CN109343173B - 一种混合波导集成的干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合波导集成的干涉仪，包括第一光纤、第二光纤、第一光纤波导耦合器、第二光纤波导耦合器、光波导芯片、相位波导调制器、第一反射模块和第二反射模块，所述光波导芯片包括第一波导线、第二波导线、分束器、第三波导线和第四波导线，所述的第二波导线上设有延迟线从而使第二波导线和第三波导线的长度不等。本发明干涉仪的臂长差易于控制，有利于降低不等臂干涉仪在生产中的成本，光波导芯片构成的干涉仪更加稳定，对于外部温度，振动等变化也更加不敏感；体积更小，封装更为方便。

Description

一种混合波导集成的干涉仪

技术领域

本发明属于量子密码通信技术领域，特别涉及量子密钥分配系统中的一种混合波导集成的干涉仪。

背景技术

量子密钥分配技术结合了量子物理原理和现代通信技术。量子密钥分配藉由物理原理保障异地密钥协商过程和结果的安全性，与“一次一密”加密技术结合，可以实现不依赖算法复杂度的保密通信。

目前，量子密码技术主要以光量子作为实现载体，通过自由空间或光纤信道进行分配。量子密钥分配设备依据不同的量子密钥分发协议的要求，利用各种光调制设备将经典随机比特加载到光量子的偏振、相位等物理量之上来进行传输，从而实现量子密钥的分配。干涉模块作为相位编码的量子密钥分配系统的核心器件，一个设计优良的干涉仪可以保证量子密钥分配系统的稳定性以及高效性。

在专利CN101571612B中公布了一种不等臂的光纤法拉第迈克尔逊干涉仪。该干涉仪利用法拉第镜对光纤内部偏振态引起90度旋转的性质，使得干涉仪免疫一般MZ型干涉仪由于长短臂路径不同，造成的长短臂内偏振变化不同，最终导致干涉仪稳定性下降的情况。利用这种法拉第迈克尔逊干涉仪，已经实现了城际长距离的量子密钥分配实验。

但是这种光纤干涉仪也有其缺点，首先为了使得量子密钥分配系统保持低误码率，这要求发射接收方干涉仪的臂长差严格一致，这对实际光纤干涉仪的制作提出了比较高的要求。此外，光纤干涉仪比较容易受到外部环境的干扰，比如温度，振动等引起的变化都有可能造成光纤干涉仪的不稳定。

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混合波导集成的干涉仪，本混合波导集成的干涉仪与光纤干涉仪相比，不等臂干涉仪的臂长差易于控制，有利于降低不等臂干涉仪在生产中的成本，光波导芯片构成的干涉仪更加稳定，对于外部温度，振动等变化也更加不敏感；体积更小，封装更为方便。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种混合波导集成的干涉仪，包括第一光纤、第二光纤、第一光纤波导耦合器、第二光纤波导耦合器、光波导芯片、相位波导调制器、第一反射模块和第二反射模块，所述光波导芯片包括第一波导线、第二波导线、分束器、第三波导线和第四波导线，所述的第二波导线上设有延迟线从而使第二波导线和第三波导线的长度不等；所述第一光纤用于接收入射的光脉冲，第一光纤将接收的光脉冲传输至第一光纤波导耦合器，该第一光纤波导耦合器将光脉冲耦合入光波导芯片中，光脉冲沿着光波导芯片中的第一波导线传输，经过分束器后分为两束光脉冲；第一束光脉冲的光路方向依次是第二波导线、相位波导调制器和第一反射模块，该第一反射模块将第一束光脉冲反射，反射的第一束光脉冲依次经过相位波导调制器和第二波导线进入分束器中；第二束光脉冲的光路方向依次是第三波导线和第二反射模块，该第二反射模块将第二束光脉冲反射，反射的第二束光脉冲经过第三波导线进入分束器中； 第一束光脉冲和第二束光脉冲均依次经过分束器、第四波导线传输至第二光纤波导耦合器，最后由第二光纤出射。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述相位波导调制器有2个，其中一个相位波导调制器位于光波导芯片的第二波导线和第一反射模块之间，另一个相位波导调制器位于第三波导线和第二反射模块之间。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述分束器为50:50分束器。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述第一反射模块和第二反射模块为平面反射镜或90度法拉第旋转镜。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述光波导芯片采用硅晶片，所述硅晶片上刻蚀有第一波导线、第二波导线、分束器、第三波导线和第四波导线。

