该路光脉冲分束得到的两路子光脉冲的两条子光路包括对于该路光脉冲的两个正交偏振态存在双折射的光路，和/或在这两条子光路上具有对于该路光脉冲的两个正交偏振态存在双折射的光器件。在这种情况下，控制该路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子光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条子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中的每一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条光路传输时保持偏振态不变和/或经所述偏振正交旋转装置进行偏振正交旋转后保持其对应的正交偏振态不变；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子光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条子光路传输的相位差使得两个相位差相差2π的整数倍。可选地，这可以通过以下任一实现：i)将所述两条子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/或保偏光器件；ii)将所述两条子光路之一配置为自由空间光路，将所述两条子光路上的光器件配置为非双折射光器件和/或保偏光器件。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，对于所述第一路光脉冲和第二路光脉冲中的每一路光脉冲：在用于对该路光脉冲分束得到的两路子光脉冲进行传输的两条子光路中的至少一条子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该路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子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，可以对通过该铌酸锂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该路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子光路传输的相位差之差。
对一个光脉冲进行直流相位调制可通过多种手段实现，这些手段可包括：调制自由空间光路的长度，或者调制光纤的长度，或者调制偏振无关相位调制器等。例如，可通过用电机改变自由空间光路的长度来实现期望的直流相位调制。再如，可通过利用压电效应的光纤拉伸器来调制光纤的长度，由此实现相位调制。另外，相位调制器可以是适于电压控制的其他类型，通过施加合适的直流电压至偏振无关相位调制器来对光脉冲的两个正交偏振态进行相同的相位调制，可实现期望的直流相位调制。在直流相位调制的情况下，无需变换施加至相位调制器的电压。
在一个优选实施方案中，对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲中的一路光脉冲分束得到的两路子光脉冲中至少之一所作的相位调制与对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲中的另一路光脉冲分束得到的两路子光脉冲中至少之一所作的相位调制相差90度。
本发明一优选实施方案的一种基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码装置如图2所示，包括以下组成部分：前置分束器201；第一分束器202、第一合束器204及它们之间的两条第一子光路；以及，第二分束器205、第二合束器207及它们之间的两条第二子光路。两条第一子光路之一上设置有第一直流相位调制器203，两条第二子光路之一上设置有第二直流相位调制器206。两条第一子光路之一上可设置有至少一个第一偏振正交旋转装置208，两条第二子光路之一上可设置有至少一个第二偏振正交旋转装置209。所述第一偏振正交旋转装置208或第二偏振正交旋转装置209被配置用于将经其传输的一路光脉冲的两个正交偏振态分别进行偏振正交旋转，使得经由偏振正交旋转装置后，相应的一路光脉冲的两个正交偏振态中的每个偏振态分别变换成与其正交的偏振态。第一分束器202、第一合束器204及它们之间的两条第一子光路总体可称为第一相位解码器，第二分束器205、第二合束器207及它们之间的两条第二子光路总体可称为第二相位解码器。第一直流相位调制器203和第二直流相位调制器206用于对经其所在的子光路传输的子光脉冲按照量子密钥分发协议进行直流相位调制。
优选地，所述第一偏振正交旋转装置208和第二偏振正交旋转装置209可以为90度法拉第旋转器或半波片。所述90度法拉第旋转器能够将沿保偏光纤慢轴传输的光脉冲旋转到沿保偏光纤快轴传输，和/或将沿保偏光纤快轴传输的光脉冲旋转到沿保偏光纤慢轴传输，从而实现光脉冲的两个正交偏振态的偏振正交旋转。对于所述半波片，如本领域技术人员已知的，在光脉冲的两个正交偏振态之一的极化方向被设置为与半波片的快轴或慢轴的夹角为45度时，半波片就可以将光脉冲的两个正交偏振态中的每个偏振态分别变换成与其正交的偏振态，从而实现光脉冲的偏振正交旋转。
