CN109743165A - 一种高斯调制量子光信号产生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高斯调制量子光信号产生装置及方法，装置包括双平行调制器、数模转换模块、随机数产生模块和光衰减器；所述双平行调制器的光输入端接入光脉冲信号，双平行调制器的光输出端与光衰减器连接；所述随机数产生模块与数模转换模块连接，所述数模转换模块的两个输出通道分别连接到双平行调制器的上臂或下臂的射频电极上和第三偏置的相位调制器的电极上。本发明的高斯调制量子光信号产生装置集成度高，且产生方法简单、稳定，解决了当前连续变量量子密钥分发系统中一个分立强度调制器光纤级联一个分立相位调制器使得产生装置复杂与集成度不高，以及光纤光路的扰动和偏振的漂移导致高斯调制量子光信号产生困难和精度不高的问题。

Description

一种高斯调制量子光信号产生装置及方法

技术领域

本发明属于量子保密通信技术领域，具体涉及一种用于连续变量量子密钥分发的高斯调制量子光信号产生装置及方法。

背景技术

随着通信技术的飞速发展，人们对信息大容量、高速率的需求与日剧增的同时也越来越关注信息的安全传输和存储，因此安全保密通信也逐渐引起人们的重视。量子密钥分发的安全性由量子力学的基本原理保证，其在理论研究与实验验证上均得到取得了很大的研究进展，特别是连续变量量子密钥分发由于与经典光通信具有充分的兼容性，同时对光源和探测器等器件无苛刻要求，得到国内外科研人员的广泛研究。

基于相干态的连续变量量子密钥分发方案不需要光场的非经典性质，在实验上容易实现，且其安全性也得到严格的证明，使相干态成为当前连续变量量子密钥分发系统中一种较为实用的载体。同时，由于光纤信道为加性高斯白噪声信道，因此连续变量量子密钥分发系统的发送端采用高斯调制使得系统对窃听检测更加灵敏，同时使通信双方的互信息量接近信道容量。因此高斯调制相干态量子密钥信号的产生成为当前连续变量量子密钥分发的关键技术之一，其产生装置与方法得到广泛的深入研究。

当前在连续变量量子密钥分发系统中高斯调制量子光信号的产生主要利用瑞利分布随机数对光脉冲进行幅度调制，然后利用均匀分布随机数对光脉冲进行相位调制，利用瑞利分布随机数乘以均匀分布随机数的余弦实现高斯调制，最后通过对形成的高斯调制信号进行衰减得到高斯调制量子光信号。但是现有提出的连续变量量子密钥分发系统的高斯调制主要采用一个分立的强度调制器光纤级联一个分立的相位调制器来分别实现幅度调制和相位调制(P.Jouguet,S.KunzJacques,A.Leverrier P.Grangier,andE.Diamanti1,“Experimental demonstration of long-distance continuous-variablequantum key distribution,”.Nature Photonics,2013,7(5):378-381.)，因此要求瑞利分布随机数调制与均匀分布随机数调制之间电时延与光路上的光时延精确匹配，以实现随机数精确加载在光脉冲信号的有效部分上。但是光纤光路的扰动和偏振的漂移使得很难实现精确、稳定的高斯调制，且产生装置的集成度不高，不利于高速连续变量量子密钥分发系统小型化、稳定化的研制。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种用于连续变量量子密钥分发的高斯调制量子光信号产生装置及方法，用于解决当前连续变量量子密钥分发系统中一个分立强度调制器光纤级联一个分立相位调制器使得产生装置复杂与集成度不高，以及光纤光路的扰动和偏振的漂移导致高斯调制量子光信号产生困难和精度不高的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高斯调制量子光信号产生装置，包括双平行调制器、数模转换模块、随机数产生模块和光衰减器；所述双平行调制器的光输入端接入光脉冲信号，双平行调制器的光输出端与光衰减器连接；所述随机数产生模块与数模转换模块连接，所述数模转换模块的两个输出通道分别连接到双平行调制器的上臂或下臂的射频电极上和第三偏置的相位调制器(PM)的电极上。