为实现上述技术目的，本发明采取的另一个技术方案为：

一种混合波导集成的干涉仪，包括第一光纤、第二光纤、第一光纤波导耦合器、第二光纤波导耦合器、光波导芯片、相位波导调制器、第一反射模块和第二反射模块，所述光波导芯片包括第一波导线、第二波导线、分束器、第三波导线和第四波导线，所述的第二波导线上设有延迟线从而使第二波导线和第三波导线的长度不等；所述第一光纤用于接收入射的光脉冲，第一光纤将接收的光脉冲传输至第一光纤波导耦合器，该第一光纤波导耦合器将光脉冲耦合入光波导芯片中，光脉冲沿着光波导芯片中的第一波导线传输，经过分束器后分为两束光脉冲；第一束光脉冲的光路方向依次是第二波导线和第一反射模块，该第一反射模块将第一束光脉冲反射，反射的第一束光脉冲经过第二波导线进入分束器中；第二束光脉冲的光路方向依次是第三波导线、相位波导调制器和第二反射模块，该第二反射模块将第二束光脉冲反射，反射的第二束光脉冲依次经过相位波导调制器和第三波导线进入分束器中； 第一束光脉冲和第二束光脉冲均依次经过分束器、第四波导线传输至第二光纤波导耦合器，最后由第二光纤出射。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述分束器为50:50分束器。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述第一反射模块和第二反射模块均采用平面反射镜或90度法拉第旋镜。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述光波导芯片采用硅晶片，所述硅晶片上刻蚀有第一波导线、第二波导线、分束器、第三波导线和第四波导线。

本发明的有益效果为：本发明所提出的混合波导集成的干涉仪采用光波导芯片实现不等臂干涉仪，相比较于光纤干涉仪来说，在硅基上刻蚀的两段不等长的光波导（第二波导线和第三波导线），精度更高，臂长差更易于控制，有利于降低不等臂干涉仪在生产中的制作成本；其次，本混合波导集成的干涉仪与光纤干涉仪相比，也更加稳定，对于外部温度，振动等变化也更加不敏感；最后这种混合波导集成的干涉仪体积更小，封装更为方便。

附图说明

图1为实施例一的干涉仪结构图。

图2为实施例二的干涉仪结构图。

图3为实施例三的干涉仪结构图。

图4为实施例一至实施例三中的90度法拉第旋镜机构图。

图5为搭载实例一、实施例二或实施例三的典型相位编码BB84系统的结构图。

具体实施方式

下面根据图1至图5对本发明的具体实施方式作出进一步说明：

实施例一：

参见图1，一种混合波导集成的干涉仪，包括两根光纤（即第一光纤1和第二光纤2）、两个光纤波导耦合器（即第一光纤波导耦合器3和第二光纤波导耦合器4）、一片光波导芯片14、一片相位波导调制器8（PM）、第一反射模块9和第二反射模块10。所述光波导芯片14采用硅晶片，所述硅晶片上刻蚀有第一波导线5、第二波导线7、一个50:50的分束器6、第三波导线11和第四波导线12。光波导芯片14中波导形状如图1中所示，所述的第二波导线7上设有延迟线13从而使第二波导线7和第三波导线11的长度不等；第一光纤1用于接收入射的光脉冲，第一光纤1将接收的光脉冲传输至第一光纤波导耦合器3，该第一光纤波导耦合器3将光脉冲耦合入光波导芯片14中，光脉冲沿着光波导芯片14中的第一波导线5传输，经过50:50的分束器6后分为两束光脉冲；第一束光脉冲的光路方向依次是第二波导线7、相位波导调制器8和第一反射模块9，该第一反射模块9将第一束光脉冲反射，反射的第一束光脉冲依次经过相位波导调制器8和第二波导线7进入50:50的分束器6中；第二束光脉冲的光路方向依次是第三波导线11和第二反射模块10，该第二反射模块10将第二束光脉冲反射，反射的第二束光脉冲经过第三波导线11进入50:50的分束器6中； 第一束光脉冲和第二束光脉冲均依次经过50:50的分束器6、第四波导线12传输至第二光纤波导耦合器4，最后由第二光纤2出射。