前置分束器201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。
第一相位解码器与前置分束器201光耦合，用于接收上述两路光脉冲中的一路光脉冲并对其进行相位解码。为方便起见，该一路光脉冲在下文中亦称为第一路光脉冲。
第二相位解码器与前置分束器201光耦合，用于接收上述两路光脉冲中的另一路光脉冲并对其进行相位解码。为方便起见，该另一路光脉冲在下文中亦称为第二路光脉冲。
第一分束器202用于将第一路光脉冲分束为两路第一子光脉冲，以分别经两条第一子光路传输并由这两条第一子光路作相对延时后由第一合束器204合束输出。第一直流相位调制器203用于对经其所在的两条第一子光路之一传输的第一子光脉冲按照量子密钥分发协议进行直流相位调制。具体地，两条第一子光路用于分别传输这两路第一子光脉冲，并用于实现这两路第一子光脉冲的相对延时。可通过调节第一分束器202与第一合束器204之间的两条第一子光路中任一的光路物理长度来实现两路第一子光脉冲的相对延时。第一合束器204用于将经两条第一子光路传输来的这两路第一子光脉冲合束输出。
第二分束器205用于将第二路光脉冲分束为两路第二子光脉冲，以分别经两条第二子光路传输并由这两条第二子光路作相对延时后由第二合束器207合束输出。第二直流相位调制器206用于对经其所在的两条第二子光路之一传输的第二子光脉冲按照量子密钥分发协议进行直流相位调制。具体地，两条第二子光路用于分别传输这两路第二子光脉冲，并用于实现这两路第二子光脉冲的相对延时。可通过调节第二分束器205与第二合束器207之间的两条第二子光路中任一的光路物理长度来实现两路第二子光脉冲的相对延时。第二合束器207用于将经两条第二子光路传输来的这两路第二子光脉冲合束输出。
尽管图2示出第一相位解码器和第二相位解码器均具有直流相位调制器，但第一相位解码器和第二相位解码器中的仅一个具有直流相位调制器是可能的。在任一情况下，优选地，可用的直流相位调制器导致在第一相位解码器和第二相位解码器中的一个相位解码器中所作的相位调制相对于在第一相位解码器和第二相位解码器中的另一个相位解码器中所作的相位调制相差90度。
根据本发明，在第一和第二相位解码器中的每个相位解码器中，两条子光路及其上的光器件构造成使得相应一路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子光路传输的相位差相差2π的整数倍。
优选地，如在上述关于方法实施方案所说明的，所述两条第一子光路和第二子光路被配置为保偏光纤光路，所述两条第一子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第一子光路中的一条第一子光路上传输时在该本征偏振态情形下传输的距离和在转换为该本征偏振态的正交偏振态情形下传输的距离的第一距离差、以及该本征偏振态在所述两条第一子光路中的另一条第一子光路上传输时在该本征偏振态情形下传输的距离和在转换为该本征偏振态的正交偏振态情形下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，从而使得一路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第一子光路传输的相位差与另一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条第一子光路传输的相位差相差2π的整数倍。和/或，所述两条第二子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第二子光路中的一条第二子光路上传输时在该本征偏振态情形下传输的距离和在转换为该本征偏振态的正交偏振态情形下传输的距离的第三距离差、以及该本征偏振态在所述两条第二子光路中的另一条第二子光路上传输时在该本征偏振态情形下传输的距离和在转换为该本征偏振态的正交偏振态情形下传输的距离的第四距离差，使得第三距离差和第四距离差相差保偏光纤拍长的整数倍，从而使得一路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第二子光路传输的相位差与另一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条第二子光路传输的相位差相差2π的整数倍。
优选的，所述两条第一子光路均包含一个第一偏振正交旋转装置，且每个第一偏振正交旋转装置位于所在第一子光路的中点，以使得容易实现相应的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第一子光路传输的相位差之差为2π的整数倍。和/或，所述两条第二子光路均包含一个第二偏振正交旋转装置，且每个第二偏振正交旋转装置位于所在第二子光路的中点，以使得容易实现相应的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第二子光路传输的相位差之差为2π的整数倍。
一个子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，取决于该子光路的类型。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，而一个保偏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。