本发明还提供了一种高斯调制量子光信号产生方法，包括如下步骤：

(1)搭建高斯调制量子光信号产生装置，包括双平行调制器、数模转换模块、随机数产生模块和光衰减器，所述数模转换模块的一个输出通道连接到双平行调制器一个臂的射频电极上，另一个输出通道连接到双平行调制器的第三偏置的PM电极上；

(2)随机数产生模块产生随机数，并对随机数进行处理后由数模转换模块的两个通道分别输出瑞利分布随机数反向正/余弦电压和均匀分布随机数电压；

(3)双平行调制器对光脉冲信号进行高斯调制后输出高斯调制光脉冲信号给光衰减器，经衰减后形成连续变量量子密钥分发所需的高斯调制量子光信号。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

为了解决当前连续变量量子密钥分发系统中高斯调制量子光信号产生困难、且精度和稳定性差、产生装置复杂与集成度不高的问题，本发明通过采用一个集成的双平行调制器替代了传统连续变量量子密钥分发系统的中用于高斯调制产生的分立的强度调制器和相位调制器，提高系统集成度。同时本发明利用双平行调制器中一个臂上MZM波导级联第三偏置的PM，摆脱了传统强度调制器光纤级联相位调制器时的光纤扰动和偏振漂移，使得瑞利分布调制与均匀分布调制时延得以精确控制，提高高斯调制量子光信号产生的精度和稳定性。

综上，本发明提供的用于连续变量量子密钥分发的高斯调制量子光信号产生装置集成度高，且产生方法简单、稳定。

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为本发明的一种用于连续变量量子密钥分发的高斯调制量子光信号产生装置的示意图；

图2为实施例的一种用于连续变量量子密钥分发的高斯调制量子光信号产生和检测系统示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种用于连续变量量子密钥分发的高斯调制量子光信号产生装置由双平行调制器、数模转换模块、随机数产生模块和光衰减器组成，双平行调制器的光输入端接入光脉冲信号和光输出端接光衰减器用于量子信号的产生，随机数产生模块控制数模转换模块的两通道随机数输出，并分别连接到双平行调制器上臂MZM1的射频电极上和第三偏置的PM的电极上。

本发明的一种用于连续变量量子密钥分发的高斯调制量子光信号产生方法的原理如下：

光脉冲信号输入到双平行调制器中进行调制，双平行调制器上臂MZM1的射频电极上加载了瑞利分布随机数反向正/余弦电压V₁＝arcsin(2V_R*V_π1/π)或arccos(2V_R*V_π1/π)，第三偏置的PM的电极上加载均匀分布随机数电压V_b3＝2V_P*V_πb3/π，下臂MZM2的射频电极无信号加载，即V₂＝0，如此双平行调制器输出高斯调制光脉冲信号的光场表示为：

式中F(f_m,t)为初始的光脉冲函数，f_m为脉冲信号的重复频率，t为时间，V_π1和V_πb1分别为双平行调制器上臂MZM1的射频半波电压和偏置半波电压，V_πb2为双平行调制器下臂MZM2的偏置半波电压，V_πb3为第三偏置的PM的半波电压。

当调节MZM1的偏置电压V_b1＝(2p+1)*V_πb1或2p*V_πb1和MZM2的偏置电压V_b2＝(2q+1)*V_πb1时公式(1)可化简为：

其中p,q为整数，从式(2)可以看出光脉冲完成了幅度的瑞利分布随机数调制和相位的均匀分布随机数调制，实现高斯调制，最后高斯调制光脉冲信号经过光衰减器的衰减后形成连续变量量子密钥所需的高斯调制量子光信号。