本实施例中，所述第一反射模块9和第二反射模块10均为平面反射镜或者90度法拉第旋镜。其中90度法拉第旋镜的组成如图4（a）所示，它一般由磁光晶体，磁环，反射镜等结构组成，其替代方案如图4（b）所示，可在磁光晶体前加上一块耦合透镜。90度法拉第旋镜的作用在于可将入射光束旋转90度后再次反射回光波导芯片14中。

本实施例的第一光纤波导耦合器3、第二光纤波导耦合器4、相位波导调制器8和第二反射模块10均通过胶与光波导芯片14固定，在固定前需要保证传输脉冲的通道对准即可。相位波导调制器8和第一反射模块9的通道对准后，用胶粘住固定。本实施例的干涉仪体积小，封装更方便。

以实例一为例，结合如图5中相位编码BB84系统来说明混合波导集成的干涉仪的工作原理，图5中的干涉仪即为本实施例混合波导集成的干涉仪：

（1）在Alice端不妨设脉冲光源发出的光脉冲由干涉仪的第一光纤1入射（也可由第二光纤2入射，第一光纤1出射），随后经过第一光纤波导耦合器3耦合入光波导芯片14中。

（2）光脉冲在光波导芯片14中沿着第一波导线5传输，随后经过50:50的分束器6后分为两束光脉冲，一束沿着图1中靠上的第二波导线7传输，另外一束沿着靠下的第三波导线11传输。

（3）随后这两个光脉冲中其中一束光脉冲依次入射进入相位波导调制器8和90度法拉第旋转镜中（以90度法拉第旋转镜为例），随后经过相位调制、偏振旋转和反射后再次进入光波导芯片14中，另一束光脉冲入射进入90度法拉第旋转镜中，随后经过旋转再次反射回光波导芯片14中。

（4）这两个光脉冲分别再次沿着靠上的第二波导线7和靠下的第三波导线11传输。然后再次经过50:50分束器6后由第二光纤2出射。出射脉冲为间隔时间与干涉仪臂长差相对应的前后两个脉冲。

（5）由干涉仪出射的两个脉冲随后经过图5中的相位调制模块，相位调制模块对其中一个脉冲按照BB84协议进行相位调制，之后它们经过衰减器，衰减为单光子量级后进入信道。

（6）在Bob端接收到光脉冲后，也利用相位调制模块按照BB84协议对其中一个脉冲进行相位调制，经过光环形器的口1和口2，进入与Alice端拥有相同臂长差的干涉仪中。不妨假设光脉冲入口为第一光纤1，那么这两个脉冲，经过50:50分束器6、相位波导调制器8和90度法拉第旋转镜反射后，经过Alice端长臂和Bob端短臂的脉冲和经过Alice端短臂和Bob端长臂的脉冲会在50:50分束器6出发生干涉，随后利用第一探测器和第二探测器对干涉结果进行测量。

（7）测量结果进行记录，随后Alice和Bob端经过对基，纠错和保密放大等步骤完成量子密钥的分发。

此外，本实施例的干涉仪可以应用在各类包含干涉仪的量子密钥分配系统中。

实施例二：

参见图2，一种混合波导集成的干涉仪，包括两根光纤（即第一光纤1和第二光纤2）、两个光纤波导耦合器（即第一光纤波导耦合器3和第二光纤波导耦合器4）、一片光波导芯片14、一片相位波导调制器8（PM）、第一反射模块9和第二反射模块10。所述光波导芯片14采用硅晶片，所述硅晶片上刻蚀有第一波导线5、第二波导线7、一个50:50的分束器6、第三波导线11和第四波导线12。光波导芯片14中波导形状如图2中所示，所述的第二波导线7上设有延迟线13从而使第二波导线7和第三波导线11的长度不等；所述第一光纤1用于接收入射的光脉冲（当然，本实施例的光脉冲也可由第二光纤2入射，第一光纤1出射），第一光纤1将接收的光脉冲传输至第一光纤波导耦合器3，该第一光纤波导耦合器3将光脉冲耦合入光波导芯片14中，光脉冲沿着光波导芯片14中的第一波导线5传输，经过50:50的分束器6后分为两束光脉冲；第一束光脉冲的光路方向依次是第二波导线7和第一反射模块9，该第一反射模块9将第一束光脉冲反射，反射的第一束光脉冲经过第二波导线7进入50:50的分束器6中；第二束光脉冲的光路方向依次是第三波导线11、相位波导调制器8和第二反射模块10，该第二反射模块10将第二束光脉冲反射，反射的第二束光脉冲依次经过相位波导调制器8和第三波导线11进入50:50的分束器6中； 第一束光脉冲和第二束光脉冲均依次经过50:50的分束器6、第四波导线12传输至第二光纤波导耦合器4，最后由第二光纤2出射。