对于第一和第二相位解码器中的每一个相位解码器，可以可选地有如下设置：
·相位解码器中的分束器与合束器之间的两条子光路之一为自由空间光路，这两条子光路中的光器件，包括直流相位调制器——如果有的话，为非双折射光器件和/或保偏光器件。对于该设置，在有保偏光器件的情况下，保偏光器件本身导致输入至该相位解码器的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子光路传输的相位差相差2π的整数倍。
·相位解码器中的分束器与合束器之间的两条子光路为保偏光纤光路，这两条子光路中的光器件，包括直流相位调制器——如果有的话，为保偏光器件和/或非双折射光器件。
·相位解码器还可包括光纤拉伸器和/或双折射相位调制器。光纤拉伸器可位于相位解码器的分束器与合束器之间的两条子光路中的任一子光路上，可用于调节其所在的子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，可有利地易于实现输入至该相位解码器的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子光路传输的相位差相差2π的整数倍。此外，光纤拉伸器也可用作直流相位调制器使用。双折射相位调制器可位于所述两条子光路中的任一子光路上，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输入至相位解码器的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子光路传输的相位差之差，易于实现所述差为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。
·相位解码器采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪的结构，干涉仪两臂的光路(即，相位解码器的分束器与合束器之间的两条子光路)采用保偏光纤，假设干涉仪的两臂分别包含一个偏振正交旋转装置，假设分束器至一臂中的偏振正交旋转装置的距离为L1、该一臂中的偏振正交旋转装置至合束器的距离为L2，分束器至另一臂中的偏振正交旋转装置的距离为L3、该另一臂中的偏振正交旋转装置至合束器的距离为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。在一个优选实施方案中，两个偏振正交旋转装置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。
·相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构。此时，相位解码器的合束器与分束器为同一器件。在此情况下，相位解码器还包括两个反射镜，这两个反射镜分别位于用于传输相位解码器的分束器分束得到的两路子光脉冲的两条子光路上，分别用于将来自相位解码器的分束器的经所述两条子光路传输来的两路子光脉冲反射回去以便由相位解码器的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偏振正交旋转装置，假设分束器至一臂中的偏振正交旋转装置的距离为L1、该一臂中的偏振正交旋转装置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偏振正交旋转装置的距离为L3、该另一臂中的偏振正交旋转装置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。如上所述，“保偏光纤拍长”是指保偏光纤的两个本征偏振态沿保偏光纤传输产生2π的相位差所对应的保偏光纤长度。
在一个优选实施方案中，两个偏振正交旋转装置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分束器的输出端口之一能够用作输入端口，或者说输出端口之一和输入端口可以为同一端口，并且相位解码器还包括光环形器。该光环形器可位于相位解码器的分束器前端。来自前置分束器201的相应一路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相位解码器的分束器，来自相位解码器的合束器(与相位解码器的分束器为同一器件)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的实施方案，第一分束器和第二分束器优选采用保偏分束器，第一合束器和第二合束器优选采用保偏合束器。
本发明另一优选实施方案的一种基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码装置如图3所示，其中相位解码器采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪的结构，所述相位解码装置包括以下组成部分：前置分束器303、保偏分束器304和312、保偏光纤拉伸器306和314、直流相位调制器308和316、保偏合束器309和317，以及偏振正交旋转装置305、307、313和315。