基于上述原理，将瑞利分布随机数电压加载在双平行调制器的下臂MZM2的射频电极上，调节MZM1和MZM2的偏置电压为相应值，同样可实现高斯调制量子光信号的产生。

实施例

搭建如图2所示的一种用于连续变量量子密钥分发的高斯调制量子光信号产生和检测系统，包括如下步骤：

步骤S1：将连续激光器与高消光比调制器形成的光脉冲信号以1/99的比例分两路传输；

步骤S2：将1/100的光脉冲信号接入本发明的用于连续变量量子密钥分发的高斯调制量子光信号产生装置，形成所需的高斯调制量子光信号；

步骤S3：将99/100光脉冲光经过适当延时补偿后与高斯调制量子光信号通过具有π相位差的光耦合器耦合后进入平衡探测器进行检测，实现高斯信号的提取与恢复，得到原始高斯随机数信号V_R*cosV_P。

Claims (7)

1.一种高斯调制量子光信号产生装置，其特征在于：包括双平行调制器、数模转换模块、随机数产生模块和光衰减器；所述双平行调制器的光输入端接入光脉冲信号，双平行调制器的光输出端与光衰减器连接；所述随机数产生模块与数模转换模块连接，所述数模转换模块的两个输出通道分别连接到双平行调制器的上臂或下臂的射频电极上和第三偏置的相位调制器PM的电极上。

2.根据权利要求1所述的一种高斯调制量子光信号产生装置，其特征在于：所述双平行调制器的第三偏置为具有一定射频带宽的PM。

3.根据权利要求1所述的一种高斯调制量子光信号产生装置，其特征在于：与双平行调制器的上臂MZM1射频电极连接的输出通道输出瑞利分布随机数反向正/余弦电压用于对光脉冲信号的幅值进行调制，与双平行调制器第三偏置的PM的电极连接的输出通道输出均匀分布随机数电压用于对光脉冲信号的相位进行调制。

4.一种高斯调制量子光信号产生方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)搭建高斯调制量子光信号产生装置，包括双平行调制器、数模转换模块、随机数产生模块和光衰减器，所述数模转换模块的一个输出通道连接到双平行调制器一个臂的射频电极上，另一个输出通道连接到双平行调制器的第三偏置的PM电极上；

(2)随机数产生模块产生随机数，并对随机数进行处理后由数模转换模块的两个通道分别输出瑞利分布随机数反向正/余弦电压和均匀分布随机数电压；

(3)双平行调制器对光脉冲信号进行高斯调制后输出高斯调制光脉冲信号给光衰减器，经衰减后形成连续变量量子密钥分发所需的高斯调制量子光信号。

5.根据权利要求4所述的一种高斯调制量子光信号产生方法，其特征在于：对光脉冲信号进行高斯调制的方法为：所述瑞利分布随机数反向正/余弦电压值作为V₁加载在双平行调制器一个臂的射频电极上对光脉冲信号的幅值进行调制，同时调节另一个臂的偏置电压V_b2使该臂工作在光路断开状态，均匀分布随机数电压作为V_b3加载在双平行调制器的第三偏置的PM电极上对光脉冲信号的相位进行调制。

6.根据权利要求4所述的一种高斯调制量子光信号产生方法，其特征在于：所述高斯调制光脉冲信号的光场为：

式中：F(f_m,t)为初始的光脉冲函数，f_m为脉冲信号的重复频率，t为时间，V₁＝arcsin(2V_R*V_π1/π)或arccos(2V_R*V_π1/π)，为瑞利分布随机数反向正/余弦电压，V_b3＝2V_P*V_πb3/π，为均匀分布随机数电压，V_π1、V_πb1和V_b1分别为双平行调制器一个臂的射频半波电压、偏置半波电压和调节偏置电压，V_πb2和V_b2分别为双平行调制器另一个臂的偏置半波电压和调节偏置电压，V_πb3为第三偏置的PM的半波电压。

7.根据权利要求6所述的一种高斯调制量子光信号产生方法，其特征在于：所述V_b1＝(2p+1)*V_πb1或2p*V_πb1，所述V_b2＝(2q+1)*V_πb2，其中p,q为整数。