本实施例中，所述第一反射模块9和第二反射模块10均采用平面反射镜或90度法拉第旋镜。其中90度法拉第旋镜的组成如图4（a）所示，它一般可由磁光晶体，磁环，反射镜等结构组成，其替代方案如图4（b）所示，可在磁光晶体前加上一块耦合透镜。90度法拉第旋镜的作用在于可将入射光束旋转90度后再次反射回光波导芯片14中。

本实施例的第一光纤波导耦合器3、第二光纤波导耦合器4、相位波导调制器8和第一反射模块9均通过胶和图2的固定方式与光波导芯片14固定，在固定前需要保证传输脉冲的通道对准即可。相位波导调制器8和第二反射模块10的通道对准后，用胶粘住固定。本实施例的干涉仪体积小，封装更方便。

本实施例的干涉仪在相位编码BB84系统内的工作原理与实例一类似，此外，本实施例的干涉仪可以应用在各类包含干涉仪的量子密钥分配系统中。

实施例三：

一种混合波导集成的干涉仪， 包括两根光纤（即第一光纤1和第二光纤2）、两个光纤波导耦合器（即第一光纤波导耦合器3和第二光纤波导耦合器4）、一片光波导芯片14、两片相位波导调制器8（PM）、第一反射模块9和第二反射模块10。所述光波导芯片14采用硅晶片，所述硅晶片上刻蚀有第一波导线5、第二波导线7、一个50:50的分束器6、第三波导线11和第四波导线12。光波导芯片14中波导形状如图3中所示，所述的第二波导线7上设有延迟线13从而使第二波导线7和第三波导线11的长度不等；所述第一光纤1用于接收入射的光脉冲（当然，本实施例的光脉冲也可由第二光纤2入射，第一光纤1出射），第一光纤1将接收的光脉冲传输至第一光纤波导耦合器3，该第一光纤波导耦合器3将光脉冲耦合入光波导芯片14中，光脉冲沿着光波导芯片14中的第一波导线5传输，经过50:50的分束器6后分为两束光脉冲；第一束光脉冲的光路方向依次是第二波导线7、相位波导调制器8和第一反射模块9，该第一反射模块9将第一束光脉冲反射，反射的第一束光脉冲依次经过相位波导调制器8、第二波导线7进入50:50的分束器6中；第二束光脉冲的光路方向依次是第三波导线11、另一个相位波导调制器8和第二反射模块10，该第二反射模块10将第二束光脉冲反射，反射的第二束光脉冲依次经过另一个相位波导调制器8和第三波导线11进入50:50的分束器6中； 第一束光脉冲和第二束光脉冲均依次经过50:50的分束器6、第四波导线12传输至第二光纤波导耦合器4，最后由第二光纤2出射。

本实施例中，所述第一反射模块9和第二反射模块10均采用平面反射镜或90度法拉第旋镜。其中90度法拉第旋镜的组成如图4（a）所示，它一般可由磁光晶体，磁环，反射镜等结构组成，其替代方案如图4（b）所示，可在磁光晶体前加上一块耦合透镜。90度法拉第旋镜的作用在于可将入射光束旋转90度后再次反射回光波导芯片14中。

本实施例的第一光纤波导耦合器3、第二光纤波导耦合器4和两个相位波导调制器8均通过胶和图3的固定方式与光波导芯片14固定，在固定前需要保证传输脉冲的通道对准即可。相位波导调制器8和第一反射模块9的通道对准后，用胶粘住固定，另一个相位波导调制器8和第二反射模块10的通道对准后，用胶粘住固定。本实施例的干涉仪体积小，封装更方便。