前置分束器303的一侧的两个端口301和302之一作为相位解码装置的输入端口。保偏分束器304和保偏合束器309构成第一马赫-曾德尔干涉仪的组成部分，保偏分束器304和保偏合束器309之间的两条第一子光路(即，第一马赫-曾德尔干涉仪的两臂)为保偏光纤光路，保偏光纤拉伸器306和直流相位调制器308可插入第一马赫-曾德尔干涉仪的同一臂或者分别插入第一马赫-曾德尔干涉仪的两个臂。第一马赫-曾德尔干涉仪两臂包含至少一个偏振正交旋转装置，例如可分别包含一个偏振正交旋转装置305和一个偏振正交旋转装置307。输入光脉冲经第一马赫-曾德尔干涉仪解码后由输出端口310或311输出。
保偏分束器312和保偏合束器317构成第二马赫-曾德尔干涉仪的组成部分，保偏分束器312和保偏合束器317之间的两条第二子光路(即，第二马赫-曾德尔干涉仪的两臂)为保偏光纤光路，保偏光纤拉伸器314和直流相位调制器316可插入第二马赫-曾德尔干涉仪的同一臂或者分别插入第二马赫-曾德尔干涉仪的两个臂。第二马赫-曾德尔干涉仪两臂包含至少一个偏振正交旋转装置，例如可分别包含一个偏振正交旋转装置313和一个偏振正交旋转装置315。输入光脉冲经第二马赫-曾德尔干涉仪解码后由输出端口318或319输出。
工作时，光脉冲经分束器303的输入端口301或302进入分束器303分束成两路光脉冲传输，其中一路光脉冲输入保偏分束器304分束为两路子光脉冲，该两路子光脉冲中的一路子光脉冲经偏振正交旋转装置305传输和保偏光纤拉伸器306调制(其中偏振正交旋转装置305和保偏光纤拉伸器306的设置顺序可变换，或者简称为“顺序无关”)，另一路子光脉冲经偏振正交旋转装置307传输和经直流相位调制器308调制0度相位(顺序无关)，两路子光脉冲相对延时后经保偏合束器309合束后由输出端口310或311输出。从分束器303输出的另一路光脉冲输入保偏分束器312分束为两路子光脉冲，一路子光脉冲经偏振正交旋转装置313传输和保偏光纤拉伸器314调制(顺序无关)，另一路子光脉冲经偏振正交旋转装置315传输和经直流相位调制器316调制90度相位(顺序无关)，两路子光脉冲相对延时后经保偏合束器317合束后由输出端口318或319输出。
优选地，对于第一马赫-曾德尔干涉仪，假设保偏分束器304与偏振正交旋转装置305之间长度为L1、偏振正交旋转装置305与保偏合束器309之间长度为L2、保偏分束器304与偏振正交旋转装置307之间长度为L3、偏振正交旋转装置307与保偏合束器309之间长度为L4，调制保偏光纤拉伸器306，使得长度关系满足：
(L1－L3)－(L2－L4)＝nβ，或者说
(L1－L2)－(L3－L4)＝nβ，
其中β为保偏光纤拍长、n为整数；从而使得输入光脉冲两个正交偏振态各自在第一马赫-曾德尔干涉仪两臂传输的相位差之差为2π的整数倍。
优选地，对于第二马赫-曾德尔干涉仪，假设保偏分束器312与偏振正交旋转装置313之间长度为L5、偏振正交旋转装置313与保偏合束器317之间长度为L6、保偏分束器312与偏振正交旋转装置315之间长度为L7、偏振正交旋转装置315与保偏合束器317之间长度为L8，调制保偏光纤拉伸器314，使得长度关系满足：
(L5－L7)－(L6－L8)＝mβ，或者说
(L5－L6)－(L7－L8)＝mβ，
其中β为保偏光纤拍长、m为整数；
从而使得输入光脉冲两个正交偏振态各自在第二马赫-曾德尔干涉仪两臂传输的相位差之差为2π的整数倍。
直流相位调制器308和316为偏振无关光器件。直流相位调制器308调制90度相位，直流相位调制器316调制0度相位，上述结果不受影响。若装置不包含直流相位调制器308和/或316，通过保偏光纤拉伸器306和/或314实现直流相位调制功能，上述结果不受影响。
本发明另一优选实施方案的一种基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码装置如图4所示，其中相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构，所述相位解码装置包括以下组成部分：前置分束器403、光环形器404和414、保偏分束器405和415、保偏光纤拉伸器407和417、直流相位调制器410和420、偏振正交旋转装置406、409、416和419，以及反射镜408、411、418和421。
前置分束器403的一侧的两个端口401和402之一作为相位解码装置的输入端口。光环形器404从端口A接收输入则会经由端口B输出，从端口B接收输入则会经由端口C输出。保偏分束器405和反射镜408、411组成第一迈克尔逊干涉仪，保偏光纤拉伸器407和直流相位调制器410可插入第一迈克尔逊干涉仪的同一臂或者分别插入第一迈克尔逊干涉仪的两个臂。第一迈克尔逊干涉仪两臂中至少一臂包含至少一个偏振正交旋转装置，例如两臂分别可包含一个偏振正交旋转装置406和一个偏振正交旋转装置409。输入光脉冲经第一迈克尔逊干涉仪解码后由端口413输出或者经光环形器404端口B传输至端口C由端口412输出。
光环形器414从端口D接收输入则会经由端口E输出，从端口E接收输入则会经由端口F输出。保偏分束器415和反射镜418、421组成第二迈克尔逊干涉仪，保偏光纤拉伸器417和直流相位调制器420可插入第二迈克尔逊干涉仪的同一臂或者分别插入第二迈克尔逊干涉仪的两个臂。第二迈克尔逊干涉仪两臂中至少一臂包含至少一个偏振正交旋转装置，例如两臂可分别包含一个偏振正交旋转装置416和一个偏振正交旋转装置419。输入光脉冲经第二迈克尔逊干涉仪解码后由端口423输出或者经光环形器414端口E传输至端口F由端口422输出。
