CN109714109A - 一种量子密钥分发光子发射端 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种量子密钥分发光子发射端，属于量子技术领域。包括：光源芯片及空间光学结构；空间光学结构包括光学滤波片、光阑及准直凸透镜；光源芯片，用于发射出不同偏振态的光子；光阑及准直凸透镜，用于将不同偏振态的光子合为一束准直输出，并利用光学衍射极限原理消除不同偏振态的光子因产生位置不同而带来的附加信息；光学滤波片，用于消除光源芯片发射出的不同偏振态的光子在频谱上的差异。本发明实施例提供的量子密钥分发光子发射端，集成的光源芯片使得线偏振光源之间的间距很小，可以达到几十微米量级，从而相应的光阑，准直凸透镜和光学滤波片的尺寸都可以设计的非常小，进而使得光子发射端整体结构可实现微型化。

Description

一种量子密钥分发光子发射端

技术领域

本发明实施例涉及量子技术领域，尤其涉及一种量子密钥分发光子发射端。

背景技术

量子密钥分配基于单光子不可再分、海森堡不确定关系、测量塌缩原理和量子不可克隆原理，是一种可以从理论上证明信息论意义安全的密钥建立和分发的方式，是当代量子保密通信技术的基础。量子密钥分发使用单光子作为密钥产生和分发的媒介，在单光子上以偏振、相位等方式进行编码，通过量子密钥分发协议可以在量子密钥分发双方建立密钥。目前，量子密钥分发主要应用在增强长距离通信的安全性。采用光纤作为量子信道已可以实现几百公里的量子密钥分发，采用自由空间作为量子信道通过卫星技术已可以实现上千公里的量子密钥分发。

另一方面，像手机这样的便携设备一般通过无线通信技术实现与其他设备的通信，无线通信信号辐射在空间易于被窃听。便携设备的通信同样具有迫切的安全保密需要。这里考虑一种便携设备通信应用的实际场景。便携设备与应用主机设备之间通过无线通信技术彼此通信。为了对无线通信内容进行保护，在通信前在便携设备和应用主机设备之间利用量子密钥分发技术建立安全的密钥。便携设备与应用主机设备之间采用偏振编码的BB84协议实现量子密钥分发功能，采用短距离自由空间作为量子信道。对于偏振编码的BB84协议的量子密钥分发技术，光子发射端一般采用四个不同偏振态的线偏振光源随机调制并合为一束，最后衰减到单光子水平实现。接收端则需要若干单光子探测器支持，以目前的技术尚不能小型化。目前用于长距离量子密钥分发的光子发射端体积大，成本高，难以直接用于便携设备。因此，需要探索新的量子密钥分发光子发射端实现技术，在实现量子密钥分发功能的同时，尽可能简化设计，实现便携设备应用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的量子密钥分发光子发射端。

根据本发明实施例的一方面，提供了一种量子密钥分发光子发射端，该量子密钥分发光子发射端包括：光源芯片及空间光学结构；空间光学结构包括光学滤波片、光阑及准直凸透镜；光源芯片，用于发射出不同偏振态的光子；光阑及准直凸透镜，用于将不同偏振态的光子合为一束准直输出，并利用光学衍射极限原理消除不同偏振态的光子因产生位置不同而带来的附加信息；光学滤波片，用于消除光源芯片发射出的不同偏振态的光子在频谱上的差异。

本发明实施例提供的量子密钥分发光子发射端，通过光学滤波片消除不同偏振态光子的频谱差别，通过光阑和准直凸透镜结构消除不同偏振态光子产生位置不同带来的附加信息，集成的光源芯片使得线偏振光源之间的间距很小，可以达到几十微米量级，从而相应的光阑，准直凸透镜和光学滤波片的尺寸都可以设计的非常小，进而使得光子发射端整体结构可实现微型化。

可选地，光源芯片包括：预设数量组线偏振光源；

其中，每组线偏振光源均由线栅起偏器及制备在衬底上的发光二极管所组成，不同组的线偏振光源用于发射出不同偏振态的光子。

可选地，发光二极管上方制备有金属层，且在金属层制备有线栅；其中，线栅用于作为发光二极管的电极，且作为线栅起偏器。

可选地，发光二极管具有独立电极，且在发光二极管的上方生长有金属层；金属层上制备有线栅起偏器。

可选地，预设数量为4，预设数量组线偏振光源发射出光子的线偏振方向分别沿水平方向、垂直方向、正45度方向及负45度方向。

可选地，衬底由硅，砷化镓或磷化铟所制成。

可选地，发光二极管为硅雪崩发光二极管，砷化镓发光二极管或磷化铟发光二极管。

可选地，发光二极管上生长有透明绝缘层；透明绝缘层的材料为二氧化硅、氮化硅、透明光刻胶或透明树脂。

可选地，金属层为铝，金或镉。

可选地，光源芯片发射出的光子的波长包括可见光波段和/或近红外波段。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述是示例性和解释性的，并不能限制本发明实施例。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种量子密钥通信的应用场景示意图；

