CN109962771B - 硅基单片集成量子密钥分发接收方芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅基单片集成量子密钥分发接收方芯片结构及其封装结构，芯片结构包括第一光分束器、两个偏振控制器、两个偏振分束器、四个单光子探测器，第一光分束器的输出端连接到两个偏振控制器的输入端，两个偏振控制器的输出端分别连接到两个偏振分束器的输入端，两个偏振分束器的输出端连接到单光子探测器，其中偏振控制器包括第二光分束器、一路硅基移相器、偏振旋转合束器；第二光分束器一路通过硅基移相器连接到偏振旋转合束器，另一路直接连接到偏振旋转合束器。本发明相比现有技术具有以下优点：本发明具有与CMOS工艺兼容、成本低、系统结构简单、集成度高、测试简单、易于封装等优点。

Description

硅基单片集成量子密钥分发接收方芯片
技术领域
本发明涉及量子密钥分发领域，更具体涉及一种硅基单片集成量子密钥分发接收方芯片结构。
背景技术
目前实验室以及商用的量子密钥分发接收方均为分立器件搭建而成：如采用光纤分束器（FC）、电偏振控制器（EPC）、偏振分束器（PBS）以及单光子探测器（APD）等。
现有的各个分立器件之间通常通过多个法兰连接，另外由于环境的变化如温度等也会造成各器件插损以及光纤链路光程发生变化，各个分立器件之间通过光纤和法兰连接，无法实现单片集成，且成本高昂的多，此外高功耗也是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供了一种能够实现高度集成、体积小的硅基单片集成量子密钥分发接收方芯片结构。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种硅基单片集成量子密钥分发接收方芯片结构，包括第一光分束器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一偏振分束器、第二偏振分束器和第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器，第一光分束器的输出端连接到第一偏振控制器、第二偏振控制器的输入端，第一偏振控制器的输出端连接到第一偏振分束器，第二偏振控制器的输出端连接到第二偏振分束器，第一偏振分束器的输出端连接到第一单光子探测器和第二单光子探测器，第二偏振分束器的输出端连接到第三单光子探测器和第四单光子探测器；
所述第一偏振控制器、第二偏振控制器结构相同，包括第二光分束器、一路硅基移相器、偏振旋转合束器；所述第二光分束器一路通过硅基移相器连接到偏振旋转合束器，另一路直接连接到偏振旋转合束器。
作为优选的技术方案，所述第一光分束器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一偏振分束器、第二偏振分束器和第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器之间通过平面光波导建立光连接通道。
作为优选的技术方案，所述第二光分束器、硅基移相器、偏振旋转合束器之间的光路通过平面光波导形成光连接通道。
作为优选的技术方案，所述硅基移相器为使用槽线GS结构电极的单驱动移相器。
或者，所述硅基移相器为使用共面波导GSG结构电极的双驱动移相器。
作为优选的技术方案，光分束器为多模干涉仪的光分束器。
或者，光分束器为Y分支的光分束器。
作为优选的技术方案，单光子探测器为硅基锗单光子探测器。
本发明还公开了一种如上任一项方案所述的硅基单片集成量子密钥分发接收方芯片结构的封装结构，封装结构外围具有Y个引脚，其中引脚1为硅基单片集成量子密钥分发接收方芯片结构的光输入端口，即引脚1连接内部的第一光分束器的输入端，其他引脚2-Y为内部光学芯片电极引出的pin脚。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明具有与CMOS工艺兼容、成本低、系统结构简单、集成度高、测试简单、易于封装等优点。
附图说明
图1为本发明实施例的硅基单片集成量子密钥分发接收方芯片结构图；
图2为本发明实施例的偏振控制器的结构原理图；
图3为本发明实施例的硅基单片集成量子密钥分发接收方芯片的封装形式的结构图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，一种硅基单片集成量子密钥分发接收方芯片结构，包括光分束器1、第一偏振控制器2、第二偏振控制器3、第一偏振分束器4、第二偏振分束器5和第一单光子探测器6、第二单光子探测器7、第三单光子探测器8、第四单光子探测器9。
光分束器1的输出端连接到第一偏振控制器2、第二偏振控制器3的输入端，第一偏振控制器2的输出端连接到第一偏振分束器4，第二偏振控制器3的输出端连接到第二偏振分束器5，第一偏振分束器4的输出端连接到第一单光子探测器6和第二单光子探测器7，第二偏振分束器5的输出端连接到第三单光子探测器8和第四单光子探测器9。