工作时，光脉冲经分束器403的端口401或402进入分束器403分束成两路光脉冲传输，一路光脉冲输入至光环形器404端口A并经光环形器404端口B输出至保偏分束器405分束为两路子光脉冲传输，一路子光脉冲经偏振正交旋转装置406传输和保偏光纤拉伸器407调制(顺序无关)后由反射镜408反射回来，另一路子光脉冲经偏振正交旋转装置409传输和经直流相位调制器410调制0度相位(顺序无关)后由反射镜411反射回来，反射回来的经相对延时的两路子光脉冲经保偏分束器405合束后，由端口413输出或者输出至光环形器404端口B后由端口C传输至端口412输出。从分束器403输出的另一路光脉冲输入至光环形器414端口D并经光环形器414端口E输出至保偏分束器415分束为两路子光脉冲传输，一路子光脉冲经偏振正交旋转装置416传输和保偏光纤拉伸器417调制(顺序无关)后由反射镜418反射回来，另一路子光脉冲经偏振正交旋转装置419传输和经直流相位调制器420调制90度相位(顺序无关)后由反射镜421反射回来，反射回来的经相对延时的两路子光脉冲经保偏分束器415合束后，由端口423输出或者输出至光环形器414端口E后由端口F传输至端口422输出。
可以注意到，不等臂迈克尔逊干涉仪的分束器405或415相应的输出端口之一(例如分束器405的与环形器404的端口B相连接的端口，或者分束器415的与环形器414的端口E相连接的端口)也可以是分束器的输入端口，所以不等臂迈克尔逊干涉仪的输出端口之一和输入端口可以为同一端口。
优选地，假设保偏分束器405与偏振正交旋转装置406之间长度为L1、偏振正交旋转装置406与反射镜408之间长度为L2、保偏分束器405与偏振正交旋转装置409之间长度为L3、偏振正交旋转装置409与反射镜411之间长度为L4，调制保偏光纤拉伸器407，使得长度关系满足：
2(L1－L3)－2(L2－L4)＝nβ，或者
2(L1－L2)－2(L3－L4)＝nβ
其中β为保偏光纤拍长、n为整数；
从而使得输入光脉冲两个正交偏振态各自在第一迈克尔逊干涉仪两臂传输的相位差之差为2π的整数倍。
优选地，假设保偏分束器415与偏振正交旋转装置416之间长度为L5、偏振正交旋转装置416与反射镜418之间长度为L6、保偏分束器415与偏振正交旋转装置419之间长度为L7、偏振正交旋转装置419与反射镜421之间长度为L8，调制保偏光纤拉伸器417，使得长度关系满足：
2(L5－L7)－2(L6－L8)＝mβ，或者
2(L5－L6)－2(L7－L8)＝mβ
其中β为保偏光纤拍长、m为整数；
从而使得输入光脉冲两个正交偏振态各自在第二迈克尔逊干涉仪两臂传输的相位差之差为2π的整数倍。
直流相位调制器410和420为偏振无关器件。直流相位调制器410调制90度相位，直流相位调制器420调制0度相位，上述结果不受影响。若相位解码装置不包含直流相位调制器410和/或420，通过保偏光纤拉伸器407和/或417实现直流相位调制功能，上述结果不受影响。
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。
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基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码装置，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基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码装置。
通常，环境干扰引起通信双方传输光纤和编解码干涉仪光纤产生双折射，导致光脉冲在到达接收端解码干涉时偏振态随机变化，使得解码干涉存在偏振诱导衰落，影响量子保密通信系统工作稳定性。本发明能够实现光脉冲的两个正交偏振态同时在输出端口有效干涉输出，相当于对两个正交偏振态进行偏振分集处理，可有效解决偏振诱导衰落导致的干涉解码不稳定问题，实现环境干扰免疫的稳定相位解码，而无需使用偏振分束器和两个干涉仪对两个偏振态分别进行解码，另外也消除了对纠偏的需要。此外，本发明通过干涉仪两臂设置偏振正交旋转装置，易于通过光纤长度的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，此外通过将输入光脉冲分束为两路光脉冲分别进行相位解码，对每路光脉冲进行直流选基调制，避免了高速系统解码选基时的高速相位调制要求。
通过具体实施方式的说明，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方案，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方案的范围，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 (15)

1.一种基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码方法，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第一路光脉冲和第二路光脉冲；以及
