CN109257104A - 一种适用于cvqkd系统的光振幅调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于CVQKD系统的光振幅调制方法，该调制方法包括光隔离器、保偏光耦合器BS、相位调制器PM和延时光纤DL，只需要采用两个无源器件(光环形器和2x2光耦合器)和一只相位调制器，利用光纤萨格纳克(Sagnac)环的特殊结构实现对光信号振幅的精确调制。本发明方法调制振幅的时候不存在工作点偏漂移，因而调制精确度高，同时无需外部反馈控制，实现结构简单、成本低、对调制信号要求低。该方法特别适用于连续变量量子密码系统中对量子光信号进行振幅调制，可大大提升连续变量量子密钥分发系统的稳定性，极大推进连续变量量子密码技术实用化。

Description

一种适用于CVQKD系统的光振幅调制方法

技术领域

本发明涉及一种适用于连续变量量子密码系统的光振幅调制方法。

背景技术

在连续变量量子密钥分发系统中，对量子信号光进行精确的振幅调制是量子态信号制备的一项关键技术，调制精确度直接决定了高斯调制的精度，对系统安全性有重大影响。传统方法是采用铌酸锂马赫-曾德尔强度调制器(LN-MZM Amplitude Modulator,AM)对信号光进行振幅调制。但由于环境变化和器件老化、应力和外电场等因素，强度调制器自身的初始偏置点会随着时间缓慢的变化。强度调制器的偏置工作点的漂移会使得实际加载给调制信号的振幅值与预期值出现较大偏差。目前解决强度调制器的偏置工作点漂移问题的方案大致分为两种：一方面是对强度调制器通过结构设计、材料基底、制造工艺等方面加以改善，进而从根本上消除引起调制器偏置工作点漂移的因素。但该方法依托于新材料的发现、结构设计的改进和制造工艺的突破，因此受到现有基础技术水平的制约而且成本花费巨大；另一方面是从强度调制器的外部出发，通过反馈偏压控制系统实时监控偏置工作点漂移的变化来自动调节直流偏置电压，对偏置工作点的漂移予以补偿，进而锁定偏置工作点，但是该方法需要另外设计控制电路和专门的控制算法，这将极大增加系统的复杂度，同时补偿精确度会直接影响振幅调制的精度，进而增加通信误码率。

一般地，连续变量量子密码系统需要在系统配备一只强度调制器来实现对光振幅调制。由于首先受限工艺水平和器件物理结构特点，强度调制器本身会存在工作点漂移会使得调制的精确性减小，进而会影响系统的安全码率，漂移过大的时候甚至会使得通信无法进行。为了避免调制器工作点漂移带来的影响，一般会采用反馈偏压控制系统实时监控和补偿，但该方法会使得系统复杂度增加，同时为了监控和反馈引入的监测导频信号也会对要传输的信号带来影响，降低系统的信噪比。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种适用于CVQKD系统的光振幅调制方法，只需要采用两个无源器件(光环形器和2x2光耦合器)和一只相位调制器，利用光纤萨格纳克(Sagnac)环的特殊结构实现对光信号振幅的精确调制。该方法调制振幅的时候不存在工作点偏漂移，因而调制精确度高，同时无需外部反馈控制，实现结构简单、成本低、对调制信号要求低。该方法特别适用于连续变量量子密码系统的对光量子信号的振幅精确调制利用该方法可大大提升连续变量量子密钥分发系统的稳定性，极大推进连续变量量子密码技术实用化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种适用于CVQKD系统的光振幅调制系统，包括光隔离器、保偏光耦合器BS、相位调制器PM和延时光纤DL，其中：保偏光耦合器BS具有四个端口BS1、BS2、BS3和BS4，相位调制器PM具有两个端口PM1和PM2，延时光纤DL具有两个端口DL1和DL2，所述隔离器的输出端与BS1连接，所述BS3与PM1连接，所述PM2与DL2连接，所述DL1与BS4连接，所述隔离器的输入端外接端口Port1，所述BS2外接端口Port2。

本发明还提供了一种适用于CVQKD系统的光振幅调制方法，待调制振幅的光信号由Port1进入隔离器后，通过BS1端口进入保偏光耦合器BS后分成BS3和BS4两路，从BS3和BS4输出的光信号分别经顺时针和逆时针传输光路回到保偏光耦合器BS后发生干涉，干涉结果由BS2端口经Port2输出。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

1)不存在工作点漂移，调制精确度高，可极大提升连续变量量子保密通信系统中的信息调制准确性，从而提高成码率；

2)无需额外的反馈控制，实现方案结构简单，对调制器指标要求不高，成本较低；

3)方案结构简单，对调制器指标要求不高，成本较低；

4)对调制信号的电压范围要求低，能够较低成本实现高速的光振幅调制，可普遍适用于高或者低带宽的连续变量量子密码系统。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明的高精度光振幅调制方法示意图；

图2为顺时针和逆时针光脉冲相对PM调制信号的相对时间关系示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种适用于连续变量量子密码系统的光振幅调制方法，基于光纤萨格纳克(Sagnac)环光学结构，可实现连续变量量子密钥分发系统中对量子光信号进行精确的振幅调制的功能，极大地提升连续变量量子密钥分发系统的稳定性。该方案的实现主要包括：隔离器(Isolator),2x2保偏光纤耦合器BS，相位调制器PM，延时光纤DL，如图1所示。待调制振幅的光信号由Port1进入Isolator后，通过BS-1端口进入BS，经BS后通过一定比例由BS-3和BS-4分成两路，由BS-3进入PM，经PM调制后输出再经DL回到BS-4，该路称为顺时针传输光路；由BS-4经DL传输后进入PM，经PM调制回到BS-3，该路称为逆时针传输光路。通过BS分为顺时针和逆时针传输后的光信号再回到BS时发生干涉，由BS-2端口经Port2输出。通过控制顺时针和逆时针的光信号通过PM的延时，可获得与调制信号相关的干涉结果。由于顺时针和逆时针的传输路径完全一致，因此自动补偿了这两路的偏振和损耗的差别，即产生干涉的结果只与调制信号相关，而与环境等外界因素完全无关。相比于传统的强度调制器无需控制偏置点，系统更加稳定，可集成。