由两组共轭基（其中每个基包含偏振正交的两束光）构成的信号光由所述光分束器1处理后，得到两束功率相等的上下两束光；所述上下两束光分别经过第一偏振控制器2、第二偏振控制器3进行处理后分别得到上下两路的第一调制光和第二调制光；第一调制光经过第一偏振分束器4处理后，将两组共轭基中一个基矢对应的两个正交光分束得到两路光，第二调制光经过第二偏振分束器5处理后，将另一个基矢对应的两个正交光分束得到另外两路光，所得四路光分别进入对应的第一单光子探测器6、第二单光子探测器7、第三单光子探测器8、第四单光子探测器9。
所述光分束器1、第一偏振控制器2、第二偏振控制器3、第一偏振分束器4、第二偏振分束器5和第一单光子探测器6、第二单光子探测器7、第三单光子探测器8、第四单光子探测器9之间通过平面光波导建立光连接通道；所述平面光波导与传输的光信号的模式对应。
同时参阅图2所示，所述第一偏振控制器2、第二偏振控制器3结构相同，包括光分束器10、一路硅基移相器30、偏振旋转合束器20；所述光分束器10一路通过硅基移相器30连接到偏振旋转合束器20，另一路直接连接到偏振旋转合束器20。所述光分束器10、硅基移相器30、偏振旋转合束器20之间的光路通过平面光波导形成光连接通道。所述硅基移相器30用于实现光信号的相移。
输入偏振控制器的光经所述光分束器10分为功率相等的两束光，其中一束光被硅基移相器30调制后与另一束光经所述偏振旋转合束器20进行合束后输出。
优选地，所述硅基移相器30为使用槽线GS结构电极的单驱动移相器或使用共面波导GSG结构电极的双驱动移相器。
优选地，所述单光子探测器6、7、8、9为硅基锗单光子探测器。
优选地，所述光分束器1、10为多模干涉仪的光分束器或Y分支的光分束器。
请参阅图3所示，为所述硅基单片集成量子密钥分发接收方芯片结构的封装结构。封装结构外围具有Y个引脚，其中引脚1为硅基单片集成量子密钥分发接收方芯片结构的光输入端口，即引脚1连接内部的光分束器1的输入端，其他引脚2-Y为内部光学芯片电极pad引出的pin脚，图中各引脚代号之间的关系是：Y≥X≥N≥M≥2。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种硅基单片集成量子密钥分发接收方芯片，其特征在于，包括第一光分束器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一偏振分束器、第二偏振分束器和第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器，所述第一光分束器的输出端连接到第一偏振控制器、第二偏振控制器的输入端，第一偏振控制器的输出端连接到第一偏振分束器，第二偏振控制器的输出端连接到第二偏振分束器，第一偏振分束器的输出端连接到第一单光子探测器和第二单光子探测器，第二偏振分束器的输出端连接到第三单光子探测器和第四单光子探测器；
所述第一偏振控制器、第二偏振控制器结构相同，包括第二光分束器、一路硅基移相器、偏振旋转合束器；所述第二光分束器一路通过硅基移相器连接到偏振旋转合束器，另一路直接连接到偏振旋转合束器，所述第二光分束器、硅基移相器、偏振旋转合束器之间的光路通过平面光波导形成光连接通道；
所述第一光分束器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一偏振分束器、第二偏振分束器和第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器之间通过平面光波导建立光连接通道，所述平面光波导与传输的光信号的模式对应。
2.根据权利要求1所述的硅基单片集成量子密钥分发接收方芯片，其特征在于，所述硅基移相器为使用槽线GS结构电极的单驱动移相器。
3.根据权利要求1所述的硅基单片集成量子密钥分发接收方芯片，其特征在于，所述硅基移相器为使用共面波导GSG结构电极的双驱动移相器。
4.根据权利要求1所述的硅基单片集成量子密钥分发接收方芯片，其特征在于，所述第一光分束器为多模干涉仪的光分束器或Y分支的光分束器。
5.根据权利要求1所述的硅基单片集成量子密钥分发接收方芯片，其特征在于，所述第二光分束器为多模干涉仪的光分束器或Y分支的光分束器。
6.根据权利要求1至5任一项所述的硅基单片集成量子密钥分发接收方芯片，其特征在于，所述第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器为硅基锗单光子探测器。
7.根据权利要求1至6任一项所述的硅基单片集成量子密钥分发接收方芯片，其特征在于，所述芯片的封装结构外围具有Y个引脚，其中引脚1为硅基单片集成量子密钥分发接收方芯片的光输入端口，即引脚1连接内部的第一光分束器的输入端，其他引脚2-Y为内部光学芯片电极引出的pin脚。
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