分别对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位解码，
其中，分别对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位解码包括：
对于所述第一路光脉冲和第二路光脉冲中的每一路光脉冲，
将该路光脉冲分束为两路子光脉冲；以及
分别在两条子光路上传输所述两路子光脉冲，并将所述两路子光脉冲作相对延时后合束输出，
其中，在所述两条子光路中的至少一条子光路中包含至少一个偏振正交旋转装置，所述偏振正交旋转装置被配置用于将经其传输的一路子光脉冲的两个正交偏振态分别进行偏振正交旋转，使得经由该偏振正交旋转装置后，该一路子光脉冲的两个正交偏振态中的每个偏振态分别变换成与其正交的偏振态，并且
其中，控制该路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子光路传输的相位差与另一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差，使得两个相位差相差2π的整数倍，
其中，在分别对所述第一路光脉冲和第二路光脉冲按照量子密钥分发协议进行相位解码的过程中：
在分束至合束的过程中，对所述第一路光脉冲分束得到的两路子光脉冲中至少之一按照量子密钥分发协议进行直流相位调制，和/或对所述第二路光脉冲分束得到的两路子光脉冲中至少之一按照量子密钥分发协议进行直流相位调制。
2.根据权利要求1所述的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码方法，其特征在于，对于所述第一路光脉冲和第二路光脉冲中的每一路光脉冲：
用于传输该路光脉冲分束得到的两路子光脉冲的所述两条子光路包括对于该路光脉冲的两个正交偏振态存在双折射的光路，和/或在其上具有对于该路光脉冲的两个正交偏振态存在双折射的光器件，其中所述控制该路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子光路传输的相位差与另一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差，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中的每一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输时保持偏振态不变和/或经所述偏振正交旋转装置进行偏振正交旋转后保持其对应的正交偏振态不变；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子光路传输的相位差与另一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条子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所述的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码方法，其特征在于，两条第一子光路和两条第二子光路配置为保偏光纤光路，所述控制该路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子光路传输的相位差与另一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差，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子光路中的一条子光路上传输时在该本征偏振态情形下传输的距离和在转换为该本征偏振态的正交偏振态情形下传输的距离的第一距离差、以及该本征偏振态在所述两条子光路中的另一条子光路上传输时在该本征偏振态情形下传输的距离和在转换为该本征偏振态的正交偏振态情形下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3所述的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码方法，其特征在于，所述控制该路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子光路传输的相位差与另一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差，使得两个相位差相差2π的整数倍，包括：
所述两条子光路均包含一个偏振正交旋转装置，且每个偏振正交旋转装置位于所在子光路的中点。
5.根据权利要求1所述的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码方法，其特征在于，所述偏振正交旋转装置为90度法拉第旋转器或半波片。
6.根据权利要求1所述的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码方法，其特征在于，
对于所述第一路光脉冲和第二路光脉冲中的每一路光脉冲：