图2为本发明实施例提供的一种量子密钥分发光子发射端的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种空间光学结构的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种光源芯片的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种光源芯片的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

量子密钥分配基于单光子不可再分、海森堡不确定关系、测量塌缩原理和量子不可克隆原理，是一种可以从理论上证明信息论意义安全的密钥建立和分发的方式，是当代量子保密通信技术的基础。量子密钥分发使用单光子作为密钥产生和分发的媒介，在单光子上以偏振、相位等方式进行编码，通过量子密钥分发协议可以在量子密钥分发双方建立密钥。目前，量子密钥分发主要应用在增强长距离通信的安全性。采用光纤作为量子信道已可以实现几百公里的量子密钥分发，采用自由空间作为量子信道通过卫星技术已可以实现上千公里的量子密钥分发。

另一方面，像手机这样的便携设备一般通过无线通信技术实现与其他设备的通信，无线通信信号辐射在空间易于被窃听。便携设备的通信同样具有迫切的安全保密需要。这里考虑一种便携设备通信应用的实际场景。便携设备与应用主机设备之间通过无线通信技术彼此通信。为了对无线通信内容进行保护，在通信前在便携设备和应用主机设备之间利用量子密钥分发技术建立安全的密钥。便携设备与应用主机设备之间采用偏振编码的BB84协议实现量子密钥分发功能，采用短距离自由空间作为量子信道。对于偏振编码的BB84协议的量子密钥分发技术，光子发射端一般采用四个不同偏振态的线偏振光源随机调制并合为一束，最后衰减到单光子水平实现。接收端则需要若干单光子探测器支持，以目前的技术尚不能小型化。因此，在这一应用场景中将量子密钥分发的光子发射端置于便携设备内，接收端置于应用主机设备内。偏振编码BB84协议的量子密钥分发发射端的功能是产生受控的单光子波包序列，序列中每个单光子波包的偏振态可在4种预设偏振态(水平偏振“H”，垂直偏振“V”，正45°度线偏振“+”，负45°度线偏振“-”)中受控选择。不同偏振态的单光子波包在空间分布和频谱上不可区分。便携设备对实现上述功能的量子密钥分发发射端的体积和成本提出了非常高的要求。然而目前用于长距离量子密钥分发的光子发射端体积大，成本高，难以直接用于便携设备。因此，需要探索新的量子密钥分发光子发射端实现技术，在实现量子密钥分发功能的同时，尽可能简化设计，实现便携设备应用。

如图1所示，图1为本发明实施例的应用场景示意图。便携设备11上具有本发明提出的偏振编码的BB84协议量子密钥分发光子发射端12。应用主机设备13上具有量子密钥分发光子接收端14。两者在进行无线通信前，首先利用短距离自由空间信道15进行量子密钥分发建立密钥。而后利用密钥对便携设备和应用主机设备间的无线通信16进行加密，实现安全通信。

针对上述情形，本发明实施例提供了一种量子密钥分发光子发射端。参见图2，包括：光源芯片21及空间光学结构22；空间光学结构22包括光学滤波片221、光阑222及准直凸透镜223；

光源芯片21，用于发射出不同偏振态的光子；光阑222及准直凸透镜223，用于将不同偏振态的光子合为一束准直输出，并利用光学衍射极限原理消除不同偏振态的光子因产生位置不同而带来的附加信息；光学滤波片221，用于消除光源芯片21发射出的不同偏振态的光子在频谱上的差异。其中，空间光学结构可参考图3。

本发明实施例提供的量子密钥分发光子发射端，通过光学滤波片221消除不同偏振态光子的频谱差别，通过光阑222和准直凸透镜223结构消除不同偏振态光子产生位置不同带来的附加信息，集成的光源芯片21使得线偏振光源之间的间距很小，可以达到几十微米量级，从而相应的光阑222，准直凸透镜223和光学滤波片221的尺寸都可以设计的非常小，进而使得光子发射端整体结构可实现微型化。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，光源芯片21包括：预设数量组线偏振光源；其中，每组线偏振光源均由线栅起偏器及制备在衬底上的发光二极管所组成，不同组的线偏振光源用于发射出不同偏振态的光子。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例。光源芯片21的实现方式可参见图4，在衬底41上可制备发光二极管42。其中，发光二极管42的数量可以为4，本发明实施例对此不作具体限定。发光二极管42上方可直接制备有金属层43，且在金属层制备有线栅44；其中，线栅用于作为发光二极管的电极，且作为线栅起偏器。每个发光二极管42和相应的线栅44组合形成一个线偏振光源，可以通过电极分别调控发光。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例。光源芯片21的实现方式可参见图5，在衬底51上可制备发光二极管52。其中，发光二极管52的数量可以为4，本发明实施例对此不作具体限定。每个发光二极管52具有独立的电极可以分别调控发光，在每个发光二极管52上方生长有金属层54，还可以生长有透明绝缘层53。在金属层54上制备线栅起偏器55。由此，每个发光二极管52和相应的线栅起偏器55组合形成一个线偏振光源。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，预设数量为4，预设数量组线偏振光源发射出光子的线偏振方向分别沿水平方向“H”、垂直方向“V”、正45度方向“+”及负45度方向“-”。需要说明的是，本发明实施例所形成的线偏振光源，四个线偏振光源可以非常紧凑的制备在同一光源芯片中，从而使得光子发射端整体结构实现微型化。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，上述实施例中涉及到的衬底41或衬底51均可由硅，砷化镓或磷化铟所制成。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，上述实施例中涉及到的发光二极管42或发光二极管52均可以为硅雪崩发光二极管，砷化镓发光二极管或磷化铟发光二极管。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，上述实施例中涉及到的发光二极管52上生长有透明绝缘层53；透明绝缘层53的材料为二氧化硅、氮化硅、透明光刻胶或透明树脂。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，上述实施例中涉及到的金属层43或金属层54均可以为铝，金或镉。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，光源芯片21发射出的光子的波长包括可见光波段和/或近红外波段。