本实施例的干涉仪在相位编码BB84系统内的工作原理与实例一类似，此外，本实施例的干涉仪可以应用在各类包含干涉仪的量子密钥分配系统中。

综上所述，本发明提出了一种混合波导集成的干涉仪结构以及该结构的几种变种结构。该类干涉仪可以应用在包含干涉仪的量子密钥分配系统中以代替传统的光纤干涉仪。由于第一波导线5、第二波导线7、第三波导线11、第四波导线12和延迟线13是在硅基上刻蚀的，精度高，比宏观的高很多，利用光刻复制技术，能有效的确保发射接收方干涉仪臂长差严格一致，所以要容易控制，相比较于光纤干涉仪来说，弥补了传统光纤不等臂干涉仪制作困难以及不稳定的缺点。

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 (9)

1.一种量子密钥分配系统中的混合波导集成的干涉仪，其特征在于，包括第一光纤、第二光纤、第一光纤波导耦合器、第二光纤波导耦合器、光波导芯片、相位波导调制器、第一反射模块和第二反射模块，所述光波导芯片包括第一波导线、第二波导线、分束器、第三波导线和第四波导线，所述的第二波导线上设有延迟线从而使第二波导线和第三波导线的长度不等；所述第一光纤用于接收入射的光脉冲，第一光纤将接收的光脉冲传输至第一光纤波导耦合器，该第一光纤波导耦合器将光脉冲耦合入光波导芯片中，光脉冲沿着光波导芯片中的第一波导线传输，经过分束器后分为两束光脉冲；第一束光脉冲的光路方向依次是第二波导线、相位波导调制器和第一反射模块，该第一反射模块将第一束光脉冲反射，反射的第一束光脉冲依次经过相位波导调制器和第二波导线进入分束器中；第二束光脉冲的光路方向依次是第三波导线和第二反射模块，该第二反射模块将第二束光脉冲反射，反射的第二束光脉冲经过第三波导线进入分束器中； 第一束光脉冲和第二束光脉冲均依次经过分束器、第四波导线传输至第二光纤波导耦合器，最后由第二光纤出射。

2.根据权利要求1所述的混合波导集成的干涉仪，其特征在于，所述相位波导调制器有2个，其中一个相位波导调制器位于光波导芯片的第二波导线和第一反射模块之间，另一个相位波导调制器位于第三波导线和第二反射模块之间。

3.根据权利要求2所述的混合波导集成的干涉仪，其特征在于：所述分束器为50:50分束器。

4.根据权利要求1至3任一项所述的混合波导集成的干涉仪，其特征在于，所述第一反射模块和第二反射模块为平面反射镜或90度法拉第旋转镜。

5.根据权利要求1所述的混合波导集成的干涉仪，其特征在于，所述光波导芯片采用硅晶片，所述硅晶片上刻蚀有第一波导线、第二波导线、分束器、第三波导线和第四波导线。

6.一种量子密钥分配系统中的混合波导集成的干涉仪，其特征在于，包括第一光纤、第二光纤、第一光纤波导耦合器、第二光纤波导耦合器、光波导芯片、相位波导调制器、第一反射模块和第二反射模块，所述光波导芯片包括第一波导线、第二波导线、分束器、第三波导线和第四波导线，所述的第二波导线上设有延迟线从而使第二波导线和第三波导线的长度不等；所述第一光纤用于接收入射的光脉冲，第一光纤将接收的光脉冲传输至第一光纤波导耦合器，该第一光纤波导耦合器将光脉冲耦合入光波导芯片中，光脉冲沿着光波导芯片中的第一波导线传输，经过分束器后分为两束光脉冲；第一束光脉冲的光路方向依次是第二波导线和第一反射模块，该第一反射模块将第一束光脉冲反射，反射的第一束光脉冲经过第二波导线进入分束器中；第二束光脉冲的光路方向依次是第三波导线、相位波导调制器和第二反射模块，该第二反射模块将第二束光脉冲反射，反射的第二束光脉冲依次经过相位波导调制器和第三波导线进入分束器中； 第一束光脉冲和第二束光脉冲均依次经过分束器、第四波导线传输至第二光纤波导耦合器，最后由第二光纤出射。

7.根据权利要求6所述的混合波导集成的干涉仪，其特征在于：所述分束器为50:50分束器。

8.根据权利要求6或7所述的混合波导集成的干涉仪，其特征在于，所述第一反射模块和第二反射模块均采用平面反射镜或90度法拉第旋镜。

9.根据权利要求6所述的混合波导集成的干涉仪，其特征在于，所述光波导芯片采用硅晶片，所述硅晶片上刻蚀有第一波导线、第二波导线、分束器、第三波导线和第四波导线。