在用于对该路光脉冲分束得到的两路子光脉冲进行传输的所述两条子光路中的至少一条子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该路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子光路传输的相位差与另一个偏振态在分束至合束的过程中经所述两条子光路传输的相位差之差。
7.一种基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，所述相位解码装置包括：
前置分束器，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第一路光脉冲和第二路光脉冲；
与所述前置分束器光耦合的第一相位解码器，被配置用于对所述第一路光脉冲进行相位解码；以及，
与所述前置分束器光耦合的第二相位解码器，被配置用于对所述第二路光脉冲进行相位解码，
其中，所述第一相位解码器包括第一分束器、第一合束器以及与所述第一分束器光耦合并且与所述第一合束器光耦合的两条第一子光路，其中
所述第一分束器被配置用于将所述第一路光脉冲分束为两路第一子光脉冲；
所述两条第一子光路被配置用于分别传输所述两路第一子光脉冲，并用于实现所述两路第一子光脉冲的相对延时；
所述第一合束器被配置用于将所述两路第一子光脉冲合束输出，
其中，在所述两条第一子光路中的至少一条第一子光路中包含至少一个第一偏振正交旋转装置，所述第一偏振正交旋转装置被配置用于将经其传输的一路第一子光脉冲的两个正交偏振态分别进行偏振正交旋转，使得经由该第一偏振正交旋转装置后，该一路第一子光脉冲的两个正交偏振态中的每个偏振态分别变换成与其正交的偏振态，
其中在所述第一相位解码器中，所述两条第一子光路及其上的光器件被构造成，控制所述第一路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第一子光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条第一子光路传输的相位差，使得两个相位差相差2π的整数倍；
其中，所述第二相位解码器包括第二分束器、第二合束器以及与所述第二分束器光耦合并且与所述第二合束器光耦合的两条第二子光路，其中
所述第二分束器被配置用于将所述第二路光脉冲分束为两路第二子光脉冲；
所述两条第二子光路被配置用于分别传输所述两路第二子光脉冲，并用于实现所述两路第二子光脉冲的相对延时；
所述第二合束器被配置用于将所述两路第二子光脉冲合束输出，
其中，在所述两条第二子光路中的至少一条第二子光路中包含至少一个第二偏振正交旋转装置，所述第二偏振正交旋转装置被配置用于将经其传输的一路第二子光脉冲的两个正交偏振态分别进行偏振正交旋转，使得经由该第二偏振正交旋转装置后，该一路第二子光脉冲的两个正交偏振态中的每个偏振态分别变换成与其正交的偏振态，
其中在所述第二相位解码器中，所述两条第二子光路及其上的光器件被构造成，控制所述第二路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第二子光路传输的相位差与另一个偏振态经所述两条第二子光路传输的相位差，使得两个相位差相差2π的整数倍，以及
其中所述第一相位解码器具有位于所述两条第一子光路中至少之一上的直流相位调制器，和/或所述第二相位解码器具有位于所述两条第二子光路中至少之一上的直流相位调制器，所述直流相位调制器用于对经其所在的子光路传输的子光脉冲按照量子密钥分发协议进行直流相位调制，
其中，i）所述两条第一子光路和/或所述两条第二子光路被配置为保偏光纤光路，所述保偏光纤光路上的光器件被配置为非双折射光器件和/或保偏光器件；或者，ii）所述两条第一子光路之一和/或所述两条第二子光路之一被配置为自由空间光路，所述两条第一子光路和/或所述两条第二子光路上的光器件被配置为非双折射光器件和/或保偏光器件。
8.根据权利要求7所述的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，所述两条第一子光路和两条第二子光路被配置为保偏光纤光路，所述两条第一子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第一子光路中的一条第一子光路上传输时在该本征偏振态情形下传输的距离和在转换为该本征偏振态的正交偏振态情形下传输的距离的第一距离差、以及该本征偏振态在所述两条第一子光路中的另一条第一子光路上传输时在该本征偏振态情形下传输的距离和在转换为该本征偏振态的正交偏振态情形下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；和/或
所述两条第二子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第二子光路中的一条第二子光路上传输时在该本征偏振态情形下传输的距离和在转换为该本征偏振态的正交偏振态情形下传输的距离的第三距离差、以及该本征偏振态在所述两条第二子光路中的另一条第二子光路上传输时在该本征偏振态情形下传输的距离和在转换为该本征偏振态的正交偏振态情形下传输的距离的第四距离差，使得第三距离差和第四距离差相差保偏光纤拍长的整数倍。
9.根据权利要求7或8所述的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，
所述两条第一子光路均包含一个第一偏振正交旋转装置，且每个第一偏振正交旋转装置位于所在第一子光路的中点；和/或，