结合实际应用场景，现对本发明实施例提供的量子密钥分发光子发射端进行举例说明，以方便更好了解其构造及工作流程，具体地：

可采用硅衬底，在硅衬底上制备四个硅雪崩二极管，利用雪崩二极管反向击穿实现发光。每个硅雪崩二极管发光区设计为边长为10微米的正方形。相邻光源的间隔为30微米。在硅衬底上生长二氧化硅绝缘层和金属铝层。绝缘层厚度为200纳米，铝层厚度为150纳米。在每个硅雪崩发光二极管上方采用干法刻蚀方法在铝层上制备线栅起偏器，分别支持四种线偏振态光子的输出。线栅起偏器的尺寸与硅雪崩二极管发光区域尺寸相同。线栅周期设计为330纳米，空气隙宽度为100纳米。

在空间光学结构中，光阑的直径可选为11微米，准直凸透镜的透镜焦距为1.5毫米，光阑距离透镜的距离为0.5毫米。光学滤波片的带通滤波中心波长为630纳米，带宽为10纳米。

理论计算表明，在以上参数设置下，考虑到硅雪崩二极管发光的实际效率，最终每个硅雪崩二极管产生并从凸透镜准直输出的光子速率大于5x10³个/s，并且不同硅雪崩二极管输出的光子可以做到在光子产生空间位置和频谱上不可区分。这样的光子产生率可以支持密钥产生率大于1x10³比特每秒的量子密钥产生，可以满足便携设备与应用主机设备间量子密钥分发应用的要求。

本发明实施例采用硅雪崩二极管发光，将多个线偏振光源制备在同一硅衬底，具有将光子发射端芯片部分与它的驱动电路和量子密钥分发的控制电路集成在同一芯片的优势，更有利于实现量子密钥分发光子发射端的微型化。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种量子密钥分发光子发射端，其特征在于，包括：光源芯片及空间光学结构；所述空间光学结构包括光学滤波片、光阑及准直凸透镜；

所述光源芯片，用于发射出不同偏振态的光子；所述光阑及所述准直凸透镜，用于将不同偏振态的光子合为一束准直输出，并利用光学衍射极限原理消除不同偏振态的光子因产生位置不同而带来的附加信息；所述光学滤波片，用于消除所述光源芯片发射出的不同偏振态的光子在频谱上的差异。

2.根据权利要求1所述的量子密钥分发光子发射端，其特征在于，所述光源芯片包括：预设数量组线偏振光源；

其中，每组线偏振光源均由线栅起偏器及制备在衬底上的发光二极管所组成，不同组的线偏振光源用于发射出不同偏振态的光子。

3.根据权利要求2所述的量子密钥分发光子发射端，其特征在于，所述发光二极管上方制备有金属层，且在所述金属层制备有线栅；其中，所述线栅用于作为所述发光二极管的电极，且作为所述线栅起偏器。

4.根据权利要求2所述的量子密钥分发光子发射端，其特征在于，所述发光二极管具有独立电极，且在所述发光二极管的上方生长有金属层；所述金属层上制备有所述线栅起偏器。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的量子密钥分发光子发射端，其特征在于，所述预设数量为4，所述预设数量组线偏振光源发射出光子的线偏振方向分别沿水平方向、垂直方向、正45度方向及负45度方向。

6.根据权利要求2至4中任一项所述的量子密钥分发光子发射端，其特征在于，所述衬底由硅，砷化镓或磷化铟所制成。

7.根据权利要求2至4中任一项所述的量子密钥分发光子发射端，其特征在于，所述发光二极管为硅雪崩发光二极管，砷化镓发光二极管或磷化铟发光二极管。

8.根据权利要求4中所述的量子密钥分发光子发射端，其特征在于，所述发光二极管上生长有透明绝缘层；所述透明绝缘层的材料为二氧化硅、氮化硅、透明光刻胶或透明树脂。

9.根据权利要求3或4所述的量子密钥分发光子发射端，其特征在于，所述金属层为铝，金或镉。

10.根据权利要求1所述的量子密钥分发光子发射端，其特征在于，所述光源芯片发射出的光子的波长包括可见光波段和/或近红外波段。