振幅调制过程说明：待调制振幅的光信号：脉冲光，宽度为τ，周期为T，从Port1端口输入进Isolator，Isolator保证光信号的传输方向。经BS分束成50％:50％的两束光，导致顺时针和逆时针光信号到达PM的时刻不同，即同时回到BS的光信号是被调制了不同相位的两束光，这两束光发生干涉的结果是与调制信号相关的，调制过程解析如图2所示。

具体调制过程如下：待调制振幅的光信号为脉冲光，宽度为τ，周期为T；给相位调制器PM加载的电压调制信号为矩形波，频率与脉冲光相同，都为T，在T周期内将调制的振幅值对应的电压信号在时间上精确加载到顺时针光脉冲和逆时针的光脉冲上，这样两个脉冲干涉后得到的光脉冲振幅值E＝k*sin(V/Vpi)，其中V为顺时针光脉冲和逆时针光脉冲所加载的电压值压差，其中Vpi为PM的半波电压。

给PM加载如图2所示的具体的矩形电压调制信号，|V_high|＝V是与要调制的信息相关的且可变的电压值。当顺时针光脉冲经过相位调制器的时候调制相位为相对应的逆时钟光脉冲经过调制相位为后，同时回到BS发生干涉，干涉结果与调制电压V相关，获得的振幅E＝k*sin(V/Vpi),其中Vpi为PM的半波电压，由此，通过一个可控制调制电压的相位调制器PM实现了光脉冲的振幅调制。

所述隔离器是指可实现单向光传输的器件，可替代的可为光纤在线起偏器、光隔离器空间光、光纤光学器件；

所述2x2的耦合器，分束比不限于50％:50％，可替代的可为任意比例的空间或光纤的耦合器、分束器；

所述相位调制器PM，可替代的为波导式、波片式等可控调制相位的声控、电控等的其他类型的光相位调制器；

所述延时光纤DL，可替代的为光纤延时器，晶体延时等可完成光学延时的空间或光纤器件；

本方案可用于连续变量量子保密通信系统量子光信号的信息调制中，但不仅限定在量子密钥分发中，可适用于需要振幅调制或者强度调制的应用需求当中。

Claims (8)

1.一种适用于CVQKD系统的光振幅调制方法，其特征在于：包括光隔离器、保偏光耦合器BS、相位调制器PM和延时光纤DL，其中：保偏光耦合器BS具有四个端口BS1、BS2、BS3和BS4，相位调制器PM具有两个端口PM1和PM2，延时光纤DL具有两个端口DL1和DL2，所述光隔离器的输出端与BS1连接，所述BS3与PM1连接，所述PM2与DL2连接，所述DL1与BS4连接，所述光隔离器的输入端外接端口Port1，所述BS2外接端口Port2。

2.根据权利要求1所述的一种适用于CVQKD系统的光振幅调制方法，其特征在于：所述光隔离器为可实现单向光传输的器件，包括光纤在线起偏器、光隔离器空间光、光纤光学器件。

3.根据权利要求1所述的一种适用于CVQKD系统的光振幅调制方法，其特征在于：所述保偏光耦合器为2x2的耦合器，包括任意比例的空间或光纤的耦合器、分束器。

4.根据权利要求1所述的一种适用于CVQKD系统的光振幅调制方法，其特征在于：所述相位调制器为波导式或波片式可控调制相位的声控或电控类型的光相位调制器。

5.根据权利要求1所述的一种适用于CVQKD系统的光振幅调制方法，其特征在于：所述延时光纤包括光纤延时器、晶体延时等可完成光学延时的空间或光纤器件。

6.根据权利要求1所述的一种适用于CVQKD系统的光振幅调制方法，其特征在于：待调制振幅的光信号由Port1进入光隔离器后，通过BS1端口进入保偏光耦合器BS后分成BS3和BS4两路，从BS3和BS4输出的光信号分别经顺时针和逆时针传输光路回到保偏光耦合器BS后发生干涉，干涉结果由BS2端口经Port2输出。

7.根据权利要求6所述的一种适用于CVQKD系统的光振幅调制方法，其特征在于：所述顺时针传输光路是指由BS3进入相位调制器PM，经PM调制后输出再经延时光纤DL回到BS4；所述逆时针传输光路是指由BS4经延时光纤DL传输后进入相位调制器PM，经PM调制后回到BS3。

8.根据权利要求6所述的一种适用于CVQKD系统的光振幅调制方法，其特征在于：待调制振幅的光信号为脉冲光，宽度为τ，周期为T；给相位调制器PM加载的电压调制信号为矩形波，频率与脉冲光相同，都为T，在T周期内将调制的振幅值对应的电压信号在时间上精确加载到顺时针光脉冲和逆时针的光脉冲上，这样两个脉冲干涉后得到的光脉冲振幅值E＝k*sin(V/Vpi)，其中V为顺时针光脉冲和逆时针光脉冲所加载的电压值压差，其中Vpi为PM的半波电压。