所述两条第二子光路均包含一个第二偏振正交旋转装置，且每个第二偏振正交旋转装置位于所在第二子光路的中点。
10.根据权利要求7所述的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，所述第一偏振正交旋转装置和第二偏振正交旋转装置为90度法拉第旋转器或半波片。
11. 根据权利要求7所述的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，所述相位解码装置还包括：
位于所述两条第一子光路中的任一第一子光路上的第一保偏光纤拉伸器，和/或位于所述两条第一子光路中的任一第一子光路上的第一双折射相位调制器，所述第一保偏光纤拉伸器用于调节其所在的光路的保偏光纤长度，所述第一双折射相位调制器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；和/或
位于所述两条第二子光路中的任一第二子光路上的第二保偏光纤拉伸器，和/或位于所述两条第二子光路中的任一第二子光路上的第二双折射相位调制器，所述第二保偏光纤拉伸器用于调节其所在的光路的保偏光纤长度，所述第二双折射相位调制器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。
12. 根据权利要求7所述的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，所述直流相位调制器用光纤拉伸器或长度可调的自由空间光路或偏振无关相位调制器实现；所述直流相位调制器导致在所述第一相位解码器和第二相位解码器中的一个相位解码器中所作的相位调制相对于在所述第一相位解码器和第二相位解码器中的另一个相位解码器中所作的相位调制相差90度。
13.根据权利要求7所述的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，所述第一相位解码器和/或第二相位解码器采用不等臂马赫-曾德尔干涉仪的结构；或者
所述第一相位解码器和/或第二相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的光路结构，其中在所述第一相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构的情况下，所述第一相位解码器的第一合束器与第一分束器为同一器件，所述第一相位解码器还包括：
两个第一反射镜，所述两个第一反射镜分别位于所述两条第一子光路上，分别用于将来自所述第一分束器的经所述两条第一子光路传输来的所述两路第一子光脉冲反射回所述第一合束器；和
第一光环形器，所述第一光环形器位于所述第一分束器前端，所述第一路光脉冲输入至所述第一光环形器的第一端口并从所述第一光环形器的第二端口输出至所述第一分束器，来自所述第一合束器的合束后的光脉冲被输入至所述第一光环形器的第二端口并从所述第一光环形器的第三端口输出；和/或
在所述第二相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构的情况下，所述第二相位解码器的第二合束器与第二分束器为同一器件，所述第二相位解码器还包括：
两个第二反射镜，所述两个第二反射镜分别位于所述两条第二子光路上，分别用于将来自所述第二分束器的经所述两条第二子光路传输来的所述两路第二子光脉冲反射回所述第二合束器；和
第二光环形器，所述第二光环形器位于所述第二分束器前端，所述第二路光脉冲输入至所述第二光环形器的第一端口并从所述第二光环形器的第二端口输出至所述第二分束器，来自所述第二合束器的合束后的光脉冲被输入至所述第二光环形器的第二端口并从所述第二光环形器的第三端口输出，
其中所述不等臂迈克尔逊干涉仪的第一分束器或第二分束器相应的输出端口之一与输入端口为同一端口。
14. 根据权利要求13所述的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码装置，其特征在于，
在所述第一相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构的情况下，所述两条第一子光路分别包含一个所述第一偏振正交旋转装置，所述第一偏振正交旋转装置分别位于所述第一分束器与两个所述第一反射镜构成的干涉臂的中点；和/或
在所述第二相位解码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪的结构的情况下，所述两条第二子光路分别包含一个所述第二偏振正交旋转装置，所述第二偏振正交旋转装置分别位于所述第二分束器与两个所述第二反射镜构成的干涉臂的中点。
15.一种量子密钥分发系统，其特征在于，包括：
根据权利要求7~14中任一项所述的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码装置，其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7~14中任一项所述的基于偏振正交旋转的直流调制量子密钥分发相位解码装置，其设置在所述量子密钥分发系统的发射端用于相位编码。
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